胡晉齋，章德平，勾藝，陳越

一種網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的設(shè)計(jì)

胡晉齋，章德平*，勾藝，陳越

（武漢輕工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

網(wǎng)球比賽通常在兩名單打球員或兩對組合之間開展，因此某些情況下缺少陪練人員將直接導(dǎo)致網(wǎng)球球員的訓(xùn)練無法進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球練習(xí)者在無人陪練狀態(tài)下的自主訓(xùn)練，設(shè)計(jì)了一款網(wǎng)球自動發(fā)球裝置。該裝置采用單片機(jī)控制，具有收球、送球、儲球、發(fā)球、行走五個(gè)功能，并且實(shí)現(xiàn)了發(fā)球頻率、角度和球速的自動調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與同類產(chǎn)品相比，該自動發(fā)球裝置更為符合人機(jī)工程學(xué)的基本原理，收球和發(fā)球效果更好，對于幫助網(wǎng)球練習(xí)者提高訓(xùn)練水平具有重要意義。

網(wǎng)球自動發(fā)球裝置；四輪發(fā)球機(jī)構(gòu)；自動行走裝置

網(wǎng)球運(yùn)動作為世界上第二大球類運(yùn)動，深受廣大青少年的喜愛，在我國的普及程度也越來越高。在練習(xí)時(shí)，無論是初學(xué)者，還是專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動員，都需要一位陪練人員。然而陪練人員在陪同練習(xí)者進(jìn)行訓(xùn)練的過程中，由于受到周圍環(huán)境、精神狀態(tài)和身體條件等因素的影響，很難做到發(fā)揮的水準(zhǔn)始終如一，其對發(fā)球角度、發(fā)球球速和發(fā)球距離等技術(shù)指標(biāo)的把握無法保持在穩(wěn)定狀態(tài)，這就使得訓(xùn)練效果不理想。此外，訓(xùn)練中需要不斷重復(fù)的撿球環(huán)節(jié)也大量消耗了練習(xí)者和陪練人員的體力，影響到了網(wǎng)球的練習(xí)效果。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一款集撿球和發(fā)球功能為一體的網(wǎng)球自動發(fā)球裝置，可以替代陪練人員的角色來幫助網(wǎng)球練習(xí)者進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)不僅可以根據(jù)各種訓(xùn)練要求進(jìn)行有針對性的發(fā)球，還可以實(shí)現(xiàn)全過程機(jī)器自動撿球。網(wǎng)球自動發(fā)球裝置在大幅改善發(fā)球質(zhì)量穩(wěn)定性的同時(shí)，大大降低了練習(xí)者因頻繁撿球而造成的體力損耗，提高了網(wǎng)球訓(xùn)練活動的質(zhì)量和效率。

1 網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的方案設(shè)計(jì)

開展市場調(diào)研活動，對如圖1所示市場上現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)的性能技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)：

（1）TUTOR發(fā)球機(jī)。運(yùn)用對轉(zhuǎn)雙輪原理發(fā)球。當(dāng)網(wǎng)球接觸到摩擦輪后，在高速旋轉(zhuǎn)的兩摩擦輪帶動下擠入它們之間的空隙。由于兩個(gè)反向摩擦輪的摩擦力作用，網(wǎng)球獲得一定初速度發(fā)射出去。摩擦輪由伺服電機(jī)驅(qū)動。發(fā)球的穩(wěn)定性高，可控制球速、角度、頻率。缺點(diǎn)是發(fā)球旋向單一、造價(jià)昂貴。

圖1 現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)

（2）LOBSTER發(fā)球機(jī)。運(yùn)用空氣壓縮原理發(fā)球。利用空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的氣壓儲存在集氣鋼瓶內(nèi)，當(dāng)球掉入送球管時(shí)，釋放鋼瓶內(nèi)空氣，以空氣壓力將球彈出。造價(jià)相對便宜，適應(yīng)大眾消費(fèi)水平。缺點(diǎn)是噪音大、功率大、不能使用蓄電池供電。

通過分析可知，現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)主要存在以下問題：

（1）造價(jià)昂貴，市場普及程度不高；

（2）發(fā)球旋向單一，無法滿足多種要求；

（3）網(wǎng)球機(jī)器人未集成撿球功能，多數(shù)采用人工撿球，無謂地消耗了練習(xí)者的體力。

針對上述不足，本文設(shè)計(jì)出一種集自動收發(fā)球?yàn)橐惑w的網(wǎng)球自動發(fā)球裝置。與市場上現(xiàn)有網(wǎng)球發(fā)球機(jī)相比，其功能更為強(qiáng)大、發(fā)球形式更加多樣、市場應(yīng)用范圍更加廣泛。該裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)多種要求（各類旋向球、吊高球、吊小球等）的自動發(fā)球，還可以做到全程機(jī)器撿球，達(dá)到了提高網(wǎng)球訓(xùn)練水平、將人從繁重的解放出來的目的。該網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的總體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的總體設(shè)計(jì)方案

