网球自动捡球机设计（全套CAD图纸+设计说明书+翻译）
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网球
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摘 要
随着网球运动的不断普及，越来越多的网球爱好者开始投身于网球锻炼中来，而在网球训练时，网球的使用量非常大，频繁捡起随机散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作，且不是每个人都能像专业网球运动员一样拥有属于自己的球童，因此高效的自动捡球机会为训练者们提供便利，节省时间。本课题研究目的在于设计一款网球自动捡球机，使其具有高效和不遗漏的特点，并尽可能解决卡球、伤球的问题。本次设计完成了捡球机机械系统运动方案设计，零部件的设计计算和分析，以及三维图和二维图纸的绘制，最终完成了网球自动捡球机的整体机构的设计。
关键词：捡球机构；驱动系统；控制系统
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本科毕业设计任务书 设计题目 网球自动捡球机设计 院（系、中心） 工程学院机电 工程系 专 业 机械设计制造 及其自动化 年 级 2011 选题来源 科研 课题 纵向课题（ ） 选题类型 理论研究（ ） 横向课题（ ） 教师自拟课题（） 应用基础研究（） 学生自拟课题（ ） 技术或工程开发（） 设计的基本构思和基本任务： 网球运动正在全世界范围内得到越来越多的关注和喜爱，但是网球爱好者，特别是运动员在进行网球训练的时候，要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作。具有高 效、全自动捡球功能的机器可广泛应用于各种类型的网球练习场地，为人们进行网球训练提供便利和节省时间。 本项设计主要目的是开发一种 网球自动 捡球机，解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并同时具有高效率和无遗漏的特点。 基本任务： 查阅相关的文献资料，搜集、整理基础数据； 完成 对 捡球机机械系统运动 方案设计 ； 完成 总体 结构 设计， 以及所有 有零 部 件的选取； 完成装配图、 主要零 部 件的 纸绘制； 撰写毕业设计说明书。 目前的基础（包括资料收集情况、前期工作情况等） 学习了 机械设计、机械原理 等相关专业课程，掌握机械的的组成，掌握一般机械的基本结构和设计方法。 已收集整理了 网球捡球机 的相关文献，机械设计手册等参考资料。 设计进度安排 阅相关资料，撰写文献综述，翻译外文资料， 完成开题报告的拟写； 成捡球机机械系统运动方案设计； 球机的总体结构设计和标准件选型； 成捡球机装配图和主要零部件图的绘制； 月底 撰写毕业论文 。 论文起止时间：自 年 月 日起 年 月 日止 学生（签名）： 指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）： 注：表格不够可另附页 本科毕业 设计 开题报告 题 目 网球自动捡球机设计 1 一、 选题 依据 课题来源、选题依据和背景情况 ； 课题研究目的、 学术价值或 实际应用价值 1、 课题来源、选题依据和背景情况。 本课题为教师自拟课题 。 根据 国际机器人联合会 (ob 布的 2014 年服务机器人研究报告， 2013 年个人和 家用服务机器人销量大约为四百万台，比 2012 年增长 28%，市场规模约为 17 亿美元。据估计，将有 3100万台个人服务机器人于 2014 至 2017 年之间售出，这也就意味着服务机器人在这一领域将有持续而强劲的增长。 可见机器人将越来越多的走进日常生活当中，而 网球运动正在全世界范围内得到越来越多的关注和喜爱，但是网球爱好者，特别是运动员在进行网球训练的时候，要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力 的工作，每个人都不可能像专业运动员一样拥有自己的球童，而 具有高效、全自动捡球功能的机器可广泛应用于各种类型的网球练习场地，为人们进行网球训练提供便利和节省时间。 因此网球训练迫切地需求自动捡球机器人来辅助。 2、 课题研究目的、 实际应用价值 据中国 网球协会官方最新数据统计，到 2008 年，凭借郑洁温网杀入四强和李娜的奥运会四强，国人网球热情空前高涨。中国网球人口已突破 800 万。而随着李娜法网捧杯， 网甚至认为，李娜的大满贯冠军将为中国增加 3 亿网球人口。由此可分析，我国的网球运动必将蒸蒸日上，市场上对网球捡球机的需求也会直线增加。 本课题的主要研究目的是本项设计主要目的是开发一种网球自动捡球机，解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并同时具有高效率和无遗漏的特点。 二、文献综述 国内外研究现状、发展动态；查 阅 的 主要 文献 国内外研究现 状、发展动态 随着网球这种高强度远动的普及，越来越多的人参与其中，但对于普通运动者来说，不可能有球童负责为其捡球，遍布全场的网球拣起来实在是件累人、费时的事， 针对这一现状 ， 网球场捡球机器人应运而生 1。 目前网球捡球机构较少，较为经济的网球捡球机多以人工操作为主，又有圆筒式、滚筒网状式和篮筐式等用弹性条状材料制作，其间距略小于网球直径，用力压下或者滚过球身时将球压进筒或筐中。 网球筐和网球筒是早期提出的方案，有的机构已经做出了产品。这类机构一般都十分简练实用，但效率一般较低，人工参与的比较多。 市场上已经存 在不同 2 种类的网球捡球篮 (如图 1、 图 2 所示 )和捡球筒 (如图 3、图 4 所示 )，都是通过人工操作实现的。但是这种捡球机构不能适应网球的直径变化；可能出现“卡球”现象；对网球的伤害较大，减少了网球的使用寿命；不能够捡拾网球场边缘的网球，而且对网球场地有一定的损伤。 图 1 网球筐 1 图 2 网球筐 2 图 3 捡球筒 1 图 4 捡球筒 2 3 网球捡球筒的结构更为简单， 主要由收集筒、手柄和进口阀弹簧组成。