趙雪川　李衛(wèi)國　王利利

摘 要：文章設(shè)計了一種自動乒乓球撿球機器人，該機器人采用STM32單片機作為控制系統(tǒng)，利用涵道的高速旋轉(zhuǎn)，使殼體內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓強差，將外界的乒乓球壓進殼體，實現(xiàn)自動撿球的目的，在裝置的最底部安裝了可以旋轉(zhuǎn)的撥球裝置，盡量的做到整個殼體的密閉性。

關(guān)鍵詞：撿球機器人；乒乓球；涵道

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）17-0083-02

Abstract： This paper designs an automatic table tennis ball picking robot， which uses STM32 single chip computer as control system， makes use of the high speed rotation of ducts， causes certain pressure difference inside and outside the shell， and compresses the outside table tennis into the shell， to achieve the purpose of automatically picking up the ball. At the bottom of the device， a rotatable ball device is installed， so as to achieve the sealing of the whole shell.

Keywords： ball picking robot； table tennis； culvert

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，人工智能技術(shù)對人類的影響越來越大。機器人技術(shù)越發(fā)成熟，從事維護保養(yǎng)、機械修理、安保救援、生產(chǎn)運輸?shù)裙ぷ鞯姆?wù)性機器人正逐步滲透到人類生活的各個領(lǐng)域，保證了作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，也可以逐步將人力從繁重的體力勞動、簡單的機械作業(yè)中解放出來。本文擬對新型乒乓球撿球機器人進行開發(fā)設(shè)計，利用涵道風(fēng)扇產(chǎn)生的壓差將乒乓球吸取回收，產(chǎn)品使用電路及遙控控制，可操作性強，作業(yè)效率高，對角落和障礙處的落球也能很好撿拾。

1 基本原理

機器人利用涵道的高速旋轉(zhuǎn)，使殼體內(nèi)外產(chǎn)生一定的壓強差，利用壓強將外界的乒乓球壓進殼體（現(xiàn)在國際慣用的乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，體積小、質(zhì)量輕，適合吸取撿拾）。

涵道的工作原理：電機做高速的圓周運動，加快了殼體內(nèi)部的空氣流速，從而導(dǎo)致殼體內(nèi)部的壓強減少，進而使殼體內(nèi)部與吸球口處產(chǎn)生壓強差，球被壓入殼體為了盡量的做到整個殼體的密閉性，裝置最底部安裝了可以旋轉(zhuǎn)的撥球裝置，當(dāng)處于吸球狀態(tài)時，撥球器的口與吸球口連同，而將出球口封閉，當(dāng)足夠數(shù)量的球通過涵道的作用被吸入上層的隔板后，撥球器再次旋轉(zhuǎn)，使它的口與出球口連同，而將進球口封閉，由于隔板的傾斜設(shè)計，球在重力的作用下落入出球口。

2 總體設(shè)計思路

本設(shè)計完全是基于實踐考慮，設(shè)計之初進行了詳細的前期考察和調(diào)研；根據(jù)考察的結(jié)果制定具體的設(shè)計方案和要求，初步設(shè)計出整體的布局和結(jié)構(gòu)外形；使用計算機進行虛擬樣機的仿真模擬，并優(yōu)化；根據(jù)優(yōu)化后的數(shù)據(jù)制作物理樣機；進行撿球?qū)嶒灒罱K確定樣機形式。

（1）前期考察調(diào)研。各大體育場館的乒乓球訓(xùn)練、比賽場地進行了實地考察，了解服務(wù)人員對撿球車有什么需求和建議，對比目前在用的撿球方法和撿球器械的撿球器械的優(yōu)缺點。

（2）撿球車定型。根據(jù)考察的結(jié)果，選定本設(shè)計的撿球車?yán)煤缐翰畛槿?，并使用撿球車的?nèi)部為儲球空間。

（3）乒乓球撿球車的三維機構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化。乒乓球撿球車機構(gòu)包括底盤的運動機構(gòu)、吸球機構(gòu)、儲球機構(gòu)和撥球機構(gòu)，通過三維建模確定整車設(shè)計可行性，并對各零部件做出優(yōu)化，最終確定整車的數(shù)據(jù)。

