基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真设计

毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 题目 基于单片机的乒乓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 学 号 指导教师 日 期 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 摘要摘要 随着我国乒乓球运动员不断在世界各级比赛中取得优异成绩 喜爱乒乓球运动和 打乒乓球的人越来越多 同时 利用乒乓球发球机来提高乒乓球技术水平的人也越来 越多 为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的 本文针对已 有乒乓球发球的特点 技能训练需求 人体力学的需求 再结合现有乒乓球发球机的 市场需求 设计了一种新型 简易的乒乓球发球机 基于单片机的乒乓球发球机 本 文综述了国内外乒乓球发球机的现状 对已有发球机的机械结构进行分析 对乒乓球 发球机的设计思想 工作原理 结构特点及控制系统进行了详细论述 详细介绍了该 控制系统的设计过程 具体包括外围设备的选择 电动机的选择 PWM 驱动器的选择等 论证说明了该控制系统的可靠性 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 得出其相互 制约关系 设计的乒乓球发球机包括机械结构部分 主要由储球机构 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 可发出多种带有不同旋转性质的球 采用 AT89C51 单片机作为控制的核心 是 一种新型 性价比高的简易自动型乒乓球发球机 使其可以通过按键来控制实现供球 的快慢 发球的力度 旋转 球速 使用方便 可满足不同的用户训练需求 关键词 关键词 乒乓球发球机构设计 单片机 MATLAB 运动仿真 Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single chip ABSTRACT Under 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 include the selecting principles for external facilities motors and the PWM Drivers will also be described in detail to prove the stability of the operating system 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 new model cost effective and simply equipped serve machine It can be controlled by the push button controls for the serves with dynamic spins and various levels of speed To conclude this table tennis serving machine is convenient which can satisfy the different user s training needs Key words Mechanism Design of Table Tennis Serving Machine Single chip MATLAB Movement Simulation 目录目录 1 绪论绪论 1 1 1 国内外乒乓球发球机的研究现状 2 1 1 1 国外乒乓球发球机的研究现状 2 1 1 2 国内乒乓球发球机的研究现状 3 1 2 选题的目的和意义 4 1 3 本次毕业设计的任务 4 1 4 本章小结 5 2 乒乓球的运动分析乒乓球的运动分析 6 2 1 乒乓球发球机发球原理 6 2 2 乒乓球飞行过程的力学分析 6 2 3 乒乓球质心运动的数学模型 9 2 4 乒乓球飞行过程的仿真分析 13 2 5 发球机参数设计 16 2 6 本章小结 17 3 乒乓球发球机的机械结构设计乒乓球发球机的机械结构设计 18 3 1 乒乓球发球机的总体结构设计 18 3 2 乒乓球发球机的各个子机构设计 21 3 2 1 储球机构 21 3 2 2 拨球机构 21 3 2 3 螺旋送球机构 21 3 2 4 高度调整机构 22 3 2 5 横摆机构 22 3 2 6 纵摆机构 23 3 2 7 发球机构 24 3 3 乒乓球发球机的电动机选择 24 3 4 本章小结 26 4 乒乓球发球机控制系统设计乒乓球发球机控制系统设计 27 4 1 控制系统总体设计 27 4 2 控制系统各硬件电路设计 