收集筒用于存储收集到的网球；手柄便于操作；而进口阀弹簧保证了网球的单向通过，使已经捡起的网球不会掉落。这种捡 球机构简单方便，成本低， 但存在不少缺点。与网球筐一样 ，对网球伤害较大；捡球时作用相对较少，需要人工寻找对准网球，实际上只是减少一个弯腰的动作；效率极低，一次只能捡一个球，存储球的数量也十分有限；随着捡球数量的增加，捡球难度也增大 2。 目前市场上 还 出现了一类 手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式， 需要有人操作。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙， 既浪费 空间，又影响训练人员打球， 还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪 费了不必要的时间与体力。而且，此类捡球车只适用于地上球较多的情况， 它的适用环境较局 限 4。 图 5 是一种自动网球捡球机， 该 遥控自动 网球拾球机主要组成包括车体、拾球滚筒、储球箱、驱动轮、万向轮、传动齿轮组、传感器、电路板、电池和拉杆式推把等部件 。 其工作原理为： 采用后轮驱动，左、右驱动轮由两个电动机分别带动，前轮是万向轮， 起支撑的作用，共同实现拾球机前进、转弯及后退等动作。万向轮转动时通过传动齿轮组带动拾球滚筒 5，传动齿轮组与万向轮之间是采用单向推力轴承联接， 保证了拾球滚筒在前进时转动而自动拾球 , 而在后退时停转以防止滚 筒反转将网球带出箱外 6。 拾到的网球暂时存放在储球箱中，储球箱设计为抽屉式结构，可随时安放和取出。拉杆式推 把可根据拾球人员身高图 5 自动网球捡球机 4 的变化而相应地调节长度，推把长度的范围在 70 120结构非常灵活。结构设计考虑到传感器的安装， 用于避障检测用的两对红外反射式传感器分别安装在前面左、右两端，三对红外对射式传感 器安装在储球箱的上部内侧。电路板和电池是拾球机的控制系统，控制着其他部件的动作 4。 目前 较先进的拾球器是全自动拾球机，采用机械臂和图象识别等高科技，不需人工操作，可以完全自动拾球，但效率低，每次只能拾起一个球，且结构非常复杂， 成本相当高，不容易推广 3。 国外的自动捡球机构也较少 ,大部分常见的都是 半自动人工参与 的 ,如 图 6,7均为手动式捡球机 7,8， 这两款捡球机与上述国内捡球机比较类似，纯手动操控，机构简单，操作方便，价格低廉，但人性化不足。 图 6 国外捡球机 1 图 7 国外捡球机 2 图 8 国外 捡球机 3 图 9 国外捡球机 4 5 图 8 和图 9 为国外的半自动捡球机 10,11，其结构复杂，造价成本高，体积较大，占空间，操作简单，捡球效率高，但不能自主完成捡球过程，需要人的辅助，综合来说需要改进的部分较多。 除此之外 ， 关于乒乓球捡球机的研究也比较多 ， 由于乒乓球与网球结构上比较相似，同时 为了拓展视野，我也对 乒乓球捡球机进行了相关的调研。 乒乓球的直径为 40量为 有体积小、质量轻的特点，特别适合吸力装置吸取。风扇在转动时，抽风的一端会形成负压 ;如果将一个管道与风扇的抽风面相连接，则在风扇的作用下，管道内的气压将小于管道外的大气压， 管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里 11。 利用这个原理制作的捡乒乓球机如 图 10 所示。 再有一种就是“收割式”捡球机， 该方案捡球效果好且设计与制造方便，机械传动链少，造价低。 其设计图如图 11 所示。 其工作原理为：人手握可调节的推杆以正常行走速度向有散落乒乓球的区域走动，带动捡球机的驱动轮转动，驱动轮又带动叶轮转臂转动，通过叶轮齿片将乒乓球划入捡球机内，过挡球板，进入可方便拆卸的储球盒内，实现了散落满地乒乓球的捡拾工作 12。 图 10 乒乓球捡球机器人 1 6 相对于体积小，质量轻的乒乓球，高尔夫球与网球更为接近，在此，我还查找了有关高尔夫球捡球机的相关资料。 由于高尔夫球场面积广，对捡球机器人的需求并不高，因此只有较为简单的捡球装置 ，如 图 12 所示 13： 网球捡球机的需求量很大，国内外相关设计也不少。本 设计主要 工作是通过图 11 乒乓球捡球机 2 图 12 高尔夫捡球器 7 对不同捡球机功能、特点、和相关参数进行分析后，得到设计捡球机的关键技术问题，从而对现有的设计方法加以改进，设计出一种更加高效、智能、防卡球现象的自动捡球机。 参考文献 1 席泽生 . 网球场捡球机器人系统设计 J2012,41(2):1402 韩良 ， 王德彬 ， 龚焕 J 2011， 2:493 吕腾飞 ， 陆丽等 J4 卢飞跃 ， 刘志锋 J程技术 ， 2010,39(06):865 王侃 ， 杨秀梅 A 2006 6 胡利永 ， 章磊 ， 郑堤 ， 等 J 2009,26(10):967 S 20020151390A1,002 8 002 9 S 20140294547014 10 014 11 许东伟 ， 刘建群 ， 林 淦 J2014,42(3):1612 朱建 ， 安必胜 ， 朱向楠 J2011,8(1):3413 007 8 三、研究内容 1 学术构想与思路 ； 主要研究内容及拟解决的关键 问题（或 技术 ） 随着我国网球运动的不断普及 ， 越来越多的人开始参与到其中， 网球训练中网球的使用数量会很多，基本上会布满整个网球场，这时捡球便成为一件令人头疼的事，因此设计一款结构简单，价格实惠，能够快速捡起网球的网球机器人的需求也日益增长。 本课题的主要 研究 内容 ： 设计一款 高效的网球自动捡球机 ，解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象， 并 具有高 效率和无遗漏的特点 。 拟解决的关键问题有 ： （ 1） 捡球方式的选择 ； （ 2） 传动方式的选择 ； （ 3） 行走速度分析 ； （ 4） 球道数选择 。 2 拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 研究方法 ： 利用文献调研和市场调查 对市场上已有产品进行 分析，比选实现本课题目标的最佳技术途径和机械机构方案，以此为基础，完成零件和整机的 图纸设计 。 