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毕业设计（论文)题11:基于单)丨机的乒球发球机构设计及运动仿真 (英文）： mechanism design and movement simulation of table tennis serving machine based on single-chip院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名：扭，jb.指导教师: h 期:基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真摘要随着我国乒乓球运动员不断在肚界各级比赛中取得优抻成绩,窝爱乒乓球运动和打 兵乓球的人越来越多，同时，利用乒乓球发球机來提高乒乓球技术水平的人也越来越多。 为了使练者能更好地学诉乓球技术以达到健身和训练的h的，本文针对d苻兵乓球 发球的特点、技能训练需求、人体力学的需求，w结合现有乒乓球发球机的市场需求， 设计了一种新型、简鉍的乒乓球发球机：基于单片机的乒乓球发球机。本文综述了m内 外乒乓球发球机的现状，对已冇发球机的机械结构进行分析，对乒乓球发球机的设计思 想、:1:作原理、结构特点及控制系统进行了详细论述,i羊细介绍了该控制系统的设计过 程，具体包括外_设备的选择、电动机的选择、pwm驱动器的选择等，论证说明丫该控 制系统的可靠性9根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，并利用matlab进 行运动仿真，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相瓦制约爻系。设计的 乒乓球发球机包括机械结构部分（丨:要由储球机构、拨球机构、螺旋送球机构、高度调 整机构、横摆机构、纵摆机构、发球机构、机座、限位加固支架、简易可拆卸手拉杆以 及传动机构等十一部分组成）以及控制系统部分，由伺服电动机驱动，可发出多种带冇 不同旋转忱质的球。采用at89c51单片机作为控制的核心，是一种新型、性价比萵的简 易d动型乒乓球发球机，使k可以通过按键來控制实现供球的快慢，发球的力度、旋转、 球速。使用方便，nj满足+同的用户训练需求a关键词：乒乓球发球机构设计；中片机；matlab运动仿真mechanism design and movement simulation of table tennis serving machine based on single-chipabstractunder the circumstance that chinese table tennis players have been constantly making outstanding achievements, more people are enjoying table tennis and preferring to improve playing skill by training with serving machine.this thesis aims to describe the design of single-chip-based table tennis serving machine by addressing on the characteristics of serving and requirements both on skills training and human mechanics and combining with the present market of table-tennis serving machine, and to help trainees mastering table tennis techniques better for achieving the goal of body building. the thesis is to summarize the present development both in home and foreign markets and to analyze the mechanical structures of the existing serving machines. moreover, the designing philosophies and procedure, operating principles and structural features of table tennis serving machine, which includc the selecting principles for external facilities，motors and the pwm drivers, will also be described in detail to prove the stability of the operating systcm.the reasonable parameter spans, which are for controlling