31 4 2 1 看门狗电路系统设计 32 4 2 2 键盘和液晶显示器电路系统设计 34 4 2 3 电机转速测量电路系统设计 36 4 3 电机的控制系统设计 38 4 3 1 直流电机控制系统设计 39 4 3 2 步进电机控制系统设计 44 4 4 简易乒乓球发球机的软件设计分析 48 4 5 本章小结 49 结论结论 50 参考文献参考文献 51 致谢致谢 52 附录附录 A 图纸和程序图纸和程序 53 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 1 1 1 绪论绪论 乒乓球被称为我国的 国球 历年来 中国乒乓球队在各项国际大赛中所向披靡 稳稳占据着 霸主 地位 乒乒乓乓天下无双 乒乓球不仅给我们带来了无限荣耀 更是在日常生活中 为我们带来快乐与健康 乒乓球拥有着浓厚的群众基础 是全民 健身中的一项重要运动 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备比较简单 且不受年龄 性别限制 运动 量可大可小 因此深受健身运动者的喜爱 全民对乒乓球的健身运动热潮愈演愈烈 健身器材的市场需求也在不断的扩大 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来越普及 因为发球机能代替许多对手之间练习中所练不到的东西 例如对于高水平的选手 使 用乒乓球发球机练习具有极其重要 积极作用 很多人都知道在运动队有一种练习叫 多球练习 即通过陪练员或教练员亲自挥拍 将一个一个的乒乓球发到对方台面 运动 员连续击球不断 提高练习强度 使运动员的相持能力增强 另外也可作为一种体能训 练 但由于是人手发球 速度及频率始终会有一个极点 而且教练员长时间发多球也不 可能 所以选用发球机来代替就会事半功倍 虽然它没有人手发球的千变万化的效果 但由于它是机械的东西 速度及频率都可以调节到快于正常打球的极限 而且是一个 连续过程 这些是人手发多球所做不到的 对初学者来讲 使用乒乓球发球机练习也 具有不可忽视的功效 刚开始学打球的时候 由于击球动作不正确 所以不是您将球打 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 而且也会削弱自己打乒乓球的兴趣 但使用发球机作为辅助训练 效 果就会大不一样 开始的时候 把发球机的出球速度和频率都调节慢一点 弧度稍调高 一点 发球机发出的落点也是从单一定点开始 然后到半台 最后到全台两点 对旋转 球的练习也是同一道理 开始的时候练习打上旋球 掌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 您的球技也自然会有很大的进步 大家都知道过去练武术的人 其中练一项打沙袋 开始袋里装的是幼沙 再是粗沙 最 后是坚硬的石头 曾有记载 香港已故武打明星李小龙中国功夫练得炉火纯青 扬威国 际 他的练习方法其中有一项就是与机械练拳器对打 虽然它不是一个有智慧的东西 但它的击拳速度 力量都高于一般对手 能征服它 说明您功夫到家 用发球机练习也 2 是这个道理 只有运用高于和难于自己能应付的训练手段 技术水平才会提高得快 使 用乒乓球发球机辅助练习可以说是帮助运动员提高技术水平多种途径之一 本课题设计研究了一种多功能的基于单片机控制的简易乒乓球发球机 它主要利 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 使其便于实现控制 这种发球机可以人为的将发球速度控制在到 1 并且在设计中兼顾考虑 sm10sm20 了业余爱好者和专业选手的不同需求 提供多种训练模式 使得使用者掌握规范全面 技术的时间大为缩短 1 11 1 国内外乒乓球发球机的研究现状国内外乒乓球发球机的研究现状 乒乓球发球机是很多球馆和球友家庭的必备娱乐和训练工具 在六十年代末和七 十年代初 欧洲就出现了乒乓球发球机 乒乓球自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 既可用于娱乐健身 又适合于专业训 练 性价比特别高 目前市场上销售的乒乓球发球机 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 2 另一类是捶击式发球机 按控制类型可以分为两类 一类是半 自动 简单操作系列 另一类是全自动 电脑程控系列 目前市场上销售的乒乓球发球机品牌有 超级教练 乐吉高手 泰德 奥奇 双 蛇 小飞豚 许绍发 多尼克等八大品牌 最热销的乒乓球发球机品牌有 超级教练 乐吉高手 泰德 奥奇 双蛇等五大品牌 热销乒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 乐吉高手 美国的老品牌 是目前所有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 和泰德同属于中等价位 也是金属材质 