技术路线： 确立设计背景 专利检索 市场调研 期刊检索 初步设计 修改完善 原理设计 强度校核 结构草图 零件图 装配图 设计说明 书 9 实施方案 ： （ 1） 查阅相关的文献资料 ， 了解相关设计方案及原理； （ 2） 捡球机机械系统运动方案设计 ； （ 3） 捡球机零部件 参数计 算 ， 以及 选取 ； （ 4） 捡球机三维图及二维 纸绘制； （ 5） 撰写毕业论文。 可行性分析 ： 目前关于网球捡球机的研究也很多，这些研究做出的捡球机均可以实现，并可以轻松完成捡球任务，因此只要参照现有的设计方案的原理以及结构形式，并加以计算、改进，一套可行的新的设计方案是 完全 可以实现的。 四、论文 （设计） 进度 安排 起止时间 主要内容 预期目标 5 月底 查阅相关资料，撰写文献综述，翻译外文资料， 完成开题报告的撰写 完成 捡球机机械系统运动方案设计 捡球机的总体结构设计和标准件选型 完成捡球机装配图和主要零部件图的绘 制 撰写毕业论文 了解现有网球捡球机构造，和国内外发展现状 完成初步方案设计 完成 结构草图设计 完成装配图和零件图 完成整个毕业设计 10 五、 审 核 意见 导师意见 导师签字 : 年 月 日 审核小组意见 审核小组成员签字： 年 月 日 41 ( 2012 ) 1072 1078 1877 2012 012 (012) b,86400 n of a of a of a A to do be by S2 It a to of is be to as be of in to of is to as or in 2012 or of S2 560. 1. to to In be a as a or to to of in of 1it be to be by as to to to do a be to do is to it a to 2. to be F to is a to 3. of be in is by * +60167585859. at C C et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 2. is a to a of a by as in an or 4of be to a 5. of of is it is to be to as on be or be to a of be or be or in 6n to be S2 of is . 1: of of is to of to is as as to in : S2 of a) b) c) of 1074 et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 (a) (b) (c) 2: a) b) c) as is to it is it is is of of as it 28 x 15.5 x cm is as (c). is as it is to be to (a) b) by CB to (a) (b) 3: a) b) is a of of a In is in to x is a + a is DE x in to It is to it an as to x p: To is is x be to of an to 1075 et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 560 4: 560. 560 as is a on It 4 of 4 be WM 16 4 a 16 a a a It to it to a a or it an to or to (5: S2 as to of In an to it a It to x 4. 6: a of of 29 X 19 X cm of 1076 et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 of up of is 7: of is it of of in : V)s) m/s) 1 9 8 7 6 It if is it to V is no it be 3600 is to of of he is . is in It of of (a) (b) 8: a) b) on of If of it of in be by is a be by is 1077 et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 : be by g) 50 00 150 00 S2 be to be by S2 In of is 4 in up is (a) of on b) ED on in (a) (b) 9: (a) b) on of is 45If of be : m) x o o of is a to of be by S2 0 of 0 is (a) (b) (c) 10: (a) 180 (b) 90 c) 0 1078 et / 41 ( 2012 ) 1072 1078 in as . : in 9V (n, ED up is 2 9V (is Rx x be an 5V) to as 3 12V/h (be in 90 is x, be to as , be to 2V V it By a to 5. of of it is is to as of be is to as or in 6. as be a to at s be so it do he to r. an to to 1R. C. , K. L. A 2, 2003, 2399. 22005). 3. 2002). “ 45of 1968. 6D. A 71996, 无线可移动机械臂 摘要 最近几年，随着无线应用的广泛使用，对一个能够轻松连接远距离数据传输设备无需电缆的系统的需求也日益增长。这篇论文讲述了无线可移动机械臂的发展状况。 这是一个能做到捡起、放下运算并可以用无线 柄控制的可移动机器人。