自動拾取乒乓球機器人的機械結構設計

劉仕文

摘? 要：文章詳細探討了自動拾取乒乓球機器人機械結構部分的設計。首先用UG NX 6.0軟件構建出自動拾取乒乓球機器人的立體模型，再對其各運動機構進行分析說明，最后用AutoCAD2008軟件繪制出相應零部件的工程圖和機器人的裝配圖。

關鍵詞：機器人;乒乓球;機械結構;UG NX 6.0

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0001-08

Abstract： In this paper， the design of the mechanical structure of the automatic pickup table tennis robot is discussed in detail. Firstly， the three-dimensional model of the automatic pick-up table tennis robot is constructed by UG NX 6.0. then the motion mechanism of the robot is analyzed and explained. finally， the engineering drawing of the corresponding parts and the assembly drawing of the robot are drawn by AutoCAD2008 software.

Keywords： robot; table tennis; mechanical structure; UG NX 6.0

在乒乓球場上訓練或比賽的時候，地面上肯定會有很多出界和無效的乒乓球。目前，主要還是通過人工的方式來撿球和送球，這明顯降低了工作的效率和提高了工作人員的勞動強度。雖然已經有很多智能機器人被應用到我們的日常生活中，但是并沒有被專門應用于乒乓球場上的機器人。因此，如果能將智能機器人應用于乒乓球場上，實現撿球和送球的自動化，其必將大大提高該工作的效率和降低工作人員的勞動強度。

本自動拾取乒乓球機器人主要應用于乒乓球訓練場或比賽場上，其主要功能是自動拾取乒乓球。該自動拾取乒乓球機器人的工作流程如下：當自動拾取乒乓球機器人通過聲控裝置自動識別并接收到運動員發出的撿球命令后，首先采用圖像識別技術自動識別乒乓球的方位，接著對乒乓球的位置分布作一個最優的行程判斷，然后再走到乒乓球所在的地方，最后將乒乓球撿起并放進存放腔中;當機器人接收到由運動員發出的送球指令后，再自動把乒乓球送給運動員。

為便于讀者更好地理解機械結構的設計思路，本文從一開始就引入總體設計方案，然后對各主要機構進行詳細的設計和分析，最后介紹設計的總體效果。

1 總體設計方案

1.1 行走方式

機器人行走機構的分類和特點如表1所示[1]。

由于乒乓球場一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式行走方式比較合理。而且，輪式機器人的設計和制作過程相對其它類型機器人較為簡單，其自動控制系統的設計也相對容易。

1.2 撿球方式

撿球方式有兩種可供選擇的方案。一種方案是設計一個機械手，直接將乒乓球抓取起來，再將乒乓球放到存放腔中;另一種方案是仿照吸塵器的原理，將乒乓球吸起來，再存放到存放腔中。如果設計一個機械手直接抓取乒乓球，則需要設計的活動關節較多，所設計的機構將較為復雜，而且在自動控制方面也較難處理。由于自動拾取乒乓球機器人作用的對象是乒乓球，其重量較輕、體積較小，因而比較容易吸取。因此，本設計采用第二種方案。這就需要安裝一個可以吸氣的微型真空泵。微型真空泵的結構如圖1所示。

微型真空泵的工作原理是：電機作圓周運動，通過機械裝置使真空泵內部的隔膜做往復式運動，以對固定容積的真空泵腔內的空氣進行壓縮、拉伸而形成真空、負壓，從而使真空泵的抽氣口處與外界大氣壓產生壓力差。在壓力差的作用下，將氣體壓（吸）入泵腔內，再從排氣口排出來，完成一個吸氣的過程[2]。

在真空泵吸氣的過程中，空氣如果能從乒乓球的出口進入，則會減少從乒乓球入口進入的空氣，而達不到撿球的作用。為了防止這一情況的出現，現另外設計一個堵氣機構。在微型真空泵吸氣的過程中，乒乓球的出口關閉。當微型真空泵吸氣完成后，乒乓球的出口打開，讓乒乓球走出來，進入存放腔中。在本機器人中，設計了一個平面四連桿機構的堵氣機構。

1.3 驅動和轉向方式

本機器人采用12v的步進電機驅動，并且采用前輪驅動、后輪導向的方式。采用萬向輪導向，萬向輪的結構如圖2所示。萬向輪可由廠家直接生產制造出來，不必另外設計，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。安裝導向輪的腳輪輪子支架能在動載或者靜載中水平360度旋轉，從而起到導向的作用。