双 蛇 目前国内最高端的一款发球机 价格也是目前国内最高的 全自动化 带遥控器 1 1 11 1 1 国国外乒乓球发球机的研究现状外乒乓球发球机的研究现状 国外的乒乓球发球机起步早 发展比较快 其功能比较齐全 自动性能也比较高 既可以满足普通练习者的需求 也可以满足专业运动员的日常训练要求 目前 世界 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 3 上生产乒乓球发球机的厂家比较多 比较有影响力的有 1 NEWGY 公司之乐吉发球机 其发球原理是由电动机带动的位置可调旋转轮和 一固定的摩擦块组成发射机构 当球进入发球通道 由旋转轮将球旋出发球口来 旋 转轮的位置不同 则可得到不同旋向的球 2 Butterfly 公司之 Amicus 发球机 其发球原理是采用两个高速旋转的轮子 旋 转方向相反 由于轮子的空间小于球的直径 当球从滚道滚入两轮之间的时候 轮子 将球旋出 但它只能形成 45 的侧旋球 其旋转速度和球发射速度没有关联 可以发 射慢旋的短球和快速的突发球 这是同类发球机无法做到的 1 1 21 1 2 国内国内乒乓球发球机的研究现状乒乓球发球机的研究现状 根据相关资料显示 国内的乒乓球发球机起步相对比较晚 但发展很快 从最初 的全手动发球机到现在的全自动发球机 甚至有些产品性能超过了国外的同类产品 国内现有的乒乓球发球机的类型有两种 一种是半自动式发球机 它需要通过人工 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目的 同时需要 通过抬高或降低机头以对球的射程弧度进行手动调整 这种发球机操作麻烦 功能基 本 越来越不能满足专业训练对发球机的要求 另一种发球机是半自动式发球机 通过 电脑编程进行操作调节 它的操作系统 需要设置参数来实现各种发球意图 这种半自 动式发球机虽然可发出各种变化的球 但由于设备体积大 使用不方便 因此局限性较 大 主要有以下几个经典产品 一是半自动式乒乓球发球机 该发球机是福建省的林清云所设计的 其机械结构 包括机身壳体 基座 储球斗 发球机构 弧度调节机构 角度摆动机构及电机调速 电路 该发球机的特点是结构简单 发球速度快 经济实惠 缺点是故障率高 质量差 发球变化少 调节不方便 二是双蛇牌乒乓球发球机 该发球机是双蛇公司研发生产的全自动电脑控制操作 系列的发球机 它是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 者开发出的具有突破性的创意产品 其主要特点是通过电脑编成实现 一键一功能 即使用者通过遥控器或者控制面板上的按键来改变发球特性 只要按一下按键 就可 以自动发出攻球 前冲弧圈球 削球 长胶球 高吊球性能的球 还可以自动发出上旋 球 下旋球 不转球 右侧上 右侧下 左侧上 左侧下 右侧旋 左侧旋九种基本 4 旋转发球方式的球 其电脑控制系统具有记忆功能 使得在关机前处于什么状态 再 次开机时会仍然处于该状态 由于其旋转机构需手动调机 使整个装置不能完全实现 自动 三是许绍发智能乒乓球教练机 3 该发球机是由三鼎公司采用生产研制 采用微 电脑控制 在一定程度上实现了训练过程的自动化 其桌面分割为多个小方块 可根 据程序设定准确地将球射到指定区域 其不足之处是不能像真正的人工发球可根据实 际情况来应变发球 由于发球程序模式所限 所发球具有一定的规律 1 21 2 选题的目的和意义选题的目的和意义 乒乓球运动堪称我国的国球 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喜欢 成为人们健身活动的主要项目之一 虽 然爱好乒乓球运动的人越来越多 但往往由于缺少陪练人员或者陪练的发球力度 角 度 远近距离及球的旋转等技术发挥不稳定而导致训练效果欠佳 为了解决这两大难 题 设计一种既经济又实用的乒乓球发球机具有积极重要的时代意义 让更多的人能 更舒适 更有效地进行多球练习 乒乓球发球机是集电子 机械和计算机技术为一体 的综合技术产物 采用单片机控制 不仅能够提高发球性能 而且能够降低成本 可 以大大地提高训练效率 而且每位乒乓爱好者都希望有一位与自己水平相当的陪练者 在当今工作忙 生活节奏快的条件下 乒乓球发球机则是个理想的 不受时间限制的 良师益友 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定及套路 设定的发球机 则是乒乓球爱好者的共同愿望 从经济观点或科研方面考虑 乒乓球 发球机的开发 研究与应用都能极大地推动体育运动事业的发展 其未来的前景将会 很大 1 31 3 本次毕业设计的任务本次毕业设计的任务 本次毕业设计是以现有乒乓球发球机为背景 设计小巧 经济 方便的乒乓球发 球机 并对其进行机械结构设计和控制系统设计 分析乒乓球发球机的工作原理及工 作过程 并阐述了这种工作过程的可靠性及优越性 绘制发球机的总装图和零件图 根据乒乓球飞行过程的受力分析进行数学建模 