the dropping points, are confirmed by establishing mathematical model to describe the mechanical analysis on the fling process of the ball. at the same time, matlab is used for motion simulation.the designed table tennis serving machine is consisted by two parts: mechanical hardware (which is consisted by 11 parts: the equipment to store balls, poking ball institutions, helical ball sending institutions, height adjusting mechanism, yaw rate institutions, swings institutions, serving machine, base frame, limit reinforcement stents，simple and easy removable hand rods and transmission mechanism) and controlling system. the serving machine is driven by servo motors which can serve balls in all rotating directions.this equipment takes at89c51 monolithic integrated circuit as the control core, which is designed to be a ncw-modcl，cost-effcctivc and simply equipped serve machine. it can be controlled by the push-button controls for the serves wilh dynamic spins and various levels of speed. to conclude, this table tennis serving machine is convenient which can satisfy the different users training needs.key words: mcchanism design of tabic tennis serving machine; single-chip; matlab movement simulation目录绪论11.1国内外乒乓球发球机的研究现状21.1.1国外乒乓球发球机的研究现状21.1.2国内乒乓球发球机的研究现状31.2选题的目的和意义41.3本次毕业设计的任务41.4 5乒乓球的运动分析62.1乒乓球发球机发球原理62.2乒乓球飞行过程的力学分析62.3乒乓球质心运动的数学模型92.4乒乓球飞行过程的仿真分析132.5发球机参数设计162.6本章小结17乒乓球发球机的机械结构设计183.1乒乓球发球机的总体结构设计183.2乒乓球发球机的各个子机构设计213.2.1储球机构213.2.2拨球机构213.2.3 螺旋送球机构213.2.4高度调整机构223.2.5横摆机构223.2.6纵摆机构233.2.7发球机构243.3乒乓球发球机的电动机选择243.4本章小结26乒乓球发球机控制系统设计274.1控制系统总体设计274.2控制系统各硬件电路设计314.2.1看门狗电路系统设计324.2.2键盘和液品显示器电路系统设计344.2.3电机转速测m电路系统设计364.3电机的控制系统设计384.3.1直流电机控制系统设计394.3.2步进电机控制系统设计444.4简易乒乓球发球机的软件设计分析484.5本章小结49sfife5051_52附录a田纸和程序53祯子中片机的球发球机构设计及运动仿輿骚t笮片机的乒乓球发球机构设计及运动仿與1绪论乒乓球被称为我w的球”，历年来，中_乒乓球队在芥项w际大赛中所昀披靡， 稳稳山据着“赃”地位。“乒乒乓乓天下无双”，乒乓球不仅给我们带來了无限荥耀， 更是在u常生活中，为我们带來快乐与健康。乒乓球拥有避浓厚的群众越础，是企民健 舟中的一项重要运动,乒乓球运动的特点是球体轻、速度快、旋转变化多、富有技巧性 和趣味性，乒乓球运动由于所需的设茶比较简肀，.r不受年龄、性别限制，运动貴可人 可小,因此深受健身运动者的嵙爱。企民对乒乓球的健it运动热潮愈演愈烈,健身器材 的市场需求也在小断的扩大。随着乒乓球这项运动的广泛开展，使用乒乓球发球机进行辅助训练也越來越普及， 因为发球机能代替许多对手之间练习中所练不到的东w。例如对于高水平的选手，使用 兵乓球发球机练具冇极犹粟要、积极作用。很多人都知道在运动队苻一种练j叫多球 j,即通过陪练员或教练员亲tl挥拍,将一个个的乒乓球发到对方台w，运动员连 续击球不断，提商练习强度，使运动员的相持能力增强，另外也可作为一种体能训练，i! 