涵道捡乒乓球机器人的设计与实现探究

2018-06-28赵雪川李卫国王利利

科技创新与应用 2018年17期

赵雪川　李卫国　王利利

摘要：文章设计了一种自动乒乓球捡球机器人，该机器人采用STM32单片机作为控制系统，利用涵道的高速旋转，使壳体内外产生一定的压强差，将外界的乒乓球压进壳体，实现自动捡球的目的，在装置的最底部安装了可以旋转的拨球装置，尽量的做到整个壳体的密闭性。

关键词：捡球机器人；乒乓球；涵道

中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：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

随着科学技术的不断进步，人工智能技术对人类的影响越来越大。机器人技术越发成熟，从事维护保养、机械修理、安保救援、生产运输等工作的服务性机器人正逐步渗透到人类生活的各个领域，保证了作业的标准化，也可以逐步将人力从繁重的体力劳动、简单的机械作业中解放出来。本文拟对新型乒乓球捡球机器人进行开发设计，利用涵道风扇产生的压差将乒乓球吸取回收，产品使用电路及遥控控制，可操作性强，作业效率高，对角落和障碍处的落球也能很好捡拾。

1 基本原理

机器人利用涵道的高速旋转，使壳体内外产生一定的压强差，利用压强将外界的乒乓球压进壳体（现在国际惯用的乒乓球的直径为40mm，质量为2.7g，体积小、质量轻，适合吸取捡拾）。

涵道的工作原理：电机做高速的圆周运动，加快了壳体内部的空气流速，从而导致壳体内部的压强减少，进而使壳体内部与吸球口处产生压强差，球被压入壳体为了尽量的做到整个壳体的密闭性，装置最底部安装了可以旋转的拨球装置，当处于吸球状态时，拨球器的口与吸球口连同，而将出球口封闭，当足够数量的球通过涵道的作用被吸入上层的隔板后，拨球器再次旋转，使它的口与出球口连同，而将进球口封闭，由于隔板的倾斜设计，球在重力的作用下落入出球口。

2 总体设计思路

本设计完全是基于实践考虑，设计之初进行了详细的前期考察和调研；根据考察的结果制定具体的设计方案和要求，初步设计出整体的布局和结构外形；使用计算机进行虚拟样机的仿真模拟，并优化；根据优化后的数据制作物理样机；进行捡球实验，最终确定样机形式。

（1）前期考察调研。各大体育场馆的乒乓球训练、比赛场地进行了实地考察，了解服务人员对捡球车有什么需求和建议，对比目前在用的捡球方法和捡球器械的捡球器械的优缺点。

（2）捡球车定型。根据考察的结果，选定本设计的捡球车利用涵道压差抽取，并使用捡球车的内部为储球空间。

（3）乒乓球捡球车的三维机构设计及优化。乒乓球捡球车机构包括底盘的运动机构、吸球机构、储球机构和拨球机构，通过三维建模确定整车设计可行性，并对各零部件做出优化，最终确定整车的数据。

（4）乒乓球捡球车运动仿真。利用Solidworks对所建立的三维模型进行运动仿真，通过软件分析查看整车效果并做优化处理，生成最终的装配图和工程图。

（5）乒乓球捡球车的制造。根据零件图和装配图购买标准件，完成各零部件的制造加工和整机组装，并为捡球车配置整套电控系统，对组装好的捡球车进行調试。

（6）乒乓球捡球车捡球实验。应用捡球车进行多次捡球实验，记录和分析实验数据，通过测试结果反馈进行捡球车整体机构改进和电控部分的优化处理。

3 具体设计思路

涵道乒乓球捡球机器人分为两部分：主体捡球机构及整车结构和电路控制部分，整车采用半自动的遥控器控制行进及捡球作业。

4 整车结构设计

（1）底盘设计。捡球车底盘主体使用矩形加厚亚克力

板，因整车的重量均由底盘承担，必须要保证主体强度。

（2）驱动装置采用4个12V电机驱动的四个互成矩形

的麦克纳姆轮，实现捡球车的前进、后退、左转、右转以及左右平移。因其工作的主体区为平整的乒乓球场地，四轮可不做减震装置，降低制造成本。

（3）储球装置。储球装置采用透明亚克力板粘接，本捡球车采用压强差捡球原理，其对储球装置的气密性具有一定的要求，因此在制造过程中要保证粘接的质量和强度。储球装置的大小可通过实验和数据计算具体得出。