并利用 MATLAB 仿真其过程 分析出控 制落球点各参数的合理取值范围 得出其相互制约关系 最后对发球机进行相应分析 设计 完成其设计方案 同时对控制电路进行相应的设计 最终得出结论 说明设计 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 5 出基于单片机的乒乓球发球机是完全可行的 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 第二部分 乒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 41 4 本章小结本章小结 综上所述 乒乓球发球机在我国起步比较晚 对其的进一步的研究和发展具有重 要的现实意义 随着人们生活水平的提高 全民对乒乓球的健身运动热潮愈演愈烈 健身器材的市场需求也在不断的扩大 乒乓球运动作为我国的国球 受到人们的广泛 喜爱 更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材 在当今工作忙 生活节奏 快的条件下 乒乓球发球机则是个理想的 不受时间限制的良师益友 正是在这种情 况下 无论从人们需求 经济观点 或是科研方面考虑 乒乓球发球机的开发 研究 与应用是极其必要的 必能极大地推动体育运动事业的发展以及不断满足人们的生活 需求 6 2 2 乒乓球的运动分析乒乓球的运动分析 2 12 1 乒乓球发球机发球原理乒乓球发球机发球原理 乒乓球发球机是集电子 机械和计算机技术为一体的综合技术产物 它具有自动 化程度高 灵敏度高 稳定性可靠等多种特性 其基本发球原理是利用对转双轮高速 旋转摩擦乒乓球的原理 如图 2 1 乒乓球由于受到两个由直流电机带动工作的旋转方 向相反的高速摩擦轮的作用 可以获得一定的初速度 图 2 l 对转双轮发球原理图 根据上图的原理可以看出 当电动机带动两个摩擦轮转动 同时摩擦乒乓球使其 获得一定的动能 乒乓球才可以发射出去 这种原理方案简单又实用 既能保证乒乓 球发射的稳定性 又能极好地控制乒乓球发射的转向 角度及速度 使用户随心所欲 地练习打乒乓球 设轮子的角速度分别为 1 2 半径都为 R 那么就可以计算出摩擦轮的线速度 为 1 1 R 2 2 R 当 1 2时 乒乓球不旋转 所获得的瞬时速度即初速度为 1 2 当 1 2时 乒乓球沿摩擦轮 2 方向旋转 所获得的初速度为 1 2 2 当 1 2时 乒乓球沿摩擦轮 1 方向旋转 所获得的初速度也为 1 2 2 因此通过调节 测量两摩擦轮的角速度就可以改变 求得乒乓球的初速度 2 2 2 2 乒乓球飞行过程的力学分析乒乓球飞行过程的力学分析 乒乓球发球机是集电子 机械和计算机技术为一体的综合技术产物 它具有自动 化程度高 灵敏度高 稳定性可靠等多种特性 其发球的基本原理是利用单轮高速旋 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 7 转摩擦球的原理 乒乓球的质量 直径 经发球机发出去后 产生速度和角 kgm0027 0 md040 0 速度 速度给出运动的大小和方向 角速度表明了旋转轴的方向 测试表明 乒乓球运 动最大速度达 旋转球的最高转速可达 1 sm20min3000r 乒乓球在空气中运动时 受到以下三个力的作用 1 重力 mgG 2 空气阻力 与速度 方向相反 D F v 当乒乓球在空气中运动时 由于空气存在粘性和惯性 会产生阻力 乒乓球将留 下湍流尾迹 该阻力包括摩擦阻力和压差阻力 摩擦阻力的大小取决于边界层的性质 是层流还是紊流 压差阻力是由于边界层产生分离的结果 其实际大小可通过风洞实 验测定 为方便通常采用的计算公式是 其中 一空气密度 2 2 AvCF DD 一迎风面积 一速度 一阻力系数 是一个无量纲的量 2 4 2 dA v D C 空气阻力的大小与雷诺数有密切关系 如图 2 2 当雷诺数凡时 乒乓球前1 e R 后的气流层不发生分离 阻力正比于速度 随着雷诺数增大 在护范 53 10310 e R 围时 包围球体的边界层发生分离 阻力系数基本为常数 在大于某一临界雷诺数时 光滑球为 边界层完全变成湍流 分离点后移 阻力系数突然下降 由于 5 103 e R 包围粗糙球的边界层更容易分离 粗糙球的临界雷诺数比光滑球的要小 假设大气温度为 20 度时 则取空气密度为 空气粘度系数 3 205 1 mkg mPa 5 1082 1 则雷诺数为 vvvdRe 3 5 10648 2 1082 1 040 0 205 1 其中 一乒乓球球的直径 一乒乓球在空气中的速度 dv 8 图 2 2 球体阻力系数与雷诺数的关系 当乒乓球速度达最大 时 由图 2 2 可知 包围乒乓smv20 4 10296 5 e R 球的气流层处于层流状态 其阻力系数基本为常数 有论文提出 4 网球在 时 其阻力系 smvsm286 13 min3250 min800rr 数的表达式为 52 196 4 053 22 