（4）乒乓球撿球車運動仿真。利用Solidworks對所建立的三維模型進行運動仿真，通過軟件分析查看整車效果并做優(yōu)化處理，生成最終的裝配圖和工程圖。

（5）乒乓球撿球車的制造。根據(jù)零件圖和裝配圖購買標(biāo)準(zhǔn)件，完成各零部件的制造加工和整機組裝，并為撿球車配置整套電控系統(tǒng)，對組裝好的撿球車進行調(diào)試。

（6）乒乓球撿球車撿球?qū)嶒?。?yīng)用撿球車進行多次撿球?qū)嶒?，記錄和分析實驗?shù)據(jù)，通過測試結(jié)果反饋進行撿球車整體機構(gòu)改進和電控部分的優(yōu)化處理。

3 具體設(shè)計思路

涵道乒乓球撿球機器人分為兩部分：主體撿球機構(gòu)及整車結(jié)構(gòu)和電路控制部分，整車采用半自動的遙控器控制行進及撿球作業(yè)。

4 整車結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）底盤設(shè)計。撿球車底盤主體使用矩形加厚亞克力

板，因整車的重量均由底盤承擔(dān)，必須要保證主體強度。

（2）驅(qū)動裝置采用4個12V電機驅(qū)動的四個互成矩形

的麥克納姆輪，實現(xiàn)撿球車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及左右平移。因其工作的主體區(qū)為平整的乒乓球場地，四輪可不做減震裝置，降低制造成本。

（3）儲球裝置。儲球裝置采用透明亞克力板粘接，本撿球車采用壓強差撿球原理，其對儲球裝置的氣密性具有一定的要求，因此在制造過程中要保證粘接的質(zhì)量和強度。儲球裝置的大小可通過實驗和數(shù)據(jù)計算具體得出。

（4）吸球機構(gòu)。撿球車?yán)弥睆綖?0mm涵道風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)改變內(nèi)外壓強，達到撿球的目的。具體設(shè)計為涵道風(fēng)扇進風(fēng)口通過儲球裝置與進球口相連，通過涵道風(fēng)扇的高速旋轉(zhuǎn)改變儲球裝置中的空氣流速，從而使儲球裝置中的壓強減小，使得其與外界瞬間產(chǎn)生壓強差，球在外界壓強的作用下被壓入儲球裝置。吸球管主體使用直徑稍大于乒乓球直徑的PVC管材，方便組裝和更換，吸入口垂直地面并有防護罩，進球口呈45℃斜口，方便乒乓球進入儲球機構(gòu)。

（5）撥球裝置。撥球裝置采用舵機帶動撥片順逆時針交替旋轉(zhuǎn)的方式將儲球裝置中的球撥出。撥盤為一個安裝在儲球裝置內(nèi)部開有一個與進球口直徑一樣的圓孔的裝置，撥盤的作用在于切換儲球裝置與進出口的連通，當(dāng)撿球車開始吸球時撥盤口與吸球口連通，同時撥盤擋住出球口，當(dāng)撿球車向外倒球時舵機帶動撥盤逆時針轉(zhuǎn)90°，使得撥盤口與出球口連通，同時撥盤擋住進口，防止球回落到進球口。

5 電路控制部分設(shè)計

（1）底盤的運動控制。底盤的運動由電機驅(qū)動的四個麥克納姆輪實現(xiàn)，具體為通過調(diào)節(jié)四個直流電機的正反轉(zhuǎn)及四個輪子轉(zhuǎn)動的差速實現(xiàn)底盤的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及左右平移，底盤的電控部分將用到電機的測速馬盤以及電機的換向電路。

（2）涵道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動與控制。因涵道風(fēng)扇的電機較為特殊，所以涵道風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動必須通過電條來實現(xiàn)，涵道風(fēng)扇的開關(guān)及功率大小則通過遙控器來實現(xiàn)。

（3）撥盤與撥片的控制。撥盤通過舵盤與舵機連接，通過控制行程為90°舵機的角度實現(xiàn)撥盤的轉(zhuǎn)動，撥盤由遙控控制。撥片通過舵盤與舵機連接，通過控制舵機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)撥球，撥片由遙控控制。

（4）主控板。主控板是整機的核心原件，采用STM32單片機作為主控板， STM32單片機與上位機進行通信，控制芯片通過對上位機命令的解析來控制定時器PWM 的輸出頻率，從而實現(xiàn)底盤的運動、涵道風(fēng)扇的開關(guān)、撥盤和撥片的轉(zhuǎn)動等功能。

