左文艷,張星亮,顧澤宇

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江 212016）

0 引 言

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的用途越來(lái)越廣，開(kāi)始從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域向農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、服務(wù)、建設(shè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域滲透[1]。特別是近年來(lái)，隨著技術(shù)的突破以及核心零部件成本的下降，掃地機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、物流機(jī)器人等服務(wù)型機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域不斷加速滲透。作為更接近消費(fèi)端的服務(wù)機(jī)器人，在人口老齡化加劇以及勞動(dòng)力成本上升等因素推動(dòng)下，未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展空間非常廣闊。

排球運(yùn)動(dòng)作為當(dāng)今世界三大球運(yùn)動(dòng)之一，一直深受我國(guó)廣大群眾的喜愛(ài)，特別是中國(guó)女排多次在世界杯和奧運(yùn)賽場(chǎng)上為國(guó)爭(zhēng)光，使排球運(yùn)動(dòng)家喻戶(hù)曉，中國(guó)女排精神更是成為中國(guó)精神的重要組成部分。目前，排球已成為了我國(guó)的體育中考項(xiàng)目，越來(lái)越多的青少年加入到排球訓(xùn)練和比賽項(xiàng)目中來(lái)。

但是排球運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)，一般采用人工陪練方式，在競(jìng)技比賽訓(xùn)練期間，常把主要比賽對(duì)象隊(duì)伍中的主力和球手作為研究重點(diǎn)，分析其技術(shù)特點(diǎn)，陪練員模仿其技術(shù)動(dòng)作，作針對(duì)性防守訓(xùn)練，而對(duì)一些主力和球手扣球的高度、速度、角度等技術(shù)動(dòng)作，陪練員就無(wú)法勝任這種工作。在這種情況下，迫切需要一臺(tái)能真實(shí)模擬世界強(qiáng)隊(duì)和扣球動(dòng)作的機(jī)器人，使運(yùn)動(dòng)員身臨其境地接受訓(xùn)練[2]。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析，目前排球訓(xùn)練機(jī)器人市場(chǎng)上還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品。因此本文設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)撿球以及自動(dòng)發(fā)球?yàn)橐惑w的排球陪練機(jī)器人，具有較強(qiáng)的研究意義和較好的應(yīng)用前景。

1 排球陪練機(jī)器人總體設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 排球陪練機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

筆者研制的排球陪練機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括撿球機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)、傳球機(jī)構(gòu)、投球機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)五部分，其中置于機(jī)身各部分的電機(jī)和氣缸為機(jī)器人提供動(dòng)力。

圖1 排球陪練機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

1.2 排球陪練機(jī)器人的工作原理

(1)撿球原理

當(dāng)機(jī)器人行走到排球跟前，機(jī)器人進(jìn)行撿球操作。機(jī)器人的撿球原理是運(yùn)用曲柄搖塊機(jī)構(gòu)將兩側(cè)氣缸（撿球氣缸）伸縮進(jìn)行收集裝置的收放，同時(shí)利用撿球電機(jī)進(jìn)行帶傳動(dòng)，帶動(dòng)四根帶有摩擦輪的軸同時(shí)做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，將球收納到儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)中。收集完排球之后，可以將收集裝置收起來(lái)，這樣便可將收集裝置當(dāng)作一個(gè)擋板，防止球體掉落。撿球機(jī)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人撿球機(jī)構(gòu)示意圖

（2）儲(chǔ)球原理

球進(jìn)入儲(chǔ)存部位后，運(yùn)用儲(chǔ)球電機(jī)通過(guò)多級(jí)帶傳動(dòng)帶動(dòng)底部的槽位轉(zhuǎn)盤(pán)，使轉(zhuǎn)盤(pán)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅如此，儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)也可同時(shí)存放多個(gè)排球，把從地上撿到的球均勻的存儲(chǔ)在5 個(gè)槽位中，儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)示意圖