1 508 0 v CD 由上式可知 只依赖于 其中 是球运动的线速度 使球旋转的角速度 D C v v 对于乒乓球可以忽略球旋转的减速度 认为是常数 本文可采用它来分析乒乓球的 运动轨迹 经过分析 选取 757 0 D C 3 马格努斯力 其方向垂直于和 L F v 当乒乓球旋转着在空气中飞行时 通过球体上方的流速会加快 而通过球体下方 的流速则会减慢 由于摩擦力的作用 球体的表面上有一层薄薄的流体边界层 边界 层里的流体对球体的相对速度为 0 在边界层中 离球体表面的距离越远则流速越快 在球体旋转的状况下 因为球体上方的流速增大而下方的流速减小 上方的流线也比 下方的流线密 所以球体上下方的流体就产生压力差 此外 球体上方气流的分离点 会被推向更后方 结果在球体周围产生不对称的流动模式和垂直于流动方向的净升力 即马格努斯力 如果球体表面比较粗糙 不只是摩擦力增加 也会使升力增加 如图 2 3 当发球机发出下旋球时 由右手定则显示球的角速度方向为由发球机向 右 马格努斯力方向向上 而上旋球的力则向下 马格努斯力的计算公式为 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 9 v v AvCF LL 2 2 1 为马格努斯力升力系数 和阻力系数相似 须由实验测得 引用文献 1 数据得 L C 与相比小得多 但对乒乓球的轨迹有很大影响 经过 v CL 981 0 022 2 1 L C D C 分析 选取 50 0 L C 图 2 3 马格努斯力的形成 2 32 3 乒乓球质心运动的数学模型乒乓球质心运动的数学模型 要研究乒乓球在空气中的质心运动 首先要明确乒乓球在空气中的质点运动主要 用那些量来描述 由于乒乓球运动的基本问题是个平面运动问题 所以要知道乒乓球 质心在空气中的运动规律 必须知道乒乓球离开发球机后任意时间 的坐标 若t yx 能知道 时的乒乓球质心运动速度 的大小和方向 乒乓球的倾角 就可以确定乒tv 乓球将以什么速度飞向何方 因此如果能够知道变量和等五个变量之间的vyxt 函数关系 就可以完全解决乒乓球质心在空气中运动的问题 1 建立数学模型一 4 只计重力 不计阻力与升力 10 图 2 4 直角坐标系一 如图 2 4 将乒乓球视为一个质点 质量为的乒乓球从原点 0 0 发射以初速 m 度沿角的方向射出 0 v 设乒乓球在时刻 的位置矢量为 t T tytxtr 则乒乓球的初速度为 T tytxtv 加速度为 T tytxta 乒乓球所受的重力和阻力分别为 TT tkytkxkvfmgf 0 21 则总外力为 T tkymgtkxfff 21 由牛顿第三运动定律得到运动方程为 tmytkymg tmxtkx 既 2 1 0 0 tkymgtmy tkxtmx 其初始条件为 2 2 00 x cos0 0 vx 00 y sin0 0 vy 令 2 3 txu 1 txu 2 tyu 3 tyu 4 由 2 l 2 2 和 2 3 式推出 2 4 sin0 00 cos0 00 013 021 44 43 22 21 vuu vuu gtmuktu tutu tmuktu tutu 可进一步记为 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 sin 0 cos 0 0 0 0 4321 mk mk A vv gb tutututuu T oo T T 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 11 则 2 4 可等价地写成矩阵向量形式 2 5 0 u ufu 其中 bAuuf 一阶微分方程 2 4 或 2 5 即是乒乓球运动的数学模型 4 2 建立数学模型二 4 所发球为不旋转球 即只计重力和空气阻力 图 2 5 直角坐标系二 如图 2 5 设质量为的乒乓球从原点 0 0 发射 以初速度沿角的方向射出 m o v 乒乓球在空中任意点的坐标为 yx 则在该点的速度为 y x v dt dy v dt dx 其加速度为 y y x x a dt dv a dt dv 根据受力分析 由牛顿第三运动定律得其运动方程为 4 2 6 sin cos mgFma dt dv m Fma dt dv m Dy y Dx x 由流体动力学知 1057 7 24 04 0 205 1 2 242 2 22 vCvCvACF DDDD 令 其中 则 D Cc 4 1057 7757 0 D C4 1073 5 c 12 得 2 7 2 cvFD 将 2 7 代入式 2 6 则可得其四阶方程组 gmvcvgmcv dt dv vcvmcv dt dx v dt dy v dt dx y y x v y x sin cos 2 2 3 建立数学模型三 4 所发球球为下旋球 考虑重力 阻力及升力 图 2 6 空间直角坐标系 如图 2 6 建立三维空间直角坐标系 设乒乓球的初速度为 它与平面的夹 o vxy 角为 在平面的投影与 