實現機器人轉向的方法很多。常用的有以下幾種：（1）差動型轉向。對于輪式和履帶式機器人的轉向來說，差動法是最為常用的方法。當轉向時，機器人的一側輪子或履帶停止前進或反向運動，另一側輪子或履帶則繼續向前運動，從而使機器人向輪子或履帶停止或反向運動的一側轉向。（2）汽車型轉向。汽車型轉向雖然沒有差動型轉向的機動性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉向方式的機器人其轉向圓的圓心在輪子的外側，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。（3）三輪車型轉向。三輪車型轉向的最大缺點就是，如果驅動機器人兩側車輪的電機中一個速度略微慢一點，機器人所行進的路徑就會變成曲線。使用三輪車型轉向的機器人，必須保證其用于轉向的兩側電機同步，否則無法保證機器人作直線行進。（4）全方位型轉向。這種方式要求機器人有三個具備轉向功能的驅動輪，而這些車輪需要兩個電機，一個用于轉向，另一個用于驅動車輪運轉。全方位型轉向機器人有很強的靈活性，并且轉向準確，但技術實現比較困難[3]。

本設計采用差動型轉向。在機器人兩側的相對應位置各安裝一個相同型號的電機，分別驅動兩個車輪，并且實現差動驅動。機器人的兩個輪子以相等的速度和相同的方向轉動時，可實現機器人向前或向后的運動;當左輪停轉或反轉時，可以實現機器人左轉向;當右輪停轉或反轉時，可實現機器人右轉向;當兩輪以相同速率正轉和反轉時，機器人將會原地轉向，從而實現機器人的原地左轉或原地右轉。其工作原理如圖3所示。

綜上可知，本設計的機器人共需要三個輪子。安裝在前面的兩個車輪是驅動輪，起到驅動的作用，并且兩輪獨立驅動。安裝在后面的一個車輪是萬向輪，起到導向的作用。

1.4 主體材料的選擇

制作機器人常用的材料主要有以下幾種。

（1）木材。選用木材的最大優點是它的價格低廉、加工方便、可直接用手工鋸進行加工。但是，它在零件接頭的地方較易被損壞和磨損。

（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據機器人的不同功能，選用不同的塑料。主要有以下三種塑料可供選擇。a.熱固性塑料。該種塑料較堅硬，但它只能通過切削來定型，其一般用于硬塑料玩具、電器產品和其他對結構強度有一定要求的產品中。b.彈性塑料。該種塑料具有很高的彈性，其和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。c.熱塑性塑料。該種塑料可作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅樹脂。

（3）金屬材料。這種材料的強度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。但是選用這種材料會使機器人體重增加，會增大電機的負載。

（4）有機玻璃。這種材料比較難獲得，而且價格相對其它材料也比較昂貴。

由于制作的自動拾取乒乓球機器人體積較小，要求的重量也較輕，因此，主體的制造材料選用環氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數情況下成液態，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選用該種塑料作為本機器人的主體材料比較合適。

2 結構設計

2.1 驅動機構

2.1.1 電源的選擇

機器人常用的電池有以下幾種類型：

（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用電池，成本也相對較高，并且干電池的內阻一般都比較大。因此，當負載比較大的時候，電壓會下降得很厲害，無法實現大電流工況下的連續工作。因此，干電池并不是機器人系統的理想電源。

（2）鉛酸蓄電池。它的最大優點是價格較低、耐過充的能力強，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質量比較大，維護起來相對較困難。

（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強、維護簡單等優勢。但是，其最致命的缺點是：在充放電過程中，如果處理不當，會出現嚴重的“記憶效應”，使得電池容量和使用壽命大大縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環境的保護，廢棄后必須嚴格地進行回收。由于其眾多的缺點，使得鎳鎘電池在機器人中的應用越來越少。

（4）鋰離子/鋰聚合物動力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴格小心，通常在使用鋰離子電池組的時候必須配備專門的防過充電、過放電保護電路。鋰離子電池價格也相對比較高，并且需要另外配備保護電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價格是鉛酸蓄電池的十倍以上。

綜合實用性和經濟性考慮，在本機器人的設計中，選用鉛酸蓄電池。本設計采用山東金科力電源科技有限公司生產的鉛酸蓄電池，其性能參數如表2所示。[4]

2.1.2 電機的選擇

微型機器人使用的電機一般有步進電機、直流電機和直流伺服電機三種類型。這三種電機的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。