（4）吸球机构。捡球车利用直径为90mm涵道风扇的高速旋转改变内外压强，达到捡球的目的。具体设计为涵道风扇进风口通过储球装置与进球口相连，通过涵道风扇的高速旋转改变储球装置中的空气流速，从而使储球装置中的压强减小，使得其与外界瞬间产生压强差，球在外界压强的作用下被压入储球装置。吸球管主体使用直径稍大于乒乓球直径的PVC管材，方便组装和更换，吸入口垂直地面并有防护罩，进球口呈45℃斜口，方便乒乓球进入储球机构。

（5）拨球装置。拨球装置采用舵机带动拨片顺逆时针交替旋转的方式将储球装置中的球拨出。拨盘为一个安装在储球装置内部开有一个与进球口直径一样的圆孔的装置，拨盘的作用在于切换储球装置与进出口的连通，当捡球车开始吸球时拨盘口与吸球口连通，同时拨盘挡住出球口，当捡球车向外倒球时舵机带动拨盘逆时针转90°，使得拨盘口与出球口连通，同时拨盘挡住进口，防止球回落到进球口。

5 电路控制部分设计

（1）底盘的运动控制。底盘的运动由电机驱动的四个麦克纳姆轮实现，具体为通过调节四个直流电机的正反转及四个轮子转动的差速实现底盘的前进、后退、左转、右转以及左右平移，底盘的电控部分将用到电机的测速马盘以及电机的换向电路。

（2）涵道风扇的转动与控制。因涵道风扇的电机较为特殊，所以涵道风扇的转动必须通过电条来实现，涵道风扇的开关及功率大小则通过遥控器来实现。

（3）拨盘与拨片的控制。拨盘通过舵盘与舵机连接，通过控制行程为90°舵机的角度实现拨盘的转动，拨盘由遥控控制。拨片通过舵盘与舵机连接，通过控制舵机的正反转实现拨球，拨片由遥控控制。

（4）主控板。主控板是整机的核心原件，采用STM32单片机作为主控板， STM32单片机与上位机进行通信，控制芯片通过对上位机命令的解析来控制定时器PWM 的输出频率，从而实现底盘的运动、涵道风扇的开关、拨盘和拨片的转动等功能。

（5）遥控装置。遥控装置是捡球车实现捡球、输送等一系列功能的控制部件，本设计采用大疆公司小精灵的遥控器实现对所有可控部分的控制。

6 捡球效果验收

在本校的体育馆实地进行捡球效果验收，经过试验该捡球机器人行走平稳，捡球效果良好，运行期间噪声小，对于角落和障碍后的球能很好的捡拾，同时散落的球可以攒堆后统一回收，减少了能量的损耗。

7 涵道捡乒乓球机器人的创新点

（1）高效、实用、简易的捡球装置的设计，主要突破边角球的捡拾和集中球的拾取这两大关键问题。

利用涵道飞机的动力源涵道风扇实现捡球，极大的提高了捡球的效率；动力系统采用4个12V的直流电机供给，行走方式电机驱动麦克纳姆轮，极大地提高了捡球车的灵活性和电能的供给；控制系统使用STM32单片机作为主控板，使用遥控器作为控制手段，半自动化控制可以进行定向捡球，同时也减少了因程序问题引发的故障。结构简便易于制造，整车采用亚克力板粘接，很大程度上保证了捡球车的气密性，使用透明的亚克力板，有利于观察内外部的情况；捡球车的各个部件采用可拆卸连接，方便更换和维修，同时也减轻了车体的重量。极大的降低了整车的造价，经济适用。

（2）达到节能减排的目的。现阶段国内外捡乒乓球机器人的研究有两个方向：一是夹持式，二是吸附式。第一類中机械手的设计过于复杂，且机械手与球之间是硬接触，容易对乒乓球造成机械式的损伤。第二类比第一类在技术上更成熟，但由于在拾取后真空泵要持续工作，耗能比大，不符合当下节能减排的思想。本设计的机器人的设计核心是将拾取部分与容器部分设计成一体，此设计在灵活性与节能减排等方面都有很大的提升，经济与实用效益都非常可观。

（3）实现多学科的配合。本设计涉及机械设计、Solidworks、机械原理等其他学科知识以及自动化、传感器等先进技术，在实际中应用了CAD制图，C语言编程、三维构图和计算机模拟及单片机的知识，是多学科综合运用的结果。

（4）体积适合的储球装置的设计，在能高效捡球的基础上尽可能设计最大的储球装置，除了置于车底的简单的控制元件和车顶的涵道风扇，其余的整车均可使用为储球空间，可以提高每次的捡球数。

（5）合理设计拨球装置，突破拨球时卡球这一大难题。

（6）捡球车的驱动系统，尽可能提高捡球车的灵活性。

（7）在实现高效捡球的同时，合理设计结构及电控，达到低能耗的目的。

参考文献：

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