（3）傳球原理

傳球原理是利用一個(gè)電機(jī)（傳球電機(jī)）進(jìn)行帶傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)，從而帶動(dòng)6 個(gè)摩擦輪把球從儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)傳送到發(fā)球機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了便于把球從儲(chǔ)球部位更好的帶到發(fā)球口，設(shè)計(jì)了一個(gè)氣動(dòng)小裝置，運(yùn)用氣缸（傳球收緊氣缸）推動(dòng)，使得1 號(hào)摩擦輪擠壓球的下部，從而把球從儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)更好地傳送到發(fā)球口，可以有效提高傳球效率。傳球機(jī)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 傳球機(jī)構(gòu)示意圖

（4）發(fā)球原理

發(fā)球原理是運(yùn)用炮臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)與齒輪嚙合，進(jìn)而帶動(dòng)自制的大齒輪實(shí)現(xiàn)炮臺(tái)的360°旋轉(zhuǎn)，從而使得機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)360°任意方向發(fā)球。同時(shí)運(yùn)用發(fā)球角度調(diào)整電機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)、齒輪嚙合及齒輪與齒條嚙合，從而帶動(dòng)齒條的伸縮實(shí)現(xiàn)發(fā)球角度調(diào)整。最后發(fā)球是運(yùn)用雙電機(jī)（發(fā)球電機(jī)）通過(guò)帶傳動(dòng)、齒輪嚙合帶動(dòng)主摩擦輪與副摩擦輪朝相反方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)球功能。此外通過(guò)編碼器控制發(fā)球電機(jī)的速度，從而達(dá)到控制發(fā)球的速度。增加了一個(gè)慣性輪，通過(guò)編碼器對(duì)機(jī)器右側(cè)慣性輪的控制，從而減少每次投球時(shí)對(duì)摩擦輪的損耗，有效提升發(fā)球的穩(wěn)定性。發(fā)球部分還增加了LIMELIGHT視覺(jué)傳感器，利用LIMELIGHT 視覺(jué)傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)撿球，還可以自動(dòng)調(diào)整炮臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向、發(fā)球角度、控制發(fā)球速度，從而增加排球運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練強(qiáng)度，提高陪練效果。發(fā)球機(jī)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 發(fā)球機(jī)構(gòu)示意圖

（5）行走原理

排球陪練機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)如圖6 所示。行走輪子包含2 個(gè)omni 全向輪與4 個(gè)15.24 cm 摩擦輪。行走電機(jī)采用4 個(gè)Falcon 500 無(wú)刷電機(jī)，輸出動(dòng)力至2個(gè)摩擦輪上，并通過(guò)帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給另外兩組輪子。選用摩擦輪可在潮濕或干燥的環(huán)境中工作都不會(huì)發(fā)生打滑等現(xiàn)象，保證了機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。選用omni 全向輪實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的原地定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)器的靈活性。選用Falcon 500 無(wú)刷電機(jī)提供動(dòng)力，是因?yàn)槠渚哂畜w積小、質(zhì)量輕、動(dòng)力大、效率高的特點(diǎn)。行走結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人行走結(jié)構(gòu)示意圖

2 排球陪練機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排球陪練機(jī)器人控制系統(tǒng)主要包含主控制器、配電板、氣動(dòng)控制模塊、電壓控制模塊、電機(jī)控制器、視覺(jué)傳感器、電源、開(kāi)關(guān)等部分。

主控制器選用的是NI 公司的roboRIO。roboRIO控制器是一款可重新配置的機(jī)器人控制器，包含用于I2C、串行外設(shè)接口（SPI）、RS232、USB、以太網(wǎng)、PWM 和繼電器的內(nèi)置端口，同時(shí)還具有LED、按鈕、板載加速度計(jì)和自定義電子端口。大小適中，方便快捷，很好的把各種電路模塊銜接起來(lái)。

