李小康，趙險峰，胡述祥，王宇杰

(武漢輕工大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048)

中國是一個乒乓球大國，有眾多乒乓球業(yè)余愛好者。乒乓球健體、健腦又健心，是一項非常普及的運動。因為這項運動需要至少兩個人才能完成，所以在一些缺少對手的場合內(nèi)，要想進行這項運動非常困難。在提高技術(shù)水平方面，僅僅依靠人與人之間的訓(xùn)練不僅耗時耗力，而且也不能達到良好的重復(fù)性訓(xùn)練效果，使得技術(shù)水平的提升速度較為緩慢。費時費力的拾球以及陪練的發(fā)球力度、角度、旋向和遠近距離的不確定性，極大地削弱了大家的訓(xùn)練興趣。而智能乒乓球陪練機器人的誕生可以有效地解決這些問題，它集拾球、運球、發(fā)球于一身，不同的撿球方式可以使它適應(yīng)不同的環(huán)境，任意方位、速度、旋向的發(fā)球方式使得訓(xùn)練更加靈活、多樣，從而能夠達到最好的訓(xùn)練效果[1-2]。

1 乒乓球機器人的市場調(diào)查研究

雖然目前國內(nèi)拾球、發(fā)球機構(gòu)正在普及，但是其整體效率不高。筆者對目前市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品進行了調(diào)研和分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，現(xiàn)有拾發(fā)乒乓球機器主要存在以下問題：

1)機器拾球效率不高，且難以收集墻邊、角落的乒乓球；

2)機器發(fā)球性能單一，不能實現(xiàn)多種球路變化，無法達到最佳的訓(xùn)練效果；

表1 市場上拾發(fā)乒乓球機器性能分析

3)拾發(fā)乒乓球機器一體化技術(shù)還不成熟。

2 智能乒乓球陪練機器人的設(shè)計思路

基于上述分析，本文創(chuàng)新設(shè)計了一款既可以收集墻邊、角落乒乓球，又可以發(fā)不同旋球的乒乓球機器人。該裝置能供娛樂和體育場所使用，設(shè)計巧妙、功能多樣、效率高、使用方便。該機器人設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 拾發(fā)乒乓球機器人設(shè)計流程圖

根據(jù)乒乓球場地的情況，該機器采用麥克納姆輪作為行走機構(gòu)，麥克納姆輪因其靈敏的全方位移動方式也被設(shè)計為發(fā)球裝置中的橫擺機構(gòu)。該機器人通過差速器與電磁制動器形成的2自由度變胞機構(gòu)控制收球裝置，既能高效率收集空場地的乒乓球，又能合理收集墻邊、角落的乒乓球。

乒乓球臺長2 740 mm，寬1 525 mm，高760 mm，網(wǎng)高152.5 mm，乒乓球的直徑為40 mm，質(zhì)量為27 g，本文創(chuàng)新設(shè)計的機器人整體尺寸為745 mm×270 mm×425 mm，在乒乓球場地能夠全方位移動而不會與障礙物發(fā)生碰撞，機身采用半封閉式設(shè)計，在美化外觀的同時，還可以作為收集裝置的一部分[3-4]。機器人總體示意圖如圖2所示。

1—發(fā)球裝置；2—儲球裝置；3—傳送帶；4—收集裝置

3 具體功能設(shè)計

3.1 收集裝置

當(dāng)收集空場地的乒乓球時，機器人以CMOS圖像傳感器來搜尋乒乓球，通過紅外線傳感器實現(xiàn)避障，用步進電機控制麥克納姆輪帶動機器人在場地內(nèi)自由移動[5-6]。如圖3所示，機器人采用柔性三葉板1與弧形擋板7結(jié)合的滾輪式收集方法來收集乒乓球，直流電機控制柔性三葉板的轉(zhuǎn)動，球體會沿設(shè)計好的曲面滾動到曲面凹槽內(nèi)，根據(jù)乒乓球的尺寸，設(shè)計凹槽的曲面半徑為60 mm、寬度為100 mm、高度為40 mm。

