乒乓球捡球机器人

张淼 滕睿 施应伟

摘要：针对乒乓球馆散落的乒乓球如何整理回收的问题，对乒乓球捡放机械臂及图像识别模块进行了系统上的设计和优化，设计了完全自动的乒乓球捡球机器人。本机器人采用STM8系列单片机作为核心MCU，采用较轻的铝合金作为机械部分材料，本机器人的设计广泛应用在乒乓球馆、体育馆等场合，该机器人的设计有着很高的实际使用价值以及市场研发价值。

关键词：机器人；机械；乒乓球；MCU系统

乒乓球捡球机扑

张锦腾 如如

摘要：针对乒乓球馆散乱的乒乓球如何摆放和回收的问题，本文设计并优化了乒乓球拾放机器人手臂和图像识别模块，设计了一种全自动乒乓球捡放机器人。该机器人以STM8系列单片机为核心，采用轻质铝合金为机械部件。机器人的设计在乒乓球馆得到了广泛的应用，健身房和其他场合。该机器人的设计具有很高的实用价值和市场研发价值。

关键词：机器人；力学；乒乓球；单片机系统

引言

乒乓球作为一种国球运动，越来越受到人们的欢迎.但是在乒乓球训练过程中，地面会出现大量散落的乒乓球。目前通常采用的人工捡取方式，非常消耗时间和精力，因此设计一款智能乒乓球捡放机器人尤为必要。本文设计了一种全自动乒乓球捡球机器人，借助电动机驱动捡球机前进，并在前进过程中实现自动捡球，一定程度上提高了捡球的工作效率，同时降低了捡球人员的劳动强度和劳动量。实现以机代人的效果，大大降低捡球者的劳动程度。捡球机可以快速实现捡拾满地的乒乓球，以此来满足大型乒乓球球场或者运动员训练场的需求。本文自主研究和发明一种自动的乒乓球捡球机，能够使机器人自主的完成捡球的动作，对乒乓球运动有着十分重要的社会意义和经济效益。

国内外研究现状

从机器人技术的刚刚起步到大概1980年，机器人技术发展的十分缓慢，十多年后，现在与机器人相关的这些技术，如电脑技术的发展，微电子技术的发展都有了较大的飞跃，从而带动了机器人行业的崛起。近年来，国外机器人研究呈现出以下趋势：

目前，国际机器人市场约90亿左右，其中占比最大的还属工业机器人。在过十年预计能突破500亿大观，机器人的使用量会呈现出由百到千甚至破万的飞跃，机器人所服务的行业也越来越多，此外，IT行业、部分车企还有家具卫浴企业都加入了机器人的研发阵营。

机器人在我国起步较晚，与发达国家相比仍有差距，但随着国家的支持，机器人产业在我国快速发展，一些国产工业机器人和智能机器人产品广泛应用于的中国各种行业，出现了大量的机器人研究人才。中国有200多家研发和应用工程单位，其中有75家从事工业机器人的研究和应用。公司生产各类工业机器人800余台，年生产销售近3亿元，国家“863”计划有沈阳西硕机器人公司、哈尔滨博自动化公司、一汽集团、涂料技术中心、北京机械工业自动化机器人中心、大连西安分公司等9家大型机器人研发机构在9个产业化基地建立了智能机器人的主题。机器人的开发和生产，我国已经初步规模，机器人关键部件的生产，开发了一种喷漆、焊接、组装，如机器人包括超过130集喷涂机器人在20多個企业近30自动喷漆生产线规模、弧焊机器人在汽车焊接线与应用程序。

机器人机身材料选择

对于现如今的机器人而言，主体材料无非如下几种。

（1）木材。选择木材最主要的原因是因为它经济性好，容易加工，而且可以手工锯制。然而，用木材制造的机器人更容易因为关节的摩擦运动导致磨损。

（2）塑料。塑料种类繁多，可根据机器人的不同功能选择不同的材料。塑料有三种主要类型可供选择。首先，热固性塑料。此种塑料硬度高。他只有通过切割才能成型。我们平时玩的硬质塑料玩具还有一些电器产品中都有他的身影。第二，热塑性塑料。他可作为多种用途、不同厚度的材料使用。第三，弹性塑料。如其名，它具有很高的弹性，就像热固性塑料一样，不能通过加热来成形。