（5）遙控裝置。遙控裝置是撿球車實現(xiàn)撿球、輸送等一系列功能的控制部件，本設(shè)計采用大疆公司小精靈的遙控器實現(xiàn)對所有可控部分的控制。

6 撿球效果驗收

在本校的體育館實地進行撿球效果驗收，經(jīng)過試驗該撿球機器人行走平穩(wěn)，撿球效果良好，運行期間噪聲小，對于角落和障礙后的球能很好的撿拾，同時散落的球可以攢堆后統(tǒng)一回收，減少了能量的損耗。

7 涵道撿乒乓球機器人的創(chuàng)新點

（1）高效、實用、簡易的撿球裝置的設(shè)計，主要突破邊角球的撿拾和集中球的拾取這兩大關(guān)鍵問題。

利用涵道飛機的動力源涵道風(fēng)扇實現(xiàn)撿球，極大的提高了撿球的效率；動力系統(tǒng)采用4個12V的直流電機供給，行走方式電機驅(qū)動麥克納姆輪，極大地提高了撿球車的靈活性和電能的供給；控制系統(tǒng)使用STM32單片機作為主控板，使用遙控器作為控制手段，半自動化控制可以進行定向撿球，同時也減少了因程序問題引發(fā)的故障。結(jié)構(gòu)簡便易于制造，整車采用亞克力板粘接，很大程度上保證了撿球車的氣密性，使用透明的亞克力板，有利于觀察內(nèi)外部的情況；撿球車的各個部件采用可拆卸連接，方便更換和維修，同時也減輕了車體的重量。極大的降低了整車的造價，經(jīng)濟適用。

（2）達到節(jié)能減排的目的?，F(xiàn)階段國內(nèi)外撿乒乓球機器人的研究有兩個方向：一是夾持式，二是吸附式。第一類中機械手的設(shè)計過于復(fù)雜，且機械手與球之間是硬接觸，容易對乒乓球造成機械式的損傷。第二類比第一類在技術(shù)上更成熟，但由于在拾取后真空泵要持續(xù)工作，耗能比大，不符合當(dāng)下節(jié)能減排的思想。本設(shè)計的機器人的設(shè)計核心是將拾取部分與容器部分設(shè)計成一體，此設(shè)計在靈活性與節(jié)能減排等方面都有很大的提升，經(jīng)濟與實用效益都非?？捎^。

（3）實現(xiàn)多學(xué)科的配合。本設(shè)計涉及機械設(shè)計、Solidworks、機械原理等其他學(xué)科知識以及自動化、傳感器等先進技術(shù)，在實際中應(yīng)用了CAD制圖，C語言編程、三維構(gòu)圖和計算機模擬及單片機的知識，是多學(xué)科綜合運用的結(jié)果。

（4）體積適合的儲球裝置的設(shè)計，在能高效撿球的基礎(chǔ)上盡可能設(shè)計最大的儲球裝置，除了置于車底的簡單的控制元件和車頂?shù)暮里L(fēng)扇，其余的整車均可使用為儲球空間，可以提高每次的撿球數(shù)。

（5）合理設(shè)計撥球裝置，突破撥球時卡球這一大難題。

（6）撿球車的驅(qū)動系統(tǒng)，盡可能提高撿球車的靈活性。

（7）在實現(xiàn)高效撿球的同時，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)及電控，達到低能耗的目的。

參考文獻：

[1]朱建，安必勝，朱向楠.乒乓球撿球機的創(chuàng)新設(shè)計及感悟[J].揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論叢，2011，01.

[2]陳成會，朱向楠，冒瑞.遙控智能乒乓球撿球機的創(chuàng)新設(shè)計及感悟[J].揚州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論叢，2014，02：

[3]安丹陽.新型自主式乒乓球撿球機器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].東北大學(xué)，2008.

[4]許東偉，劉建群，林淦.乒乓球撿球機器人的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機床與液壓，2014，03.

[5]呂騰飛，陸麗，何炳林，等.智能網(wǎng)球撿球機的研制[J].電子世界，2013，12.

[6]安丹陽.新型自主式乒乓球檢球機器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究

[D].東北大學(xué)，2008.

[7]郭海軍.乒乓球機器人動力學(xué)分析與聯(lián)合仿真研究[D].燕山大學(xué)，2012.