x 轴的夹角为 其旋转的角速度为 旋转轴与轴的夹 xy z 角为 乒乓球在空间任一点的坐标为 zyx 则该点的速度为 sin sincos coscos vv dt dz vv dt dy vv dt dx z y x 根据受力分析 由牛顿定理得其运动方程 5 为 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 13 2 8 mgFF dt dz m FF dt dy m FFF dt dx m LD LD LLD sincoscossin coscoscossincos cossincossincoscoscoscos 令 2 9 2 2 2 1 vcFvcF LD 其中 4 2 4 1 1078 3 1073 5 cc 将 2 9 代入 2 8 得其非线性方程组 gmvvcmvvc dt dv mvvcmvvc dt dv mvvvcmvvc dt dv v dt dz v dt dy v dt dx xz z xy y yzx x z y x sin cos cossin 21 21 21 2 2 4 4 乒乓球飞行过程的仿真分析乒乓球飞行过程的仿真分析 由于发球后乒乓球的飞行轨迹与碰撞桌面后的飞行轨迹由很大的不同性 所以为 了体现统一的思想 发球的时候要直接将球发到对方的球桌上 不能像人与人比赛的 时候那样发球 14 图 2 7 乒乓球桌面坐标系 如图 2 7 己知 乒乓球球桌的长度为 宽度为 高度为 mmL2740 1 mmL1525 2 球网的高度为 发球的高度为发射速度为 mmH760 mm25 15 cmcmHh30 10 飞行距离为 smsmv20 10 L 由于空气阻力对运动物体的影响作用比较大 尤其是像乒乓球这样质量轻而体积 相对比较大的运动物体 更要考虑空气阻力对其运动的影响 因此 用 MATLAB 对乒乓 球的数学模型二进行仿真 6 其不旋球飞行过程的运动轨迹如图 2 8 所示 在不同的 发射速度下 可以得到乒乓球的不同落点 反过来要实现发射不同落点的球 通过改 变发球速度这些参数即可 通过分析 得出发球机发射有效球时 各个参数的极限大 小 方便后续程序编制 同时可以知道 发球高度的变化范围选取与桌面的距离为 10cm30cm 时 即可发射有效球 因此设计发球机时 使其高度调节范围设定为 20cm 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 15 a b 16 c d 图 2 8 乒乓球的运动轨迹 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 17 2 52 5 发球机参数设计发球机参数设计 乒乓球发球机的工作过程是首先将乒乓球储存在储球机构中 当电源接通后 储 球机构中的拨杆由输送机构中的直流电机带动转动起来 其作用是搅动储球器中的乒 乓球 以防止入球口堵塞 乒乓球靠自身重力落入输送机构 螺旋上球器将球送入送 球通道 该直流电动机转速控制板操作这样就可以控制单位时间内的发球数目球在通 道内依次排成一列 后面的球将前面的球顶入发射机构 发射机构中的直流电机也以 设定的速度模式带动两个摩擦轮转动 当球进入时 在摩擦力的作用下 将球发射出 去 7 所研究的简易乒乓球发球机达到的主要技术性能参数 1 供球频率 30 个 分 96 个 分 2 发球速度 lOm s 20m s 3 横摆摆幅范围 0 30 摆动速度 30 次 分 92 次 分 4 纵摆行程范围 0 30 5 升降范围 O 20cm 6 可发出上 下旋球以及不旋球 2 62 6 本章小结本章小结 本章对自动乒乓球发球机的发球原理和工作过程做了简单介绍 同时根据乒乓球 在空中的受力情况建立了其数学模型 运用 MATLAB 分别对不同运动状态的乒乓球的运 动轨迹进行了仿真分析 确定该乒乓球发球机可以通过调节各种参数 得到运动状态 和不同落点的球 从而满足设计要求 18 3 3 乒乓球发球机的机械结构设计乒乓球发球机的机械结构设计 从现行的乒乓球发球机市场调查数据显示 在现行市场上的乒乓球发球机的结构 形式多种多样 各不相同 功能各异 根据发球的动力等自身特点 本课题设计研究 的新型简易自动乒乓球发球机 是通过对现有发球机进行分析 保留了它的一些传统 结构特点 同时也进行了适当的结构改进以方便对其进行自动控制 简化改善机构等 具有一定程度的创新 3 13 1 乒乓球发球机的总体结构设计乒乓球发球机的总体结构设计 乒乓球发球机主要由储球机构 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 乒乓球发球机的总体机构设计装配图如图 3 1 所示 总体机构三视 图如图 3 2 所示 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 19 图 3 1 总体机构装配图 20 图 3 2 总体机构三视图 本毕业设计乒乓球发球机构总体设计思想是 