如圖3所示，網(wǎng)球自動發(fā)球裝置可以分為收球、送球、儲球、發(fā)球和行走五個(gè)功能模塊。

1.儲球機(jī)構(gòu)2.發(fā)球機(jī)構(gòu)3.行走機(jī)構(gòu)4.送球機(jī)構(gòu)5.收球機(jī)構(gòu)

其中，收球機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)對場地內(nèi)四處散落的網(wǎng)球的自動收集，行走機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)裝置在訓(xùn)練場地之內(nèi)基于網(wǎng)球自動收集功能的自主行走，儲球機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)球自動收集之后的自動儲存，發(fā)球機(jī)構(gòu)主要用于實(shí)現(xiàn)基于各類要求（旋向和球速）的發(fā)球活動，送球機(jī)構(gòu)主要用于將儲球機(jī)構(gòu)所儲存的網(wǎng)球以一定的頻率送入發(fā)球機(jī)構(gòu)，以幫助完成發(fā)球活動。收球機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)位于裝置的底部，儲球機(jī)構(gòu)位于裝置的頂部。

2 網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)球機(jī)構(gòu)

發(fā)球機(jī)構(gòu)需適應(yīng)各種發(fā)球要求，實(shí)現(xiàn)球速和方向的可調(diào)。發(fā)球結(jié)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)包括摩擦輪機(jī)構(gòu)、行星輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)三個(gè)部分。

發(fā)球機(jī)構(gòu)采用獨(dú)創(chuàng)的四摩擦輪發(fā)球方式，相比于業(yè)內(nèi)流行的雙摩擦輪發(fā)球[1]。機(jī)構(gòu)采用四摩擦輪進(jìn)行發(fā)球，可產(chǎn)生更大的發(fā)球初速度，由于發(fā)旋球時(shí)旋轉(zhuǎn)方向通過控制四個(gè)摩擦輪的轉(zhuǎn)速來控制，這就使得旋球的樣式更為豐富且發(fā)球效率更高。上下左右四個(gè)摩擦輪各自與一臺驅(qū)動電機(jī)獨(dú)立相連，四輪中間留有略小于網(wǎng)球直徑的空隙。

行星輪機(jī)構(gòu)控制發(fā)球機(jī)構(gòu)左右轉(zhuǎn)向使發(fā)球水平角度可調(diào)，如圖4所示。

1.小齒輪2.大齒輪3.內(nèi)齒輪4、5.聯(lián)動軸6.行星架7.發(fā)球裝置

輪1和輪3為太陽輪，輪2為行星輪，6為行星架，軸4和軸5裝配在發(fā)球裝置7上。輪1為主動輪，輪3固定，輪1帶動輪2轉(zhuǎn)動使軸5繞行星架6轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)發(fā)球裝置7的水平轉(zhuǎn)動。

四桿機(jī)構(gòu)控制四輪發(fā)球機(jī)構(gòu)的俯仰角度。如圖5所示，電機(jī)6帶動圓盤4轉(zhuǎn)動，軸3和軸5固定，滿足桿長條件且最短桿為原動件該機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，輪4轉(zhuǎn)動一圈發(fā)球架1轉(zhuǎn)動一個(gè)角度實(shí)現(xiàn)發(fā)球裝置的俯仰運(yùn)動。四輪發(fā)球機(jī)構(gòu)安裝在發(fā)球架1上調(diào)節(jié)發(fā)球架的仰角可控制發(fā)球的角度。

1.發(fā)球架2.連桿3、5.軸4.圓盤6.電機(jī)

可求得：

式中：1為摩擦輪的線速度，m/s；1為摩擦輪角速度，rad/s；為半徑，m。

因此網(wǎng)球最大線速度可達(dá)41，離心力為：

式中：為離心力，N；為網(wǎng)球的質(zhì)量，kg。

根據(jù)動能定理可得：

式中：為發(fā)球時(shí)初始拋射角度，rad；為最大高度，m；為拋射距離，m；為球射出的速度，m/s。

當(dāng)＝45°時(shí)，取最大值，此時(shí)網(wǎng)球可達(dá)最遠(yuǎn)距離，不過應(yīng)用實(shí)踐表明：拋射角度過高并不一定能夠獲得最佳的發(fā)球效果，因此將最大俯仰角度設(shè)定為35°，而發(fā)球距離的補(bǔ)償則通過控制四摩擦輪的速度來實(shí)現(xiàn)。

