轮式足球射门机器人结构设计

轮式足球射门机器人结构设计

学生姓名：

学号:

所在系部:

专业班级:

指导教师:

日期：

摘要

发球机作为一种将科学技术运用到体育事业中而诞生的产品，在乒乓

球、网球、羽毛球、排球等球类运动中都能看到它们的身影，近些年来

也越来越有所发展并得到推广。但在足球运动的领域，发球机却一直没

有同它在其它球类运动中相称的地位，足球发球机在中国草根足球这样

庞大的市场中，也没有较为稳定的市场。这也证明了目前的足球发球机

的确存在着一些使其难以得到推广的不足。

在本文中，首先简单地研究与分析了足球发球机的使用背景与现状，

在这个过程中明确了发球机设备的原理与设计需要，并改进了发球的机

构：以目前十分普遍的摩擦轮式发球机为基础，针对其速度、重量等方

面的一些问题，提出了用传送带来替代摩擦轮，使得足球在发出球前受

力时间加长、运动更加平稳。除此之外，还设计了移动与俯仰、升降等

机构，不仅较为全面地做到了自动化，还使射出的球有更多的变化，更

贴合实际情况。

关键词：足球发球机改进贴合实际

Abstract

Asaproductbornfromtheapplicationofscienceandtechnologyto

sports,servingmachinescanbeseenintabletennis,tennis,badminton,

volleyballandotherballsports.Theyhavealsobeendevelopedinrecent

years.Andgetpromoted.However,inthefieldoffootballsports,theball

machinehasnotbeencommensuratewithitspositioninotherballsports.

Footballballmachineshavenorelativelystablemarketinthehuge

marketofgrassrootsfootballinChina.Thisalsoprovesthatthecurrent

soccerballmachinedoeshavesomeshortcomingsthatmakeitdifficultto

bepromoted.

Inthisarticle,firstbrieflyresearchedandanalyzedthebackgroundand

currentsituationoftheuseofthefootballserver.Inthisprocess,the

principleanddesignrequirementsoftheserverequipmentwereclarified,

andthemechanismoftheservewasimproved:thefrictionwheeltype

whichisverycommonatpresentBasedontheballmachine,itisproposed

toreplacethefrictionwheelwithaconveyorbeltforsomeproblemsinits

speed,weight,etc.,sothatthefootballhasalongertimebeforetheball

isdeliveredandthemovementismorestable.Inaddition,mechanisms

suchasmovement,pitching,andliftingarealsodesigned,whichnotonly

achievesamorecomprehensiveautomation,butalsomakestheshotballs

havemorechangesandaremoreinlinewiththeactualsituation.

Keywords：Footbal1BallmachineImproveFittoreality

目录

摘要.......................................................................i

Abstract..............................................................ii

1绪论....................................................................1

1.1引言.............................................................Y

1.2课题目的及意义...............................................Y

1.2.1课题研究目的..........................................Y

1.2.2课题研究意义..........................................Y

1.3国内外研究现状..............................................Y

1.3.1足球发球机国内研究现状...........................Y

1.3.2足球发球机国外研究现状...........................Y

1.3.3国内外研究现状总结.................................Y

1.4文本主要研究内容..........................................Y

2课题结构的总体性设计...............................................2

2.1设计方案的总体要求............................................Y

2.2关键部位的设计思路...........................................Y

2.2.1机器人总体组成........................................Y

3运动机构的设计与计算...............................................Y

3.1引言.............................................................Y

3.2移动机构的设计与电池的选择..............................Y

3.2.1移动机构的设计.......................................Y

3.2.2电池的选择.............................................Y

3.3发射机构构的设计............................................Y

3.3.1对经典方案的分析与改进...........................Y

3.3.2改进后方案的数据分析.............................Y

3.3.3新方案的选型与选材................................Y

3.4俯仰机构与升降机构的设计.................................Y

3.4.1俯仰机构的设计.......................................Y

3.4.2俯仰机构的设计.......................................Y

3.5送球机构与贮球机构的设计..................................Y

3.5.1送球机构的设计.......................................Y

3.5.2贮球机构的设计......................................Y

4整体三维图的展示....................................................Y

总结与展望..............................................................Y

致谢......................................................................Y

参考文献................................................................Y

1绪论

1.1引言

当今世界，科学技术有了突飞猛进的发展，它的应用范围早已拓展到了社会生活的方方面

面。体育运动作为最广泛的群体性活动，是现代生活中不可缺少的一个组成部分。如今的

体育竞赛，不仅仅是技术、体能、战术等方面“硬实力”的竞争，也是科学技术方面“软实力”