它可以根据控制器的指令进行一定距离的前进、后退、左转和右转。 这种机器人的开发 基于 台 ， 这个平台可以将无线控制器与可移动机械臂连接起来 。 为了了解机械臂的表现，我们分析了机械臂的速度、行程以及承载能力。 最终，这个机器人的原型有望解决一些像放置或拿起远离使用者的物体以及以最快速简单的方式放置或拿起有危险的物体的问题。 如今，机器人取代人类广泛地被整合到工作任务中，尤其是在反复作业中。总体来说机器人学可以分为两类：工业机器人和服务机器人。国际机器人联合会这样定义服务机器人：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。目前移动机器人被 应用于许多领域包括办公，军事任务，医院手术，危险的环境和农业 1。 除此之外 ， 工人们在捡起和放置一些可能对他们有影响的东西时会有一些困难 。例如，一些人类不能触摸的化学药品，军事上拆出炸弹时需要机器人来取放炸弹，用户在坐着的时候需要机器人来帮忙取放物品等。因此，一些机器人可以取代人类来做一些工作。 无线控制的机器人可以保证其 远离用户工作。例如，过去的无线电自主导航机器人项目就跟这个项目类似 2。这个机器人在物理上适合无线电工作。 除了无线电控制之外，蓝牙也是一个无线传输控制机器人的可用平台 3。机器人的动作通过蓝牙连接远程控制。对这个项目来说，这个机器人在各个方向（前，后，左，右）都能实现运动。 机械臂是通常一种可编程的，跟人的手臂有着相似功能的拟人机操作手。 这样一个操纵器的连接部分由一些允许回转运动（例如在一个铰链式机器人中）或者平移（线性）运动的接头组成 4。 操纵器的连接部分可以形成一个运动链 5。操纵器运动链起作用的一端被称为末端执行器，它与人手类似。 末端执行器被设计用来完成想要完成的任务，例如：焊接，夹紧，旋转等，这取决于应用。 机械臂可以自动或者被人工控制来高精 度的完成一系列任务。 机械臂可以是固定的，也可以是可以动的（例如，带轮子的），可以应用在工业领域，也可以家庭服务。无线可移动机器人也已经发展了好多年 6。 目概览 在这个项目中， 软硬件相结合会使系统变得可靠。 成为机器人的接口 ，无线 柄会控制机器人的运动。项目概览如图 1 所示： 统架构 表 1 列出了无线可移动机械手臂的项目规范。 制作这个规范的主要目的是列出这个项目的一些重要部分和确保这个项目可行并且适合在市场上使用。 械设计 图 2 列举了一些机器人的设计，有（ a）主体结构手臂机器人，（ b）手臂机器人设计，（ c）移动搬运手臂机器人。机械手臂主要有基座、肩膀、肘部、腕部和爪子等五部分组成。 对机械手来说 ，像支架、 U 型架等伺服机构被用来放置马达的，都是用铝来制作的，因为铝很轻。爪子部分也是用铝做的，因为它和机械手主体框架结构相似。 正如图 2（ c）所示，移动机器人的外形尺寸为：长 28 动机械手臂的主要材料是 亚克力板，因为它易成型，价格低，坚固并能够承受马达的重量和运转。 路设计 图 3（ a）是使用 拟的马达驱动移动机器人的电路设计，图 3（ b）表示通过使用 师软件，每一个电子元件都被特定安排来为 造空间 。 件研发 软件是一套程序 、 规程 、 算法和与数据处理系统相关的文档 。在这个案例中需要软件来完成项目的任务。 成开发环境 ： 件 使用一种与 C+相似、只有轻微的简化和修改的线基语言和一种过程基础的完整开发环境为基础。 专业版 ： 这 个软件仅仅被用来设计移动机械臂的马达驱动电路。因为为了使机械臂能够实现前进、后退、左转和右转，需要像继电器和晶体管之类的电子元件来实现。 谷歌 p:整个 项目被分成了两个设计部分 。一部分是机械臂，另一部分是移动机器人。 个 软件可以用来创造和设计接线板里的电子设备的安放 。由于使用的电子元件少，这个项目会用单层的接线板。 560 正如图 4 所示， 560 是一块基于 片机板 。它具有 54 个输入输出接口，包括 14 个 出， 16 个模拟输入， 4 个 通用异步收发器（硬件串行端口）1 个 16晶体振荡器， 1 个 口， 1 个电源插口， 1 个 头， 1 个重置按钮。它包含了用来支持单片机所需的所有东西；可以用一条 接线轻松的将其连接到电脑上且可以用交流电转直流电的电源适配器或电池来供电。 尼 线手柄 这个项目所使用的 线手柄如图 5 所示，使用手柄可以了控制包括爪子和可移动机械臂在内的伺服系统运动。另外，无线手柄相比有线来说有一个优势，因为它可以无线地与机器人交流。手 柄的频率为 带有振动反馈。它的发射器和接收器可以分离操作。手柄使用的电源是两节 3 号电池。 成机器人设计 图 6 展示了无线移动机械臂的完整机械结构。量为 线移动机械臂的分析 图 7 展示的是移动机器人的轮子的运动。机器人可以前进、后退、右转和左转。当按下手柄的按钮时， 会点亮。 输入的电源供应对移动机器人来说是很重要的，因为它可以控制伺服电动机的速度。因此表 2 展示了机器人在不同电压供给下 行走一米的分析。 正如表格所示，电压降低，机器人行走一米的时间会延长。但是，当供给电压为 6V 时，移动机器人会停止运动。因此可以得到结论，移动机器人的电压供给与运行速度成反比。 械臂的运作 图 8 列举了移动机器人的工作场所。机器人的工作场所在一个旋转控制器中。 它包含了代表自由度的轴。对这个项目来说，机器人有 4 个自由度 机械手臂的承载能力取决于伺服电动机的力量。如果载荷超过了伺服电机的力量，会造成伺服电机不工作，和更多的电流消耗。表 3 展示了机械臂的不同载重量。由于只是原型设计，机械臂的载重量非常小。 线 柄的应用 无线移动机械臂可以移动，并可以用 线手柄来控制。在这个项目中，机器人的原型随着手柄的按钮同时动作。 14 个 对应着手柄的按钮，按下按钮灯就会亮。图 9（ a）展示了基于编程代码的手柄导航， 9（ b）展示了每一个按钮所代表的 。 手柄的频率为 线频率，最大操作距离为 8 米， 45 度。如果手柄的电池电量降低，信号强度也会降低。因此接收器和发射器之间的连接就会断开。表 4 展示了机器人的有效工 作距离。 服电动机的分析 伺服电机是三线输出的。其中两个是电源和接地接口，另外一个是对马达进行位置反馈的。 线手柄会控制伺服电机的定位。