（1）步進電機。它是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，再加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使對機器人的控制變得簡單。

（2）直流電機。它有極寬的功率調節范圍，調整特性平滑，適應性好，過載能力較強，而且具有很好的性價比，是一種通用的驅動電機。

（3）伺服電機。它是自動裝置中的執行元件，它的最大特點是可控。一般來講，它主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。

本機器人采用步進電機。

2.1.3 車輪的確定

本自動拾取乒乓球機器人采用前輪驅動、后輪定位的方式。該機器人靠前輪與地面之間的摩擦力驅動前進。因此，前輪作為一個驅動輪，在其上要設置一些花紋，以增大摩擦力。在該機器人的設計中，將前輪的直徑設計為64mm。前輪的設計效果如圖4所示。

采用萬向輪作為導向輪。萬向輪一般可由廠家直接生產提供，而且價格也比較便宜。因此，萬向輪不需要再另外設計。在本設計中，采用紅旗山電子有限公司生產的萬向輪，該萬向輪的產品編號為：JXGJWXL40，其外形如圖5所示。[5]

2.1.4 驅動裝置

（1）傳動方式的確定

一般來講，機器人的傳動裝置主要有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和蝸桿傳動。在本設計中，采用齒輪傳動，這樣不僅可以使設計變得更加簡單，而且齒輪傳動也較為平穩。主動齒輪和從動齒輪的模數m為0.8，齒數z為50，則齒輪的直徑d=mz=0.8×50=40（mm）。

（2）齒輪與電機軸的連接

為了將齒輪安裝到電機軸上，通常要使用緊定螺釘進行連接，如圖6所示。大多數的齒輪都有自帶的緊定螺釘和用以旋入螺釘的孔。如果沒有，可以自己鉆孔，并對其攻絲。

圖6 使用緊定螺釘將電機軸與齒輪連接起來

（3）前軸的軸系結構

前軸安裝驅動輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動力。前軸軸系零件主要有：軸承、從動齒輪、定位套筒、軸承套、前輪和螺母等。各個零部件的安裝位置如圖7所示。

（4）驅動裝置的總體結構

將驅動裝置的各個零部件組裝起來而成為一個完整的驅動系統，其效果如圖8所示。

2.2 撿球機構

2.2.1 吸氣裝置

由于乒乓球的重量較輕、體積較小，而且比較容易吸取。因此，撿球機構采用微型真空泵吸氣裝置。首先，機器人判別乒乓球的位置。然后，走到乒乓球的位置前。最后，由單片機控制微型真空泵，使乒乓球被吸進塑料制成的軟膠管道，并從出口處出來，進而進入乒乓球存放腔中。為了使機器人具有自我清潔的作用，可以在乒乓球的入口處安放一些毛刷，當乒乓球剛進入管道時，即除去灰塵。

粗塑料軟膠管的內徑約為60mm，細塑料軟膠管的內徑約為10mm（分別與微型真空泵的進氣口和吸氣口連接）。粗塑料軟膠管和細塑料軟膠管連接的地方，可以用黏合劑將它們連接起來。使用黏合劑連接時，要注意保持接觸表面的清潔，并用砂紙打磨接觸面。塑料軟膠管可以直接購買獲得，按圖9所示的位置布局并安裝。

2.2.2 微型真空泵的選擇

（1）型號的確定

為了使乒乓球能夠順利地送出去，可以選用抽氣和打氣兩用的微型真空泵。吸球時，真空泵抽氣，將乒乓球撿進來;吸球完成后，真空泵打氣，將球吹到存放腔內。本設計選用成都新為誠科技有限公司生產的型號為FAA8006的微型真空泵，其性能參數如表3所示。[2]

（2）配件的選擇

真空泵在抽氣和打氣的過程中，難免會產生震動的現象，從而影響機器人的工作性能和使用壽命。因此，有必要安裝一套與微型真空泵配套的減震膠墊。其安裝前后的效果如圖12所示。

當真空泵工作一段時間后，所抽氣體中含有的粉塵會積累在泵腔內部，破壞泵的氣密性，使其真空度下降。因此，為了過濾氣體中的粉塵雜質，確保真空泵內部的精密氣密性元件正常工作，延長泵的有效壽命，有必要在進氣管處安裝一個過濾器。對于FAA系列的真空泵，選擇中號的過濾器較合適。過濾器可以由廠家直接生產和提供，不再需要另外設計。