乒乓球螺旋送球机构设置在机座的底座内部 而储球机构 拨球机构 高度调整 机构 横摆机构 纵摆机构 发球机构设置在底座的上端 储球机构 即储球器 中 设有拨球机构 即拨球杆 乒乓球在储球器中 经电机带动下的拨球机构搅动 乒乓 球进入入球孔靠自身重力落入螺旋送球机构 而又不至于卡在输送的管道口 在送球 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 21 通道中设有可以转动的螺形上球器 由其将乒乓球推入乒乓球传送通道 球在通道内 依次排成一列 后面的球将前面的球顶入发射机构 送球通道前段为水平设置 中段 为长度可调节的竖直设置 连接首段和中段的弯形管成阿基米德螺旋线形 本次设计 使用的阿基米德螺旋线形方程为 a 2 theta t 360 r a theta 的管道 连接中段 和发球口的部分为可任意拉伸 弯曲且具有柔韧性的上弧形软管 上弧形杆的内部为 空管 使乒乓球能够沿空管上行 高度调整机构 横摆机构 纵摆机构协调控制发球 的高度横摆和纵摆方向 发球机构由高速旋转的发射轮组成 传动机构包括电动机和 齿轮 机座则由底座 底座盖板组成 限位加固支架起到限制发球口上升的最高高度 和固定送球管等部件的作用 此外 乒乓球发球机还设计配备了使其便于移动的带有 滚轮的可拆卸的简易手拉杆装置 高度调整机构 横摆机构 纵摆机构 发球机构由 各支架固定 发球机构中的双轮高速旋转 可异步调速 靠摩擦将球发射出去 调节 两轮速度即可实现不同旋向球 调节纵摆机构可调节出球口的竖直方向上下角度的变 化 即可改变发球的弧度 通过横摆机构即可调节出球的水平方向左右角度的变化 调节上球器的电机转速 即可改变发球的频率 针对所要设计的自动乒乓球发球机的特点 其机械功能应包括 通过控制盒上相应 按键来实现各种功能 如改变发球速度 频率 旋向 以及出球角度和弧度 对市场 上的乒乓球发球机的结构进行分析 为能保证这些功能的实现 需对其部分复杂机械 结构进行改进 加入方便进行自动控制的元件 通过分析 主要对市场上原乒乓球发 球机进行以下几方面的改进设计 即储球机构 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 简易可拆卸手拉杆以及 PWM 调速器等的设计 要设计好整个自动乒乓球发球机的机械结构 首先要了解乒乓球和乒乓球桌的参 数 乒乓球是一种硝化纤维组成的 直径为 40 毫米的圆球 它质轻而心空 弹性好 重量为 2 7 克 标准的乒乓球桌的长为 2 74 米 宽为 1 525 米 球网 15 25 厘米 8 球的飞行方向 球在球台上空沿一定弧线飞行 如果要准确地落到对方台面 不仅受到 球台长度和球网高度的限制 而且还受到球台宽度的制约 为此必须要求乒乓球的飞 行方向正确 保证乒乓球既不会出界 又能落到战术所需要的区域 22 3 23 2 乒乓球发球机的各个子机构设计乒乓球发球机的各个子机构设计 3 2 13 2 1 储球机构储球机构 图 3 3 储球机构 3 2 23 2 2 拨球机构拨球机构 图 3 4 拨球机构 3 2 33 2 3 螺旋送球机构螺旋送球机构 螺旋送球机构如图 3 5 所示 乒乓球螺旋送球机构设置在机座的底座上 在送球 通道的螺旋送球机构中设有由电机带动的螺旋上球器 由其将乒乓球推入乒乓球传送 通道 球在通道内依次排成一列 后面的球将前面的球顶入发射机构 通过调节电机 的转速可以调节发球的频率 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 23 图 3 5 螺旋送球机构 3 2 43 2 4 高度调整机构高度调整机构 高度调整机构如图 3 6 为能更加完善乒乓球发球机 的功能 增加实现更多不同的球路变化 本乒乓球发球机 构设计增加了可调节发球高度的升降机构 考虑到设计的 经济性 实用性和适用性 其结构采用为由步进电动机带 动齿轮转动 则与齿轮啮合的齿条带动可以移动的导球管 上上下移动 齿条固定在可移动的送球管道带动摇摆机构 和发射机构一起上下移动 从而实现了出球口高度的调节 齿轮齿条是机械上常使用的且经济使用的传动元件 其主要功能是将旋转运动转换成线形运动 同时兼具较高 精度 可逆性和高效率的特点 本设计齿轮齿条的选择是 根据升降机构的快速响应性和发球高度的变化来决定的 采用 3Ocm 长 齿顶高 ha 1 齿根高 hf 1 25 齿高 h 2 25 齿距 P 3 14 的较高精度齿条 图 3 6 高度调整机构 3 2 53 2 5 横摆机构横摆机构 如图 3 7 横摆机构中 齿轮由步进电动机带动转动 电机固定在发球口支架下端 与其啮合的半齿轮盘固定于可上下移动的的送球管道上 当其转动时 即可实现发球 24 机构的水平方向的左右摆动 控制步进电动机的角位移和转速即可控制出球管道的摆 动角度和速度 图 3 7 横摆机构 3 2 63 2 6 纵摆机构纵摆机构 如图 3 8 该机构的作用是带动发射装置实现上下的摆动 从而使发球口与水平方 