机器人的首要位置是伺服电机的 90 度位置。图 10 展示的是不同的脉冲宽度进入伺服电机的信号线时的不同位置角度。 路分析 正如图 5 所示，这个项目所有的电路将有 3 种电源供给。 对电源供应 3 来说， 调节电压为 6V12V，因为这是给私服系统供电的最大电压。相比锂电池来说，使用可充电且电压高的铅酸电池，可以使伺服电动机正常工作。 总的来说， 这个项目的目标都已经实现：开发出了无线移动机械臂的软件和硬件，实现了取放物体的系统操作，测试机器人满足目标标准。从已做的分析可以看出，机器人的运动是精确的，易操作的且用户友好的。 机器人的动作（包括移动和机械臂部分可以被无线控制）表明了移动机器人的成功研发。 这个机器人的原型有望解决一些像放置或拿起远离使用者的物体以及以最快速简单的方式放置或拿起有危险的物体的问题。 总体来说，机器人程序运作的像计划一样顺畅。对以后的建议是，希望机器人可以安卓一个摄像头来观察并在显示屏上显示。除此 之外，机器人原型的材料也可以升级一下，这样机器人的承载能力就会加强且可以做多功能操作。 感谢项目管理员 也感谢共事的朋友们在项目期间提供的帮助以及在遇到问题时他们的宝贵想法。 参考文献 1A 2, 2003, 2399. 22005). *3+. 2002). “ 45of 1968. 6D. A 730, 1996, 网球自动捡球机设计 辩 本科毕业设计 毕业 答辩 目录 设计参数 方案设计 1 2 3 4 本科毕业设计毕业答辩 研究背景和内容 5 设计计算 行走方案 6 总结 本科毕业设计毕业答辩 研究背景 网球训练 本科毕业设计毕业答辩 研究内容 设计一款网球捡球机，解决同类产品的中可能出现的卡球和伤 球 现象，并 具有高效率和无遗漏的特点。 本科毕业设计毕业答辩 设计参数 本科毕业设计毕业答辩 初始方案 方案设计 原理示意图 三维建模 可伸缩手推杆 车身 扇叶 同步带 存在主要问题 动化 本科毕业设计 毕业 答辩 最终方案 3 2 1 4 5 1 网球； 2 球道； 3 同步带带轮； 4 拨板； 5 同步带 本科毕业设计 毕业 答辩 三维建模 捡球机构 直流电机 步进 电机 联轴器 万向轮 收集装置 本科毕业设计 毕业 答辩 设计依据：捡球数量 100个 球篮主要参数： 长 宽 高 =计计算 本科毕业设计 毕业 答辩 结合网球的直径以及机械设计手册，选定的同步带及带轮的主要参数为 1）选取带型 H， 带型 节距 2）带宽 3）带轮齿数 20，节径 4）拨板的距离 250 本科毕业设计 毕业 答辩 设计依据：场地网球的主要分布情况及网球的直径 = = 402 = 式中 ， 捡球机在单位时间里遇到网球的数量，个 /s； 区域内网球的数量，个； A 该区域的面积， 2； v 捡球机的行走速度， m/s； d 捡球机的捡球宽度， m。 因此设定球道数为 3，球道宽 77科毕业设计 毕业 答辩 球道的三维模型 本科毕业设计 毕业 答辩 负载主要包括：网球的重量；同步带的重量；同步带轮的质量 经计算负载的总质量为 需电机功率为 扭矩为 m 最终 选取的电机为东莞市威邦机电有限公司生产的直流电机，所选电机的型号为： 4主要参数为 选择减速比为 50的齿轮箱 本科毕业设计 毕业 答辩 = 0 113 = 112 确定最小直径 具体计算过程见论文 本科毕业设计 毕业 答辩 弯矩、扭矩的主要计算值 本科毕业设计 毕业 答辩 载荷分析图 按照弯扭合成应力计算得 = 2 +()2= (足要求 本科毕业设计 毕业 答辩 经计算，车轮的转速为 175r/擦转矩为 2Nm，因此最终选取的驱动电机为常州康达通用电气有限公司生产的 86精密行星减速 步进电机，其主要参数为 本科毕业设计 毕业 答辩 主要标准件的选取 深沟球轴承 61801 母 本科毕业设计 毕业 答辩 行走方案 本科毕业设计 毕业 答辩 总结 机机械系统运动 方案设计 机零部件参数计算，以及 选取 机三维图及二维 制 业论文 请各位老师批评指正！ 本科毕业设计 毕业 答辩 谢谢！ 本 科 毕 业 设 计 网球自动捡球机设计 I 要 随着网球运动的不断普及 ，越来越多的网球爱好者开始投身于网球锻炼中 来，而在网球训练时，网球的使用量非常大， 频繁捡起随机散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作， 且不是每个人都 能像专业网球运动员一样拥有属于自己的球童，因此高效的自动捡球机会为训练者们提供便利，节省时间。本课题研究目的在于 设计一款网球自动 捡球机，使其具有高效和不遗漏的特点，并尽可能解决卡球、伤球的问题 。本次设计完成了 捡球机机械系统运动方案设计 ，零部件的设计计算和分析，以及三 维图和二维图纸的绘制，最终完成了网球自动捡球机的整体机构的设计 。 关键词： 捡球机构；驱动系统 ；控制系统 of a of to in of is its a to up in a so of is to a of of of of of to up 录 1 绪论 . 1 题的研究背景 . 1 内外研究现状 . 1 章小结 . 4 2 总体方案设计 . 5 计要求 . 5 键问题 . 5 案的选择和确定 . 5 体方案三维图 . 7 章小结 . 8 3 机械结构及零部件的设计与校核 . 9 球篮的尺寸 . 9 球机行走速度的计算 . 10 步带的设计 . 11 道的设计 . 12 球机同步带电机的选择 . 13 步带轴的设计与校核 . 15 轴上的功率 1、转速 1和转矩 1 . 15 步确定轴的最小直径 . 16 的结构设计 . 16 算轴上的载荷 . 18 照弯扭合成应力校核轴的强度 . 19 轮的选择 . 19 动原动机的选择 . 20 轮轴的设计与校核 . 21 定轴的最小直径 . 21 的结构设计 . 21 V 的校核 . 22 章小结 . 23 4 自动控制系统设计 . 24 进方案的确定 . 24 片机的选用 . 25 章小结 . 25 总结与展望 . 26 总结 . 26 展望 . 26 参考文献 . 27 致谢 . 