當(dāng)收集墻邊角落的乒乓球時，該裝置主要利用差速器4、電磁制動器3、錐齒輪機構(gòu)6、鏈輪鏈條機構(gòu)2的組合傳遞動力。紅外線傳感器感知到墻角后傳遞信號給步進電機5，電機輸出的動力傳遞到差速器。差速器具有2個自由度，配合電磁制動器失電鎖死的特性，分別鎖緊不同的輸出軸共同構(gòu)成變胞機構(gòu)，以此來完成動力的分配。差速器未鎖的一端會輸出動力，進而分別控制柔性三葉板整體向上旋轉(zhuǎn)和弧形擋板的旋轉(zhuǎn)。收集墻邊、角落的乒乓球時，首先柔性三葉板繞A點順時針旋轉(zhuǎn)81°，然后機器人繼續(xù)前行，即將碰到墻壁時，球會聚攏在一起，此時弧形擋板繞B點順時針旋轉(zhuǎn)90°，從而實現(xiàn)攏、收一體化，將散落在墻角的乒乓球全部回收，解決了墻角乒乓球無法用機器回收這一難題。該裝置各機構(gòu)的分布如圖3(a)所示。

1—柔性三葉板；2—鏈輪鏈條機構(gòu)；3—電磁制動器；4—差速器；5—步進電機；6—錐齒輪機構(gòu)；7—弧形擋板

收集裝置采用差速器和電磁制動器形成的2自由度變胞機構(gòu)來傳遞動力，其原理如圖3(b)所示。電機將動力傳輸至H桿，當(dāng)輪3鎖緊時，動力輸出至輪1，當(dāng)輪1鎖緊時，動力輸出至輪3[7-8]。

3.2 儲存運輸裝置

常見的運輸裝置有皮帶輸送機、螺旋輸送機、滾筒輸送機等，根據(jù)乒乓球特殊的物理性質(zhì)，機器采用傳送帶與卡位板配合傳遞的方式，將乒乓球傳送到儲存裝置中。傳送帶盒的半圓形半徑為60 mm，與曲面凹槽的半徑大小一致，避免了球體運輸過程中可能出現(xiàn)的傳遞不連續(xù)問題。

傳送帶由直流電機控制，兩卡位板之間的距離為55 mm，當(dāng)乒乓球進入到儲存盒里，收集過程完成。

如圖4所示，機器進入到發(fā)球階段時，乒乓球會從儲存盒被運輸?shù)桨l(fā)球機構(gòu)內(nèi)并被發(fā)出。儲存盒出口的攪拌機構(gòu)3由舵機4控制，其利用行星輪來對集球盒內(nèi)的球體進行攪拌。攪拌器的攪拌端長度為40 mm，3個行星輪圍繞中間部分的太陽輪周轉(zhuǎn)，同時行星輪自轉(zhuǎn)帶動攪拌葉片轉(zhuǎn)動，使得攪拌非常充分，盡可能地避免出現(xiàn)卡球現(xiàn)象。

1—橡膠圈；2,4—不完全齒輪；3—齒條；5—攪拌機構(gòu)；6—舵機；7—金屬彈簧管

球體推送裝置由3個完整齒輪、2個不完整齒輪、1個齒條構(gòu)成。球因自身重力單個落到通道后，2個不完全齒輪4轉(zhuǎn)動控制齒條3的來回往復(fù)運動，從而將乒乓球推入管道內(nèi)。橡膠圈1是為了防止乒乓球被推出后跟隨齒條返回。管道可以分成固定管道A和非固定管道B，管道A的直徑為42 mm，管道B的直徑為44 mm，管道B的尾端有可彎曲的金屬彈簧管7，彈簧管的另一端為發(fā)球機構(gòu)。

3.3 發(fā)球裝置

3.3.1升降機構(gòu)

考慮到乒乓球場地的特殊地形，本文在發(fā)球裝置中創(chuàng)新設(shè)計了一款升降機構(gòu)，使其能夠視情況發(fā)射不同高度的乒乓球。

升降裝置主要根據(jù)絲杠剪叉機構(gòu)的原理工作，絲杠剪叉機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行平穩(wěn)、安全高效等優(yōu)點[9-10]。步進電機1帶動絲杠2轉(zhuǎn)動，螺母3上固定著剪叉機構(gòu)的機架，絲杠轉(zhuǎn)動時則螺母在絲杠上左右移動，支撐桿4呈X型排列，其底層的支撐桿會隨著機架的左右移動而繞著底層上的固定點旋轉(zhuǎn)，帶動整體支架旋轉(zhuǎn)升高，從而使升降平臺5到達想要的高度。升降平臺與圖4中的套管B配合后，套管B就會跟隨平臺一起升降。該機構(gòu)采用的是右旋、長200 mm、直徑10 mm的高精度滾珠絲杠。根據(jù)機構(gòu)的尺寸運算可知，發(fā)球機最高能升至超出桌面100 mm處。圖5為升降機構(gòu)的示意圖。