向的夹角发生变化 同时要求这种变化可控制 由电机直接带动发球口在竖直方向的 角度变化 图 3 8 纵摆机构 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 25 3 2 73 2 7 发球机构发球机构 发球机构如图 3 9 所示 操纵发球机构和摇摆机构 可以调整发球口有不同的倾 角 能实现乒乓球落到不同的前后落点 而发球机构中的发射轮 有电动机带动高速 旋转 当乒乓球进入发球机构 与摩擦轮接触时 摩擦轮作用在乒乓球上 将乒乓球 从发射口快速射出 为改变原发球机只能发射上旋球的缺点 该发球机的发射装置设 计为由两个摩擦轮组成 分别由两个直流电动机来带动 当两摩擦轮的速度不同时 即可发射不同旋转速度的上旋球或下旋球 两轮的速度相同时 即可发射不旋球 通 过调节电动机的转速即可调节球的初速度 图 3 9 发球机构 3 33 3 乒乓球发球机的电动机选择乒乓球发球机的电动机选择 从乒乓球发球机的发球设计原理可知 乒乓球发球机的机械运动主要是由电动机 来提供动力源 因此电动机的选择在本设计中非常重要 电动机选择的技术指标包括 l 容易控制 可控性好 2 控制精度高 3 直线运动的步进电动机功率要大 速度 要快 4 控制供球频率的电动机力矩要大 稳定性要好 5 防震和防干扰性能要好 6 体积小 质量轻 减小机身体积和支架支撑重量 等 所以 乒乓球发球机的各 个机构的电动机均选取微型电机的型号 26 发球口带动摩擦轮的高速电机的确定 由第二部分资料知乒乓球发出的飞行速度 应小于 vsm 20 所以可知 由 乒乓球橡皮轮 rr v n 2 可知 2 乒乓球橡皮轮 rr v n 代入已知值 得 min r75 2729 04 0 03 0 2 6020 n 所以综上所述 根据相关资料 高速电机应选择额定转速为 额定功min 3000r 率为 P 25W 额定电流为 0 27A 单相电压为 220V 的微型直流电机 横摆机构以及纵摆机构的两个步进电动机的参数选择为 四相步进电动机 其保持 转矩为 0 13N m 转动惯量 0 03 功率为 P 55W 额定电流为 1 T M J 4 10 I 0 75A 电源输入为 U 100V 带动高度调整机构的步进电动机的参数选择为 四相步进电动机 其保持转矩为 0 16N m 转动惯量 0 035 功率为 67W 额定电流为 0 75A 1 M J 4 10 电源输入为 U 100V 拨球机构和螺旋送球机构的直流电动机的参数为 额定功率为 P 15W 额定电流 为 I 0 19A 单相电压为 U 220V 额定转矩为 0 125N m 额定转速为 N T n 1200r min 各机构的电机都是选用三菱万宝至 mabuchi motor 微型电动机 a 微型直流电动机 RS 385SD b 微型步进电动机 FC 260SA 基于单片机的乒乓球发球机构设计及运动仿真 27 图 3 10 三菱万宝至 mabuchi motor 微型电动机 1 微型直流电机 RS 385SD OUTPUT 0 9W 40W APPROX WEIGHT 70g APPROX 图 3 11 三菱万宝至 mabuchi motor 微型直流电动机 RS 385SD 2 微型步进电机 FC 260SA OUTPUT 0 4W 17W APPROX WEIGHT 28g APPROX 图 3 12 三菱万宝至 mabuchi motor 微型步进电动机 FC 260SA 3 43 4 本章小结本章小结 本章通过对目前市场乒乓球发球机的原理分析 对简易乒乓球发球机进行设计 同时对其整体机械机构设计作了详细的说明 对其相应具有的功能也做了详细的介绍 简易乒乓球发球机与现有的发球机相比 其不同之处在于其结构简单 也能实现控制 乒乓球的球速和发球频率 有效地作到了按人的各种速度需求来制定相应的方案 发 28 出满足各种需求的球 并力求物廉价美 4 4 乒乓球发球机控制系统设计乒乓球发球机控制系统设计 为使乒乓球发球机能够比较完善的实现依靠自身的控制系统自动控制的功能 在 对现行乒乓球发球机市场的乒乓球发球机的控制系统的分析研究的基础上 对本毕业 设计的乒乓球发球机的控制系统的设计功能主要包括 控制发球机的输送机构以不同 频率供球 控制发射机构实现各种球类的发射 控制摇摆机构实现各种摆动动作 控 制高度调整机构实现上下移动发球高度的变化 以及控制其它辅助设备工作等 4 14 1 控制系统总体设计控制系统总体设计 本次毕业设计的乒乓球发球机的控制器采用美国 ATMEL 公司的 8 位单片机 89C51 为核心微处理器 外围扩展电路包括 电动机驱动电路 电动机转速测量电路 键盘和 液晶显示电路 核心微处理器对传感器采集的转速信号进行分析 计算出与给定转速 的误差值 启动软件算法调节器 产生输出信号经过驱动电路送给直流电动机 通过 对直流电动机的调节实现对速度的闭环控制 同时驱动各步进电动机执行相关动作 通过键盘可以选择发球模式 以及设置发球速度 方向等 液