29 1 绪论 1 1 绪论 题 的研究 背景 根据 国际机器人联合会（ 2014 年发布的服务机器人研究报告， 2013 年个人和家用服务机器人的销量在全球范围内大约为四百万台， 相 比 2012 年 同比 增长 28%，粗略统计 市场规模约为 17 亿美元 ，据估计，未来 2014到 2017 年之间 将 会 有 3100 万台个人服务机器人 售出 1。 这也就意味着在 服务机器人 领域将 会 有持续而强劲的增长 ，服务 机器人将越来越多的走进 人们 日常生活当中 。 根据 中国网球协会官方最新数据统计，到 2008 年，凭借 着 郑洁温网杀入四强和李娜的奥运会四强，国人网球热情空前高涨。 据统计，目前 中国网球人口 现已经 突破 900 万。而随着李娜 在 法网 和澳网 夺冠 ， 国际女子职业网联（ s 官网甚至认为，李娜的大满贯冠军将为中国增加 3 亿网球人口 2。 网球作为世界第二大球类运动 ， 正在受到越来越多人的关注和喜爱 ， 网球爱好者在进行网球训练过程中，网球的使用数量巨大，短时间内需要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作，而每个人不会像专业运动员一样拥有自己的球童，因此网球训练亟需自动捡球机器人来辅助，为每位网球爱好者提供便利，节省时间。 内外研究现状 目前 市场上的 网球捡球机构 比 较少，较为经济 、方便的网球捡球机构 大 多以人工操作为主。 网球筐是目前市场上最为常见 的 产品 方案 ， 如图 11示 ，其工作原理很简单，用力下压将球挤进球 篮里，球篮网格的尺寸相比网球略小，保证网球进入球篮之后不会掉落，同时在不捡球时，可以将支架倒转 使其站立，辅助网球训练， 其 结构简单，操作方便，价格便宜 。 毕业设计 2 另外一种与网球篮的工作原理比较相似 的网球捡球机构是网球筒， 如图 113， 其结构相比网球篮更加简单，主要由球筒、手柄和收球部分组成。 挤压将球收进球筒之后，单向通过的收球装置，保证网球不会掉落。 以上两种捡球机构的主要优势 是结构简单，造价低，使用方便，但也存在较多的缺点，捡球过程中对网球的损伤较大，且容易卡球，需要人工寻找并对准网球，效率低，且 一次只能捡一个球，同时网球筒一次捡球数量很小， 当网球数量较多时，捡球难度会大大 增加。 综合来看 ， 网球篮和网球筒相对比较原始 ， 由于 成本低 ， 适用于网球较少 的训练场景 ，但是与今后网球捡球机构的发展趋势不符，具有明显的局限性。 图 1球篮 图 1球篮 图 1球 筒 图 1球筒 1 绪论 3 目前市场上还出现了一类手推式网球捡球车，如图 1示 。 这种捡球机的主要特点是：可伸缩球篮架，可循环换篮，拾球数量 没有限制； 轮子采用高级耐磨 料，不伤网球场 ；捡球直径可以达到 100。 其主要工作原理是人推动小车前进 ， 球顺着球道进入轮子之间 ， 轮子的摩擦力将球夹住 ， 带入球篮之中 ， 这种捡球车页存在不少的缺点 ： 需要人工操作 ，捡球过程容易对球产生损伤 ，且价格偏高，普通人消费不起 。 国外的 与 网球捡球机的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是设计专利，如图 11示 5,6。 其中 ， 图 1一款与网球篮相似的网球捡球机构 ， 使用时操作者握住手柄 ， 推动捡球机前进 ， 同时将球卡进中间的球篮 ， 其结构同样简单 ， 但是效率低下 ， 且容易漏球 。 图 1力 网球捡球机 1外 网球捡球机专利 图 1外 网球捡球机专利 毕业设计 4 图 1一款 自动网球捡球机 ，这款网球捡球机基本实现了全自动捡网球，其主要捡球原理是：捡球机在前进过程中 ，网球累积在挡板上，挡板运动将球抬升进入后面的球筐里。这款网球捡球机存在着明显的设计缺陷， 因为在捡球过程中必然会出现 网球停在挡板下方的情况，这会导致 捡球机被卡住的情况，进而造成电机烧毁等严重后果。 章小结 本章主要讲述了文献检索之后的主要成果，对现有的捡球机机构进行查阅、分析，对目前存在的捡球机主要工作原理有了比较详细的了解，有助拓宽视野，发散思维，同时比较各种捡球方式的优缺点，利于之后的捡球机构的设计。 2 总体方案设计 5 2 总体方案设计 计要求 本课题的 主要设计要求是 设计一款高效的网球自 动捡球机，尽可能解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并使其具有 无遗漏的特点。 其主要设计参数如 表 2示 表 2计参数表 项目 指标 个 100 1000 键问题 （ 1） 捡球方式的选择； （ 2） 传动方式的选择； （ 3） 行走速度分析； （ 4） 球道数选择。 案的选择和确定 针对本课题，经过一段时间的查找资料，参考现有的相关设计， 首先提出的方案是利用智能机械手臂 实现捡球动作 ， 这种方案虽然原理简单，但是实现起来比较困难，对系统控制的要求高，机械结构的精度要求更高，且一次只能捡起一个球，效率很低，高额的成本也导致这种方案不适用于普通的网球训练， 因此机械手臂的方案得到否定。 其次提出的 捡球机构 方案如下图 2示 ， 其主要原理为 ： 捡球机 采用后轮驱动的方式 ，两个后轮分别用步进电机控制，便于控制车速，通过差速实现拐弯作业，前轮由轮轴连接，在捡球车前进过程中，后轮驱动前轮转动， 前轮轴上的同步带，可以带动扇叶转动，扇叶转动将到达车前的网球拨入后置的球篮里。 毕业设计 6 针对此方案 ， 进行了初步的设计与计算 ， 并绘制了三维图 ， 如图 2示 ，手柄 设计的出发点是手自一体化 ， 首先设计的是手动式，因此起初设计时并没有将后轮的步进电机加进去 。 此设计方案 ， 设计过程中 ， 也发现不少问题 ： （ 1） 转弯问题。起初在考虑后轮驱动，通过变速转弯时，没有考虑 前轮的转弯问题，由于两个前轮通过一根轮轴连接，因此当后轮差速拐弯时，前轮没办法 同时 跟着后轮转动，前轮的运动变成侧向滑动，摩擦力大，轻则损伤车轮，重则无法拐弯烧毁电机。 （ 2） 捡球数量问题。 由于捡球机构的限制，捡网球过程中网球的抬升高度无法很高，且为了提升装球数量，不得不把球篮做成斜坡形式，导致后面球篮很小，可以装球的数量无法达到预期的 100 个。 且网球提升过程中由于斜坡短，提升速度较快，网球可能飞出去。 