2.2.3 堵氣機構

（1）堵氣機構的總體結構

真空泵在吸氣的過程中，為了防止空氣從乒乓球的出口進入，而無法使乒乓球從入口處被吸起來。因此，必須設計一個堵氣機構。當真空泵吸氣的時候，乒乓球的出口關閉，其將乒乓球從入口處吸進來;當真空泵吸氣完成后，出球口打開，真空泵打氣，將乒乓球吹到存放腔內，完成乒乓球撿起的過程。該機器人的堵氣機構如圖13所示。

（2）工作原理

當真空泵吸氣的時候，電磁鐵不工作，堵氣蓋由于彈簧拉力的作用，將乒乓球的出口塞住，防止空氣進入。當真空泵吸氣完成，電磁鐵通電而開始工作，在電磁鐵拉力的作用下，堵氣蓋打開，此時真空泵開始打氣，將乒乓球吹出來。乒乓球出來后，電磁鐵斷電而停止工作，在機器人上的彈簧和電磁鐵內部彈簧的共同作用下，堵氣機構復位，回復到初始狀態，將乒乓球出口塞住，為去吸取下一個乒乓球做好準備。

為了讓堵氣蓋充分地塞住乒乓球出口，減少漏氣，故將堵氣蓋設計成圓錐形狀，如圖13所示。

（3）電磁鐵的選擇

電磁鐵主要分為以下幾種類型：框架式、圓柱式、直立式、拉式、推式、推拉式、單向磁保持式、雙向磁保持式、吸盤式等。電磁鐵的工作電壓一般是直流12V或24V。根據自動拾取乒乓球機器人的工作需要，直流12V電壓的拉式電磁鐵較合適。

本設計選用武進繼電器廠生產的電磁鐵，其型號為MQ26，它的主要性能參數如表4所示，其外形如圖14所示。[6]

（4）彈簧的選擇

在該機器人中，彈簧的作用主要有兩個。第一，當真空泵吸氣時，堵氣蓋要靠彈簧的拉力作用將乒乓球出口塞住，防止空氣從乒乓球的出口進入，而起不到吸球的效果。第二，乒乓球出來后，電磁鐵斷電而停止工作，堵氣蓋要靠彈簧的拉力來復位，從而使機器人為拾取下一個乒乓球做好準備。復位后，安裝在機器人上的彈簧依然處于拉伸的狀態，使堵氣蓋緊緊地塞住乒乓球出口，以確保其密封性。

按照彈簧所承受載荷的不同，其可分為拉伸型、壓縮型、扭轉型和彎曲型4種基本類型;而按照彈簧形狀結構的不同，又可將其分為螺旋式、環形式、碟形式、板簧式和平面渦卷式等類型。在本機器人的設計中，采用圓柱螺旋拉伸式彈簧（小號半圓勾環型）。其外形如圖15所示。

（5）堵氣機構的運動分析與計算

該機構是一個平面連桿機構。平面連桿機構一般具有以下特點。第一，它的運動副往往是低副，而且運動副元素大多數為面接觸，其所承受的壓力較小，因此其承載能力較大，加工制造較容易。而且，平面連桿機構中的低副一般是幾何封閉的，對保證工作的可靠性起到了非常重要的作用。第二，在原動件的運動規律不變的條件下，可以改變各構件的相對長度而使從動件得到不同的運動規律。因此，可以根據機器人的需要和電磁鐵的性能參數，設計各個連桿的相對長度和形狀。第三，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線，其形狀隨著各構件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形式多樣，可滿足不同的工作需要。在本機器人的設計中，其堵氣機構的運動簡圖如圖16所示。

2.2.4 存放腔的設計

由于機器人的體積較小，如果將存放腔設計成直道的形式，那么它存放乒乓球的數目會比較少。為了使機器人可以一次性裝取更多的乒乓球，故將存放腔設計成一個彎曲的形狀。這樣，存放腔一次可以裝取8個乒乓球。

乒乓球的存放腔分為兩部分。第一部分是存放腔的軌道，可以用模具加工制造，制造材料采用塑料。也可以用塑料薄片和薄的木板連接起來。為了使乒乓球可以順利地被存放，將軌道設計成稍微傾斜的形狀，防止前球擋住后球而不能順利進入存放腔。第二部分是乒乓球的護欄，用以防止乒乓球掉落到地面上，其可以用鐵絲直接繞成。將這兩部分組裝起來后，護欄可以向上撥動。這樣，當需要將乒乓球從機器人中取出來時，可以將護欄向上撥動，再將乒乓球拿出來。這樣的設計不僅可以使存放腔的加工制造較容易，而且使用起來也較方便。乒乓球存放腔的結構圖如圖19所示。