機(jī)器人采用12 V 電源，電源通過(guò)斷路器與配電板相連接，配電板給其他所有的設(shè)備進(jìn)行供電。主控制器通過(guò)電機(jī)控制器和氣動(dòng)控制模塊分別控制電機(jī)部分和氣動(dòng)裝置。電機(jī)控制部分，每個(gè)電機(jī)控制器對(duì)應(yīng)控制一個(gè)電機(jī)，本系統(tǒng)共有行走左輪電機(jī)、行走右輪電機(jī)、飛輪撿球電機(jī)、儲(chǔ)存電機(jī)、傳球電機(jī)、炮臺(tái)旋轉(zhuǎn)左側(cè)電機(jī)、炮臺(tái)旋轉(zhuǎn)右側(cè)電機(jī)、調(diào)整發(fā)球角度電機(jī)、發(fā)球電機(jī)等9 個(gè)電機(jī)。氣動(dòng)控制模塊包括電磁閥和氣缸，每個(gè)電磁閥控制對(duì)應(yīng)的氣缸伸縮。本系統(tǒng)共有拾取撿球氣缸、傳球收緊氣缸2 個(gè)氣缸。本系統(tǒng)包含一個(gè)視覺(jué)識(shí)別傳感器，分別對(duì)地面上的球和運(yùn)動(dòng)員位置進(jìn)行識(shí)別。排球機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)框圖如圖7 所示。

圖7 排球機(jī)器人硬件控制系統(tǒng)框圖

3 排球陪練機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)是在IDEA 編程環(huán)境下使用JAVA 語(yǔ)言完成的[3]。排球陪練機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖8 所示。程序的主要執(zhí)行步驟如下：

圖8 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

（1）排球陪練機(jī)器人首先通過(guò)紅外傳感器對(duì)儲(chǔ)球筐內(nèi)球的數(shù)量進(jìn)行判斷，如果框內(nèi)球的數(shù)量＜5，執(zhí)行第2 步機(jī)器人撿球相關(guān)動(dòng)作，否則執(zhí)行第3 步機(jī)器人發(fā)球相關(guān)動(dòng)作。

（2）機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)傳感器對(duì)場(chǎng)地上的排球進(jìn)行視覺(jué)掃描，當(dāng)視覺(jué)傳感器掃描到排球時(shí)，機(jī)器人的行走系統(tǒng)自動(dòng)前進(jìn)到排球所在處，撿球系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)撿球，并儲(chǔ)存到機(jī)器人的儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)中。否則說(shuō)明場(chǎng)地上已沒(méi)有球，機(jī)器人停止工作。

（3）機(jī)器人撿完球后對(duì)儲(chǔ)球筐中球的數(shù)量進(jìn)行判斷，如果球框中球的數(shù)量＞4，機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)傳感器判斷運(yùn)動(dòng)員的位置，并完成自動(dòng)發(fā)球的相關(guān)動(dòng)作。否則返回到第2 步繼續(xù)執(zhí)行撿球相關(guān)動(dòng)作。

（4）機(jī)器人自動(dòng)發(fā)球后，判斷儲(chǔ)球筐里球的數(shù)量，如果球筐里球的數(shù)量＜1，機(jī)器人返回第2 步繼續(xù)執(zhí)行撿球相關(guān)動(dòng)作，否則機(jī)器人繼續(xù)執(zhí)行自動(dòng)發(fā)球相關(guān)動(dòng)作。

4 樣機(jī)制作與撿球試驗(yàn)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)排球陪練機(jī)器人各機(jī)構(gòu)進(jìn)行加工裝配，完成樣機(jī)制作[4]。撿球機(jī)器人樣機(jī)實(shí)物如圖9 所示。

圖9 排球陪練機(jī)器人樣機(jī)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，排球陪練機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全方位的流暢運(yùn)動(dòng)，具備不間斷傳球與自動(dòng)撿球的功能，可以運(yùn)用編程時(shí)給的摩擦輪的速度以及LIMELIGHT 視覺(jué)傳感器來(lái)決定投球的快慢、方向和角度，發(fā)球速度可達(dá)0～43.41m/s，發(fā)球方向可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，發(fā)球角度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。整體上來(lái)看，設(shè)計(jì)的機(jī)器人可以滿(mǎn)足排球運(yùn)動(dòng)員日常訓(xùn)練需要，操作靈活方便，陪練效率較高，具有較好的應(yīng)用前景[5]。