由于足人手发球，速度及频率始终会冇一个极点，而且教练以长时间发多球也不可能， 所以选用发球机來代秤就会麥f功倍，也然它没冇人t发球的千变万化的效果,似由于 它足机械的东两，速度及频率.都可以调节到快十正常打球的极限，而j1足一个连续过程， 这些足人-f发多球所做小到的。对初学者来讲，使用乒乓球发球机练习也具冇不吋忽视 的功效。刚开始学打球的时候，由于市球动作不正确,所以不楚您将球打出界就是我将 球打下网，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，所以要提高技术水平就会很慢， 而.a也会削弱q ll打乒乓球的兴趣，但使用发球机作为辅助训练，效果就会人不一样。 开始的时候,把发球机的出球速度和频率都调节慢-点，弧度稍调高 点。发球机发出 的落点也足从单一定点开始，然后到半台，m后到全台两点。对旋转球的练习也足同 道理,开始的时候练习打上旋球，牮握好了以后慢慢开始练打下旋球、左侧旋、右侧旋等 各种旋转的球，通过这样循序渐进,您的球技也hj然会冇很大的进步。人家都知道过去 练武术的人，扰中练一项打沙袋，丌始袋里装的足幼沙，再足粗沙，诚后楚坚硬的而头。 曾苻记载,香港已故成打明蜇李小龙中w功夫练得炉火纯街，扬威w呩，他的练方法其 中苻一项就逛与机械练拳器对打，甩然它不是一个冇智慧的东西，但它的出拳速度，力 景都商于一般对手，能征服它，说明您功夫到家。丨ii发球机练也足这个道理。只冇运叫商于和难于dl2能应付的训练于段，技术水平才会提高得快。使川庐乓球发球机辅助练习可以说设帮助运动!;i提高技术水平多利1途径之一。本课题设计研究了一种多功能的基于革片机控制的简鉍乒乓球发球机，它生要利用 机械电子相结合的技术，对发球机的结构进行研究与改善设计，使典便于实现控制。这 种发球机可以人为的将发球速度控制在丨0/5到20m/s ,并且在设计中酿顾考虑了业 余爱好考和专业选_f*的不同需求，提供多种训练模式，使得使用者箏捤规范仝面技术的 时间大为缩短。1.1国内外乒乓球发球机的研究现状乒乓球发球机足很多球馆和球友家庭的必备娱乐和训练:丨:典，在六十年代末和七十 年代初，欧洲就出现了乒乓球发球机。乒乓球cl动发球机适用于社会、学校、家庭、专 业训练场馆使用。发球机可发各种性质的球，既可用于娱乐健:a,又适合于专业训练， 性价比特别。目前市场上销伤的乒乓球发球机，按出球方式可以分为三类:一类是轮式发球机， 一类是压气式发球机、另一类足捶市式发球机9按控制类型可以分为两类:一类是半自 动，简肀操作系列；另一类是全自动，电脑程控系列。h前市场h销也的乒乓球发球机品牌有：超级教练、乐吉高于、泰德、奥奇、双蛇、 小飞豚、许绍发、多尼*等八人品牌。鉍热销的乒乓球发球机品牌冇：超级教练、乐* 高手、泰徳、奥奇、双蛇等五大品牌。热销兵乓球发球机品牌简介：超级教练：性价比比较高，适合于锻炼健身使用。乐*高手：荧w的老品牌，足h前所冇发球机中厂家承诺终身免费维修的。泰 德:中等价位的发球机，金属材质，外观造型大器。奥 奇：和泰德同厲于中等价位，也足金厲材质。双 蛇：h前k内最高端的一款发球机，价格也是目前w内最高的，全&动化， 带遥控器。1.1.1国外乒乓球发球机的研究现状m外的乒乓球发球机起步卑，发展比较快，此功能比较齐伞，cl动性能也比较， 既_n以满足教通练习者的需求，也可以满足专业运动员的u常训练要求口 h前，lfi界上屯产兵乓球发球机的丨家比较多，比较冇影响力的冇：(1) newgy公w之乐吉发球机：k发球原理足由电动机带动的位:tnr调旋转轮和一 _定的摩擦块组成发射机构，a球进入发球通道，由旋转轮将球旋出发球n来，旋转轮 的位置不同，则可得到不同旋向的球。(2) butterfly公词之amicus发球机：其发球原足采用两个高速旋转的轮子(旋 转方甸相反），由于轮子的*间小于球的？径，3球从滚道滚入两轮之间的时候，轮子 将球旋出，似它只能形成45的侧旋球。.k旋转速度和球发射速度没苻关联，可以发射 慢旋的短球和快速的突发球,这足同类发球机无法做到的31.1.2国内乒乓球发球机的研究现状根据相关资料显示，m内的乒乓球发球机起步相对比较晚,m发展很快，从最初的 个手动发球机到现在的令d动发球机，k辛冇呰产品性能超过了m外的同类产品。w内现苻的乒乓球发球机的类型打两种,一种足半tl动式发球机，它霈要通过人工 对机头旋转角度进行手动调整,从而实现各种发出各种角度的旋转球的阁的;同时需要 通过抬高或降低机头以对球的射程弧度进行f动调整9这种发球机操作麻烦，功能基本， 越來越不能满足泛业训练对发球机的要求。w种发球机是肀111动式发球机,通过电脑 编程进行操作调节a它的操作系统,需要设置参数來实现各种发球意图。这种肀cj动式 发球机觅然可发出各种变化的球，由于设备体积大，使用小方便，因此局限性较人。主要冇以下几个经典产品：一楚半a动式乒乓球发球机，该发球机m福建省的林清云所设计的，其机械结构包 括机身立体、基座、储球斗、发球机构、弧度调节机构、保度摆动机构及电机调速电路。 该发球机的特点楚结构简中，发球速度快，经济实遒;缺点婭故障率高，质景差、发球 变化少，调节不方便.