2.2 儲球機(jī)構(gòu)

儲球機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)可容納網(wǎng)球數(shù)目盡可能多、給球頻率可調(diào)且不易卡球等要求。儲球機(jī)構(gòu)主要由儲球箱、攪拌機(jī)構(gòu)和給球機(jī)構(gòu)三個(gè)部分組成，如圖6所示。為最大程度實(shí)現(xiàn)空間的充分利用，儲球箱分為上下兩層，上層設(shè)計(jì)成底部下凹的箱體結(jié)構(gòu)，底部開設(shè)一個(gè)比網(wǎng)球直徑略大的圓孔，以確保網(wǎng)球能夠順利通過該孔進(jìn)入給球機(jī)構(gòu)；下層后方開設(shè)一個(gè)矩形槽用以放置給球機(jī)構(gòu)。

1.攪拌機(jī)構(gòu) 2.儲球箱3.給球機(jī)構(gòu)

攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，主要用于對儲球箱內(nèi)的網(wǎng)球進(jìn)行輕度攪動，以確保網(wǎng)球更可靠地進(jìn)入給球機(jī)構(gòu)，其桿長分別為70 mm、145 mm、180 mm和200 mm。其中連桿設(shè)計(jì)成形狀為倒鉤狀的桿，其尺寸根據(jù)攪拌動作所需的連桿曲線規(guī)律進(jìn)行確定。

給球機(jī)構(gòu)主要由給球盤和六分度槽輪機(jī)構(gòu)兩部分組成，其運(yùn)轉(zhuǎn)由電動機(jī)驅(qū)動。給球盤上有六個(gè)圓周陣列的儲球口，網(wǎng)球經(jīng)由儲球箱進(jìn)入給球盤后，在電機(jī)的驅(qū)動下六分度槽輪機(jī)構(gòu)帶動給球盤轉(zhuǎn)動，當(dāng)有網(wǎng)球進(jìn)入的儲球口轉(zhuǎn)至與下層入球口對齊的位置時(shí)，網(wǎng)球進(jìn)入軟管完成給球動作。電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，給球盤轉(zhuǎn)動60°，通過控制驅(qū)動轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)給球頻率的控制。

2.3 收球機(jī)構(gòu)

目前市面上較為常見的收球撿球裝置都是人工操作的網(wǎng)球筒或網(wǎng)球筐。網(wǎng)球筐由彈性條狀材料制成，其間距略小于網(wǎng)球直徑，用力壓下或者滾過球身時(shí)將球壓進(jìn)筐中。網(wǎng)球筒由收集筒、手柄、進(jìn)口閥和彈簧組成，手柄便于操控，進(jìn)口閥使網(wǎng)球只進(jìn)不出，而收集筒用于儲球[6]。這兩種方式效率低、儲球數(shù)量少、操作方式原始，有很大的局限性。

本裝置為采用圖7所示三扇葉收球裝置，利用扇葉旋轉(zhuǎn)進(jìn)行收球。為了提高收球效率，底座2前端設(shè)計(jì)成外八字形導(dǎo)軌，使得捕捉網(wǎng)球更加容易；后端部分設(shè)計(jì)成一個(gè)斜面，通過皮帶傳動傳輸動力使扇葉1旋轉(zhuǎn)將球從斜面推進(jìn)送球箱。

1.收球扇葉2.底座3.電機(jī)4.支架5.皮帶輪6.皮帶7.電機(jī)

2.4 送球機(jī)構(gòu)

送球機(jī)構(gòu)由送球箱、絲桿和擋板幾個(gè)部分組成。如圖8所示，送球箱后面板底部開設(shè)一個(gè)高80 mm、長240 mm的矩形槽，送球箱底板適當(dāng)傾斜以確保網(wǎng)球能夠自動滾向矩形槽。在矩形槽外裝有擋板，通過擋板動作來控制網(wǎng)球在恰當(dāng)時(shí)刻滾出，避免出現(xiàn)網(wǎng)球在送球箱升降過程中提前從矩形槽滾出的情況。