（3）金属材料。这种材料的强度很大，来源广泛，通常是碳钢和铝合金。但是，这种材料的选择会稍微增加机器人的重量，增加电机的负载。

（4）有机玻璃。这种材料很难获得，而且比其他材料贵。

由于制作的自动捡球机器人体积较小，而且考虑其结构的硬度刚度要求，最终主体的研制材料选用铝合金。储球筐则选用普通塑料即可。

行走方式设计

机器人移动机构的分类以及各类的特点如表1所示

表1 机器人行走机构的分类特点

行走方式 特点

轮式 最适合平地行走，不能跨越高度，不能爬楼梯

履带式 可在有些崎岖的路面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶

行走式 机器人的重心露在脚掌上，它一方面要取得准静态平衡，另一方面要稳定步行。因此，他的控制比较复杂。

由于乒乓球训练场一般都比较宽敞，地面也比较平整，所以选择轮式移动方式会比较合理。并且，轮式的机器人设计和制造的过程相对其他类型的机器人较为简单，在控制系统的设计上的处理也比较容易。

捡球的方式

对于捡球方式有三种方案。第一种方法呢就是设计一个抽吸装置，类似于吸尘器的原理，靠风力把乒乓球吸入储球用的装置内，第二种方法就是设计一个机械手，直接抓起乒乓球，然后再把乒乓球放到储存用的仓内。第三种是设计一种自动扣紧并将球压入框内的捡球装置。如果设计一个机械手抓取乒乓球，则需要设计的传动机构以及关节较多，较为复杂，并且也难以控制；虽说乒乓球的质量小、体积小，用吸球的方式虽然可以把球吸入框内但是难免将地上的一些其他东西一同吸入。因此，捡球的方式宜采用第三种，这就需要设计一些传动机构用以实现捡球目的。

MCU控制系统

自动清洁机器人采用了STM8单片机作为MCU，STM8系列是意法半导体公司生产的8位单片机。该型号单片机分为STM8A、STM8S、STM8L三个系列。该设计选用STM8S103F3为主控芯片，其采用了高级STM8内核，具有5级流水线的哈佛结构，哈佛结构是一种并行体系结构。采用了具有8K字节Flash存储器；在50°C环境下环境可保存30年；具有528字节的EEPROM；可达20余万次的电擦除。工作电压范围广3到6V，灵活的时钟控制并且自带4个主时钟源：

（1）低功率晶体振荡器；

（2）外部时钟输入；

（3）用户可调整的内部16MHzRC；

（4）内部低功耗128kHzRC；

机械机构设计

拾取机器人结构的设计中，将拾取装置置于机器人前部，将机器人中部设计为乒乓球和控制装置存放地，将机器人后部设计为蓄电池、驱动电机放置的地方。这样设计可以将机器人重量较大的部分放到驱动轮所在的机器人后部，可以使机器人运行更加稳定，拾取效率也大大提高。

结语

本文研究的乒乓球捡球机器人设计是基于目前乒乓球设备中没有智能化捡球设备，运动后仍需人为去捡球的现状提出的。本机器人的设计，减轻了人们的负担，促进了机器人向智能化发展的进程。

参考文献

[1]孟娜，胡俊.乒乓球捡放机械臂结构设计和优化[J].山东理工大学学报（自然科学版），2017，31（05）：42-45+50.

[2]刘仕文.自动拾取乒乓球机器人的机械结构设计[J].科技创新与应用，2019（09）：1-8.

（作者单位：1.辽宁工程技术大学机械工程学院；

2.辽宁工程技术大学材料工程与科学学院）