由于各种缺点，此方案也得到了 否定。 最终，提出的设计方案如图 2示 ， 其主要工作原理为 ： 由电机驱动， 通过三个图 2叶式 捡球机构原理图 图 2叶式 捡球机 2 总体方案设计 7 图 2步带 加拨板原理图 大小相同的同步带带轮带动同步带转动， 在捡球机前进过程中， 同步带上的拨板将网球沿斜坡送入后置的球篮之中。 1 网球； 2 球道； 3 同步带带轮； 4 拨板； 5 同步带 本方案的设计由方案二演变而来 ， 两个同步带轮被三个同步带轮所替换 ， 带拨板的同步带替代了扇叶，使用电机带动同步带的主要目的是提高球道的高度，提高装球数量。 相比前两种方案 ， 本方案的优点是 ：结构相对简单，制造难度低；不会出现卡球、伤球的现象；可盛装网球数量大，可以满足捡球要求 。 体方案三维图 经过不断地设计计算，选取相应的 标准 零部件，并 进行其余零部件的设计绘图，最终得到捡球机的总体装配图如图 2示 。 从图中可以看出 ，车身前面的小车轮加支架为捡球机的收集装置，在捡球机前进过程中最大限度的收集网球，并将球引导进入球道，同时很好的避免了球在进入球道之前四处乱窜和不进入球道的问题，收集装置前方的车轮主要起导向作用，同时支撑收集装置支架，避免其发生形变。 1 3 2 4 5 毕业设计 8 图 2体方案三维建模 章小结 本章主要讲述的是捡球机捡球方案的确定过程 ， 经过不断地设计筛选 ， 最终确定了一套相对合理 ， 缺点少 ， 易于实现的方案 ， 为捡球机整体设计奠定了基础 。 3 机械结构及零部件的设计与校核 9 3 机械结构及零部件的设计与校核 球篮的尺寸 根据设计参数要求：一次捡球数量 100个。按照 标准网球的 直径 要求 100个 ， 因此捡球篮的实际体积应该大于最大容积 ， 参考 球道以及捡球车整体机架结构的设计，分别为长 ， 宽 ， 高 。 验算捡球篮能否满足一次捡球，可装球 100 个以上，实际捡球篮的容积为 V = 3 3 （ 3 式中 ， V 捡球篮的实际容积， 3； a 捡球篮的内部长度， m； b 捡球篮的内部宽度 ， m； h 捡球篮的内部高度， m。 因此满足条件 ，可以使用。 创建捡球篮的三维图如图 33示 ，其中图 3捡球篮的整体三维图，图3捡球篮顶部挂钩特写，考虑到捡球机捡球之后取球的便利，决定在捡球篮中放置球网，因此挂钩的作用为固定球网，同时利于球网的取出。 毕业设计 10 图 3球篮 三维图 图 3球篮特写 球机 行走速度 的 计算 标准网球场地的尺寸如 图 3示 ，由图中可以看出 网 球场的赛场 尺寸 而球场的总体尺寸为 据设计参数的要求一次捡球所需时间为 10虑到直线行走的速度会比转弯时的速度快，所以可以假定捡球机覆盖全场的直线距离行走时间为 5按照设计参数 要求，捡球机捡球范围 1000定其 所覆盖的捡球范围就 是 1000则粗略估计捡球机 的 行走速度为： v = = 0 （ 3 图 3准网球场地（单位： 式中， v 捡球机的行走速度， m/s； b 网球场地的宽度， m； t 捡球机走完覆盖全场直线距离所需时间， s； n 网球场地的长度， m； 3 机械结构及零部件的设计与校核 11 l 捡球机捡球的宽度， m。 考虑到实际情况 ， 将捡球机的行走速度初步设定为 s。 步带的设计 考虑到标准网球的最大直径 此球道的宽度 ， 根据现代机械设计手册（单行本）机械传动设计表 1，选取带宽代号 300，带宽 取带型 H，查表 1得知同步带的节距 虑到每秒钟遇到的球的数量约为三个，三个球在同一个球道的概率虽然很小但是需要考虑，三个网球的最大的宽度为3 因此设定同步带上拨板的距离为 250定同步带的带速为 250mm/s。 考虑到实际情况，本次设计选取的同步带是三个大小相同的同步带轮， 按照要求带轮齿数 z （ 带轮最小齿数），参照表 1假定带轮转速 1 2 +l = 100 = （ 3 毕业设计 12 式中， 1 同步带带轮的高度 ， d 同步带带轮的节径， l 同步带拨板的长度， 考虑到实际情况 ，同步带带厚等因素， 取同步带 最低带轮 的高度为 150 道的设计 按照设计参数设定 ， 一次捡球数量 100 个，假定网球练习者一次练习，发球数量100 个，考虑到实际情况，网前和边线处网球数量相对集中，在多数球过网的情况下，分布在边线处的网球数量相对更高，因此假定边线附近区域（ 2m网球的数量为 40 个，网前（ 4m数量为 20 个，其余 40 个网球随机分布在网球场地的其他区域。设定网球捡球机的捡球宽度为 1m，则捡球机在单位时间里遇到网球的数量为（按照网球最密集区域进行计算） = = 402 = / （ 3 式中 ， 捡球机在单位时间里遇到网球的数量，个 /s； 区域内网球的数量 ， 个 ； A 该区域的面积， 2； v 捡球机的行走速度， m/s； d 捡球机的捡球宽度， m。 根据上式计算的结果 ， 得到单位时间里捡球的个数 ，因此 设定捡球机的球道数 为 3。 考虑 到拨板的宽度为 以及安装偏差问题 ， 设定球道的宽度为 77球道的高度设定主要与 捡球篮的高度以及捡球机主体部分与地面高度相关，其相关的尺寸在二维图纸有详细表示，在这里不做赘述。 其最终的 三维建模如图 33示 ， 其中图 3球道的主体结构示意图，图3球道的固定装置的特写，由于球道为悬空状态，因此将其固定在捡球篮上，起到固定和支撑的作用。 3 机械结构及零部件的设计与校核 13 图 3道 三维图 图 3道 特写 球机同步带电机的选择 首先确定捡球机同步带的负载，其只要负载特性如下： 网球的重量 。 设计所得的球道的长度约为 470板的厚度 5及拨板之间的距离 250此同时最多存在两个拨板在球道上方，球道上最多存在 1 = 6个网球 ，单个网球的最大重 量 1 = ; 同步带的重量 。 同步带型号 H， 采取最常用材料 ， 其密度为 2 = /， 同步带的总长 2 = ， 同步带的数量为 2 = 3条 。同步带上的拨板材料与同步带材料相同， 每条同步带拨板的数量为 3 = 6个 ， 因此拨板的总长度为 3 = 6 = 。 同步带轮的质量 。同步带轮的材料是尼龙，使用 件 赋予模型尼龙材料，计算得到带轮的重量为 4 = 373/个 ，带轮的个数为 4 = 9 个 。 