圖8 送球箱的結(jié)構(gòu)示意圖

送球箱底部安裝有重量感應(yīng)裝置[8]，當(dāng)箱內(nèi)網(wǎng)球重量達(dá)到2 kg時(shí)，控制系統(tǒng)會啟動電動機(jī)驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)，從而將送球箱升起送至預(yù)定位置，使送球箱后面板底部的矩形槽與儲球箱入球槽對齊，此時(shí)若擋板發(fā)生配合動作，網(wǎng)球?qū)⑷繚L入儲球箱，完成送球運(yùn)動。

2.5 行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)采用后輪驅(qū)動，前輪用于控制轉(zhuǎn)向，與汽車轉(zhuǎn)向裝置類似，通過控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的角度來控制網(wǎng)球自動發(fā)球裝置的轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)為自由度等于1的六桿機(jī)構(gòu)。網(wǎng)球自動發(fā)球裝置所需轉(zhuǎn)向角度為±35°～±45°。參照汽車內(nèi)輪和外輪的最大轉(zhuǎn)向角度，設(shè)定網(wǎng)球自動發(fā)球裝置轉(zhuǎn)向角為±40°。該機(jī)構(gòu)可以視為一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與一個(gè)雙曲柄機(jī)構(gòu)的組合機(jī)構(gòu)，因此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析可以從曲柄搖桿機(jī)構(gòu)著手。如圖9和圖10所示。

圖9 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)該機(jī)構(gòu)中∠＝，則與相連機(jī)架（以軸負(fù)方向?yàn)檎┑膴A角為45°－至135°－。查閱文獻(xiàn)[8]可得：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中已知曲柄轉(zhuǎn)動角度，尺寸有無窮多組解，根據(jù)實(shí)際情況有＞0（以軸負(fù)方向?yàn)檎┍阌谇陌惭b，滿足上述條件的尺寸均合適。

圖10 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖

根據(jù)該機(jī)構(gòu)的具體尺寸進(jìn)行建模并導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真[9]，可得如圖11所示曲線。根據(jù)仿真結(jié)果可知：ω的大小與時(shí)間成周期性變化，機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)≈1。

圖11 AB桿的角速度仿真曲線

3 結(jié)束語

網(wǎng)球自動發(fā)球裝置旨在幫助練習(xí)者訓(xùn)練，提高練習(xí)者的網(wǎng)球運(yùn)動水平，從而促使網(wǎng)球運(yùn)動更加普及。實(shí)踐應(yīng)用表明：本文所設(shè)計(jì)的網(wǎng)球自動發(fā)球裝置非常適合進(jìn)行多樣訓(xùn)練，用于專業(yè)網(wǎng)球訓(xùn)練效果良好，可以專門針對網(wǎng)球運(yùn)動員的弱項(xiàng)進(jìn)行訓(xùn)練，且發(fā)球質(zhì)量具有良好的一致性，尤其適合作為初學(xué)者和業(yè)余愛好者的陪練設(shè)備；網(wǎng)球自動發(fā)球裝置具有發(fā)球頻率、發(fā)球角度和球速可調(diào)的特點(diǎn)，使得網(wǎng)球訓(xùn)練的最大問題即網(wǎng)球落點(diǎn)控制得以解決；網(wǎng)球自動發(fā)球裝置所采用的機(jī)械化收球方式相比人工收球而言，大大減輕了練習(xí)者的勞動強(qiáng)度，有利于提高訓(xùn)練效果。

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The Design of an Automatic Serve Device for Tennis

HU Jinzhai，ZHANG Deping，GOU Yi，CHEN Yue

( Department of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China)

Tennis match is usually undertaken between two players or two pairs, so the lack of partner will directly result in a tennis player's normal training cannot be implemented in some cases. In order to achieve autonomous training of the tennis players under the condition of unaccompanied, an automatic serve device for tennis is designed in this paper. The device that has serving and collecting function is controlled by monolithic processor, and the service frequency, angle and velocity can be automatically adjusted. The experimental results show that the automatic serve device for tennis accords with principles of ergonomics, and it is of great significance for tennis player to improve its training level.

automatic serve device for tennis；four-wheel service part；automatic walking device

TH122；G845

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.013

1006－0316 (2020) 03－0071－06

2019－09－06

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目——微型汽車差速器軸承預(yù)緊的機(jī)理研究（B2019057）

胡晉齋（1999－），男，湖北宜昌人，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

章德平（1981－），男，湖北宜都人，博士，講師，主要研究方向?yàn)槲⑿推噦鲃酉到y(tǒng)效率優(yōu)化及測試，E-mail：bluezone1981@sina.com