3.3.2縱擺機構(gòu)

縱擺機構(gòu)的功能是通過調(diào)整機頭相對于水平方向的夾角來調(diào)整乒乓球發(fā)出距離的遠近，縱擺行程為40°[11]。縱擺裝置由雙向絲杠組成，舵機控制雙向絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上有兩段旋向不同的螺紋，旋在其上的分別是左、右旋螺母，螺母上連接著連桿。圖6為縱擺機構(gòu)示意圖。

1—步進電機；2—絲杠螺母；3—絲杠；4—支撐桿；5—升降平臺

1—發(fā)球機支撐板；2—連桿；3—雙向絲杠；4—雙向螺母；5—舵機

3.3.3發(fā)球機構(gòu)

此機器采用的發(fā)球方法是膠輪摩擦發(fā)球，相對于氣壓式、錘擊式發(fā)球機來說，膠輪摩擦發(fā)球最大的優(yōu)點是既能保證乒乓球發(fā)射的穩(wěn)定性，又能極好地控制乒乓球發(fā)射的角度和速度。摩擦輪由輪轂和橡膠層構(gòu)成，直流電機控制摩擦輪轉(zhuǎn)動，通過控制兩個摩擦輪的速度來實現(xiàn)不同的發(fā)球方式[12]。

兩輪角速度相同時，發(fā)出的是不旋轉(zhuǎn)的球，其中v球=v摩擦輪；兩輪的角速度不同時，發(fā)出的是旋轉(zhuǎn)的球，其中v球=(v摩擦輪1+v摩擦輪2)/2。

若摩擦輪1的角速度大，則乒乓球沿輪1方向旋轉(zhuǎn)，反之沿輪2方向旋轉(zhuǎn)。兩摩擦輪轉(zhuǎn)速的差值決定旋轉(zhuǎn)強度，兩摩擦輪轉(zhuǎn)速之和決定射程遠近。摩擦輪半徑為26 mm，摩擦輪線速度v摩擦輪=ωR，其中ω為角速度，R為與之對應(yīng)的摩擦輪的半徑；乒乓球發(fā)球的速度為5～50 m/s，發(fā)球頻率大約為20～80個/min；輸球管內(nèi)徑為50 mm。發(fā)球機構(gòu)如圖7所示。

3.3.4旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

當(dāng)機器人采用摩擦輪發(fā)射乒乓球后，需要結(jié)合旋轉(zhuǎn)機構(gòu)使得發(fā)球機能夠發(fā)射多樣化的旋球。托板上有一個旋轉(zhuǎn)裝置，蝸桿由舵機帶動，進而帶動蝸輪轉(zhuǎn)動，蝸輪與發(fā)球機構(gòu)中的輸球管通過一個銷孔連接，使其能同步轉(zhuǎn)動。蝸輪蝸桿機構(gòu)具有減速作用，使得其旋轉(zhuǎn)過程能夠更加穩(wěn)定，蝸輪蝸桿機構(gòu)的傳動比為28。旋轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖8所示。

1—摩擦輪與電機；2—橡膠圈；3—輸球管

1—舵機；2—蝸輪；3—摩擦輪；4—蝸桿

4 結(jié)束語

與市場已有產(chǎn)品相比，該拾發(fā)乒乓球機器人具有如下特點：

1)機器人采用滾輪式收集方法，利用差速器和電磁制動器形成的2自由度變胞機構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)單電機雙動力的輸出效果。

2)機器人利用升降、縱擺、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)發(fā)球位置的可變性，利用膠輪摩擦來確定發(fā)球速度和角度，實現(xiàn)了發(fā)球方式的靈活多樣。

3)機器人實現(xiàn)了拾發(fā)球功能一體化，功能多樣，效率高，使用方便，具有一定的市場推廣和使用價值。