二楚双蛇牌乒乓球发球机，该发球机足双蛇公切研发生产的企自动电脑控制操作系 列的发球机，它足在研究总结众多发球机的优缺点的基础上，专为乒乓球运动爱好者开 发出的具苻突破性的创意产品。w上要特点足通过电脑编成实现“一键一功能”，即使 用者通过遥控器或者控制面板上的按键來改变发球特性,只要按一下按键，就可以tl动 发出攻球、前冲弧_球、削球、长胶球、高吊球性能的球;还可以自动发出上旋球、卜 旋球、不转球、右侧上、右侧下、左侧上、左侧下、右侧旋、左侧旋九种蕋本旋转发球 方式的球9 jt电脑控制系统具冇c忆功能,使得在关机前处于什么状态，w次开机时会仍然处于该状态。由十k旋转机构f动调机，使整个装不能完仝实现d动,三足许绍发智能乒乓球教练机，该发球机足由三鼎公;d采用生产研制,采用微电 脑控制，在一定程度上实现丫训练过程的tl动化，：k桌而分割为多个小方块，可根ft;程 序设定准确地将球射到指定区域。萁不足之处足不能像真正的人工发球可根据实际怡况 来应变发球，由于发球程序模式所限，所发球具冇一定的规律。1.2选题的目的和意义兵乓球运动堪称我_的幽球，如今随着生活的水平提高以及人们对生活物质要求的 增加，乒乓球运动越来越受到人们的春欢，成为人们健身活动的主要项h之一。觅然爱 奸乒乓球运动的人越来越多，但往往由于缺少陪练人m或养陪练的发球力度、角度、远 近距离及球的旋转等技术发挥不稳记ifu导致训练效果欠徒。为了解决这两人难题，设计 一种既经济又实用的乒乓球发球机具有积极東要的时代意义,让更多的人能更舒适、更 有效地进行多球练习。乒乓球发球机足集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产 物，采用肀片机控制，不仅能够提高发球性能，而.11.能够降低成木，可以人大地提高训 练效率。而且每位乒乓爱好者都希槊有一位与a匕水平相3的陪练者。在a今丨.作忙， 生活节奏快的条件f,乒乓球发球机则是个理想的、不受时间限制的&师益友。功能多， 价格低、能够针对不同练习者的特点进行击球方式的设足及套路设定的发_1,则是兵 乓球爱好者的共同愿银。从经济观点或科研方面考虑，乒乓球发球机的开发、研究j应 用都能极人地推动体竹运动平业的发展，it未来的前景将会很大。1.3本次毕业设计的任务本次毕业设计足以现钌乒乓球发球机为背景，设计小巧、经济、方便的兵乓球发球 机，并对k进行机械结构设计和控制系统设计。分析乒乓球发球机的t-作原理及工作过 程，并阐述了这种:丨:作过程的可靠性及优越性，绘制发球机的总装图和零件sh根据乒 乓球飞行过程的受力分析进行数学逑模，并利用matlab仿真乳过程，分析出控制落球 点各参数的合理取值范_，得出典相互制约关系，最后对发球机进行相应分析设计，完 成-tt:设计方案，同时对控制电路进行相应的设计，域终得出结论，说明设计出基于艰片 机的乒乓球发球机足完企可行的。具体内容可分为以下几个大部：第一部分：乒乓球发球机的结构设计：4m 单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿u2乒乓球的运动分析2.1乒乓球发球机发球原理第:二部分:兵乓球发球机的控制系统设计;第三部分：乒乓球发球机的程序设计；第四部分:乒乓球运动过程仿真；第五部分：绘制总装配图和零件图。1.4本章小结综上所述，乒乓球发球机在我w起步比较晚，对m的进 步的研究和发展具冇煎要 的现实意义。随着人们生活水平的提商，全民对乒乓球的健身运动热潮愈演愈烈，m 器材的市场需求也在不断的扩大。乒乓球运动作为我m的m球，受到人们的广泛蓀爱， 更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材4在广i今:丨:作忙,生活节奏快的条件 下，乒乓球发球机则足个理想的、+受时叫限制的li师益友。正足在这种情况卜，无论 从人们需求、经济观点，或足科研方而考虑，乒乓球发球机的开发、研究与应用足极 必要的,必能极人地推动体f/运动平业的发展以及不断满足人们的生活需求。祯r中片机的球发球机构设计及运动仿輿乒乓球发球机是集电子、机械和计筧机技术为一休的综合技术产物，它興苻111动化 程度高、乂敏度高、稳记性可靠等多种特性其:基木发球原理足利用对转双轮高速旋转 摩擦乒兵球的原理，如阁2.1，乒乓球由于受到两个由直流电机带动工作的旋转方向相 反的萵速摩擦轮的作川，可以获得一记的初速度。摩擦轮1乒乓球摩擦轮2罔2. i对转双轮发球原观阁 根据上阁的原理可以看出，：ml电动机带动两个摩擦轮转动，同时摩檫乒乓球使典获 得一定的动能，乒乓球才可以发射出去。这种原现方案简中.又实用，既能保证乒乓球发 射的稳记忭，又能极好地控制乒乓球发射的转昀、角度及速度，使用户随心所欲地练习 打乒乓球，设轮子的角速度分別为叫、0)2，半径都为r，那么就可以计筇出摩擦轮的线速度为：vi=co|xrv2=0)2xr3wl=t02时，乒乓球+旋转，所获得的瞬时速度即初速度为 当(0)2时，乒乓球沿摩擦轮2方向旋转，所获得的初速度为卜切2)/2:.当0丨0)2时，乒乓球沿摩擦轮2方向旋转，所获得的初速度为卜切2)/2:.当0丨0)2时，乒乓球沿摩擦轮2方向旋转，所获得的初速度为卜切2)/2:.当0丨0)2时，乒乓球沿摩擦轮2方向旋转，所获得的初速度为卜切2)/2:.当0丨