根据公式 计算同步带的负载为 m = 1 1 +2 2 2 +2 3 3 +4 4 = （ 3 同步带的速度为 v = s,因此可以求得电机的功率为 毕业设计 14 P = （ 3 式中， P 电动机的有效功率， W； F 电动机上作用的力， N； v 电动机的线速度。 因此，电动机的总功率 0为 0 = （ 3 式中 ， 电机的机械效率。 根据角速度和线速度的关系式 v = r， 推导得到带轮的角速度为 = = 103 / （ 3 式中 ， 同步带带轮的角速度 ， s； r 同步带带轮的节径， m。 而同步带带轮的转速为 60r/设带轮在 间内加速到60r/可以计算得到轴的角加速度为 = = = /2 （ 3 在这里可以将同步带带轮看成圆柱体 ，则可以计算得到扭矩 为 M = 22 式中， M 带轮的 扭矩 ， Nm； J 带轮的转动惯量， 2； 带轮的角加速度， 2。 由此可以得到每个带轮的扭矩为 1 = 22 = （ 3 带轮的总扭矩为 M = 1 33 = 3 = 由上述计算结果可知，所选电机的基本参数需为：转速 60r/矩 m，经过不断地筛选，最终选定东莞市威邦机电有限公司生产的直流电机， 所选电机的 型号为 ： 4 主要参数 如 表 3示 8 表 3流电机主要参数 额定电压/V 额定功率 /W 空载转速/(r/空载电流 /A 额 定 转 速/( r/额定转矩/(kg额定电流 /A 马达 重量/ 机械结构及零部件的设计与校核 15 24 40 3100 000 轮箱的主要参数 如 表 3示 表 3轮箱参数表 减速比 3 6 10 出轴转速 r/033 861 620 517 413 344 310 248 允许力矩 Nm 速比 18 20 25 30 36 40 50 60 输出轴转速 r/72 155 124 103 86 78 62 52 允许力矩 Nm 上表可知 ， 选择减速比为 50 的齿轮箱。 电池的选择 ， 经过市场调查 ， 最终选定 玮孚 24V， 49， 其主要参数 如 表3示 表 3池主要参数 电压容量 重量 /压范围 24V 4芯 放电接头 充电接头 18650 动力锂电芯 T 型放电母头 业母头 步带轴的设计与校核 已知电机的功率为 40w，额定转速为 3000r/经齿轮箱减速后 ， 额定转速为62r/ 轴上的功率 、转速 和转矩 同步带轴与电机通过联轴器连接，其传动效率为 = 1 = = 40 （ 3 已知转速 1 = 62/， 于是 毕业设计 16 3 = 9550000 11= 9550000 （ 3 步确定轴的最小直径 根据公式，轴的扭转强度条件为 = 3 （ 3 式中 ， 扭转切应力， T 轴所受到的扭矩 ， N 轴的抗扭截面系数 ， 3； 许用扭转切应力 ， 选取轴的材料为 45 钢，调质处理，根据机械设计表 150， 取 0 = 112，于是可以得到 = 0113 = 112 （ 3 由于轴与轴承和联轴器直接连接，因此轴的最小直径为轴承与联轴器的直径，为了使所选的轴的直径 I;需要同时选取联轴器的型号。 联轴器 的计算转矩 = 1，查机械设计表 14由于转矩变化很小 ， 故取 = 于是 = 1 = （ 3 按照规定，计算转矩 应该小于联轴器的公称转矩 ， 根据所选的电机输出轴径12查 现代机械设计手册 表 31，选取 缘联轴器，其公称转矩为 25000Nm。 联轴器的孔径 I = 12， 故取 I; 12，联轴器的外围直径为 D = 80联轴器与轴配合的毂孔的长度 1 = 32。 的结构设计 根据轴的结构工艺性要求，轴的结构越简单越好，在满足使用要求的前提下，尽可能地简化轴的结构。 初定轴的结构如图 3示 3 机械结构及零部件的设计与校核 17 图 3的结构示意图 （ 1） 轴上零件的装配方案 由于轴上的零件的选取均是根据实际情况来定的，同步带轮的大小相同，考虑到带轮的安装问题，主要的轴向定位都是通过套筒实现。 （ 2） 根据轴向定位的要求来确定轴的各段的直径和长度 1）为了满足联轴器的轴向定位要求， 故 直径 I; 12， 长度为I; 33；根据同步带轴径的大小 轴承尺寸的限制 ， 故 无法做出轴肩 ，因此 使用套筒进行轴向定位 ，其直径大小为 12， 其长度为 （ 即套筒的长度 ） 。 3）轴承的选择。轴承主要受到径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据 12， 查 现代机械设计手册 52， 选取标准精度等级的深沟球轴承 61801，其尺寸为 dDB = 121左侧同样选取深沟球轴承 61801。 4） 长度主要由轴承端盖 ， 轴承 ， 套筒的长度之和决定 ，轴承端盖的厚度为 5轴承 宽为 5套筒长 此 V = ， V = 12。 5）为了满足同步带轮的轴向定位要求，将 制出一轴肩 ， 由于 同步带轮小径为 此 取 = 20。 6） 的尺寸完全由同步带轮的尺寸决定 ， 根据同步带带轮小径 取V; ， 由于球道宽度的限制 ， 带轮之间需要加厚垫片进行轴向定位 ，套筒的宽度为 ，同步带带轮的宽度为 ， 因此 的长度为 V; + = 。 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。 （ 3）轴上零件的周向定位 同步带轮、联轴器与轴的周向定位均采用普通平键连接。 同步带带轮与 轴配合的键的选取， 查 现代机械设计手册 33， 查得平键截面bh = 5槽用键槽铣刀加工，长度为 36， 考虑到同步带带轮的安装问题，同步带轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为 76；联轴器与轴的连接选取I V V 业设计 18 方法相同，选取的平键的尺寸 42键槽的长度为 22联轴器与轴的配合采用过渡配合 ， 配合公差为 76； 滚动轴承与轴的周向定位通过过渡配合来实现 ，选取轴的直径尺寸公差为 （ 4）确定轴上的倒角尺寸 参照 机械设计 表 15取轴端倒角 算
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