3 機器人的傳感器

3.1 機器人的視覺

機器人要準確判斷出乒乓球在球場上的具體方位，就必須要“看到”乒乓球的位置。在自動拾取乒乓球機器人中，采用CCD圖像識別傳感器來充當機器人的“眼睛”。將CCD傳感器和紅外線傳感器裝在機械人“身體”上，并且通過360度旋轉來“看到”每個乒乓球的具體位置，再通過控制系統算出最優的行程路線去撿球。

CCD圖像識別傳感器有以下幾方面的優點：（1）清晰度高。像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，影像品質高。（2）敏感度高。很低光度的入射光也能被其偵測到。（3）適用環境范圍廣。它可以同時偵測及分辨強光和弱光，不因亮度差異大而造成信號反差現象，適用環境范圍廣。（4）良好的線性特性曲線。（5）大面積感光。（6）體積小、重量輕。

3.2 機器人的觸覺

機器人在乒乓球場上工作的時候，難免會遇到障礙物或者碰到墻壁，這會使機器人失去自動撿球的功能，達不到預期的效果。為了克服這一困難，本設計在機器人的“身體”上安裝了一個胡須觸覺開關。當機器人遇到障礙物或碰到墻壁時，胡須觸覺開關就會自動“察覺”到，并且自動與其避開。胡須觸覺開頭及它在電路板上的安裝示意圖如圖20所示。

3.3 機器人的計數功能

由于設計的自動拾取乒乓球機器人一次最多只能存放8個乒乓球。因此，機器人每次撿起一個乒乓球時，都必須要自動地進行計數。本設計采用光電計數器進行計數。

光電計數器的應用非常廣泛，具有高的可靠性，并且可以實現自動控制的功能，使用起來較為方便。將光電計數器安裝在機器人吸氣嘴的入口處，每當機器人撿起一個乒乓球時，系統就會發送一個脈沖，光電計數器則計數為1。這樣就可以簡單地實現自動計數的功能。

4 設計的總效果與工作流程

4.1 設計的總效果

將機器人各個機構的零部件組裝起來，并且用UG NX6.0軟件構建相應的立方體模型，所得到的效果圖如圖21、圖22和圖23所示。

4.2 工作流程

本自動拾取乒乓球機器人的詳細工作流程如下：

（1）機器人通過聲控裝置識別并接收撿球命令。

（2）用圖像傳感器和紅外線傳感器定位乒乓球的位置。

（3）控制系統控制機器人驅動裝置的左右兩個驅動電機，實現機器人直走或者轉彎，使機器人走到乒乓球相應的位置。

（4）機器人控制系統使微型真空泵啟動，真空泵吸氣，將乒乓球吸入管道內，安裝在吸嘴處的毛刷即時清潔乒乓球表面的灰塵。

（5）當乒乓球到達管道內相應的位置時，真空泵停止工作。

（6）電磁鐵通電而開始工作。在電磁鐵拉力和堵氣機構的作用下，機器人的堵氣蓋打開。

（7）機器人控制系統使真空泵處于打氣狀態，將乒乓球吹入存放腔中。

（8）電磁鐵斷電而停止工作。乒乓球出來后，電磁鐵斷電，在機器人上的彈簧和電磁鐵內部彈簧的共同作用下，堵氣機構復位，回復到初始狀態，將乒乓球出口塞住，為去吸取下一個乒乓球做好準備。

（9）機器人繼續去撿下一個乒乓球。當需要取出乒乓球時，用人工的方法將存放腔的護欄撥動，取出乒乓球。

5 結論

本自動拾取乒乓球機器人的機械結構設計，體現了一定程度的創新。第一，仿照日常生活中吸塵器的原理，采用真空泵將乒乓球吸取?，F有應用在乒乓球場上的機器人，大多都是設計一個機械手直接抓取乒乓球，這不但會使設計過程更加繁瑣，而且其控制系統的設計也較為復雜，制造成本也會相應地增加。這明顯不利于在市場上的推廣與應用。第二，用一塊電磁鐵和一個非常簡單的平面連桿機構就可以將出球口塞住，防止空氣進入，這個機構雖然簡單，但可靠性比較高、實用性也比較強，而且制作起來也比較容易。

參考文獻：

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