的较量。因此，高科技含量、高效率的体育训练设备的应用，越来越在运动员的日常训练

及技战术水平的提高方面起到不可替代的作用。

1.2课题背景及目的

1.2.1课题研究背景

体育已成为一种复杂的社会文化现象，它是以肢体的运动为手段来达到培养人的各种身心

健康的目的。随着社会的发展，人们对于精神的需求也慢慢高于物质需求，体育活动给人

们带来了更多的精神享受。特别是奥运会等国际性的体育比赛，更是对集体精神和爱国主

义精神的弘扬，起到了增加民族凝聚力和向心力的作用。

科技的迅速发展使之渗透到人们生活的方方面面，体育的发展更是与科技密不可分。体育

竞争不再只是体力、技术的较量，也是高科技成果的较量。科技在体育上的应用使体育运

动如虎添翼，激发了人们巨大的潜能。体育训练也正从经验时代进入科学时代。发球机在

乒乓球、网球等球类运动的日常训练中早有运用，这些训练器械不但提供了质量稳定的训

练条件，全面地提高了运动员的比赛成绩，促进了体育事业的发展，同时也大大减轻了教

练和陪练的负担。特别是新技术的注入使它们在体育运动里处于越来越重要的位置。

足球运动是以脚支配球为主，两个队在同一场地内进行攻守的体育运动项目。它是世界上

最受人们喜爱、开展最广泛、影响最大的体育运动项目。足球运动具有形式多样性和广泛

的群众性、技术的全面性和高度的技巧性、激烈的对抗性和严密的集体性、轻松的娱乐性

和高雅的休闲性等特点。足球运动可以提高人的力量、速度、灵活度和耐力等能力，使体

能各生理系统的机能得到良好的改善，并且可以培养人的心理素质和燃炼人的精神。足球

文化是体育文化的重要组成部分，足球作为世界第一的大众运动项目，除了具备体育运动

项目的趣味性和竞技性外，在长期的发展过程中，还被赋予了独特的文化特征与社会价值。

守门员是足球运动比赛队员的位置名称。位于球门前，是球队的最后一道防线。主要任务

是守卫球门，阻止对方进球，是球队中唯一被允许可在罚球区内用手处理球的队员。

足球比赛中，对抗的焦点是射门得分和阻止得分，因此门前的争夺往往异常激烈。守门员

发挥得好或坏，直接关系到一个球队的命运。守门员是整支队伍防守的不可或缺的中坚力

量，球迷中也素有“好的守门员抵得上半支球队”的说法。种种这些都说明，对守门员扑

救能力的训练，在现代足球运动中是尤为重要的。

1.2.2课题研究目的

在日常训练中，守门员的扑救训练与接球训练是靠人工发球来完成的，人工发球在质量上

和稳定性上都难以保持，而且容易造成教练或陪练的疲劳，不利于人的身体健康，因此需

要一种设备来取代人工发球并达到理想的训练目的。为了提高足球运动运动员的水平及比

赛成绩，各国的足球运动也对训练中的发球设备提出了新的要求。

1.3国内外研究现状

1.3.1足球发球机国外研究现状

在足球发球自动化的领域，国外在较早时期就有了几款发球机，它们的结构简单，实用性

好，受到很多草根足球俱乐部与足球爱好者的喜爱；但其功能较少，除了发射过程外，装

填、移动与转向其它的方面基本都需要人工进行。

GLOBUS4*1

图1-1国外的一种发球机

1.3.2足球发球机国内研究现状

在国内，近年也出现了几款功能比较完善的足球发球机。由于他们将机电结合的理念应用

到了产品的较多方面，所以功能较为全面，可以实现自动装填、连发、旋转与球速的改变

等，但它们在使用过程中都需要外接电源，无法方便地移动，除此之外其体积也较为庞大,

而且价格不菲，一般的个人或球队难以承受，多是大俱乐部的梯队集中采购与使用。

图1-2国内的一种发球机

图1-3国内的另一种发球机

1.3.3国内外研究现状总结

虽然在目前，国内外都已经有各式各类的足球发球机作为产品，但它们都因为各种各样的

原因而无法广泛地推广，无法达到较大规模、较多方面、较高程度地在守门员的扑救训练

与接球训练中替代人工发球的目标。

1.4本文主要研究内容

本文主要对足球射门机器人的结构进行研究设计，通过对目前市场上常见的足球发球机进

行研究与分析，从而得到想要的设计方案，使之能更加满足实际情况中的多种需要。文章

的主体内容如下：

第一章：说明本主题的研究背景和研究目的，介绍足球发球机的发展现状，了解当前在市

场上流行的足球发球机的样式，并讨论本文的大致研究方向。

第二章：结合实际需要，拟出轮式足球射门机器人应具备的功能项，分析清楚关键部位的

原理与设计方向。

第三章：对现有方案进行分析与改进，选择合适的材料与部件，接着对轮式足球射门机器

人的一些重要机构（发射机构、俯仰机构、升降机构等）的结构进行设计，最终完成整体

的设计。

结论与展望：总结本次研究的所有内容和创新处，对往后工作的展望，阐述模块化机器人

在未来发展中的主要价值，分析当前所存在的主要问题和不足之处，并且探讨、规划在以

后的工作中和研究的最终目标。

2课题结构的总体性设计

2.1设计方案的总体要求

2.1.1设计题目：轮式足球射门机器人结构设计。

2.1.2设计要求和参数：

（1）机器人的最大形体尺寸为：1000*800*500mm（L*W*H）；

（2）机器人整体要求重心低且尽量处在对称轴线上，各机构性能可靠，系统转动惯量小，

连接部件牢固，构成材料与连接方式尽量简单；

（3）机构位置要考虑充电器连接方便，指令的输入与更改的方便，运动中电池与各连接部

件要防松防撞，电源开关应安放在便于操作的位置；

（4）运动机构采用三轮布置或四轮布置，三轮布置中前面两只轮子平行放置，三轮机构按

等腰三角形布置，前面两轮为不可转向主动轮、后一轮为转向从动轮；四轮机构按长方形

布置，前两轮为不可转向的主动轮、后两轮为转向从动轮。主要电机的安装位置要高度对

称，转动特性保持一致，整体要求可以实现灵活地启动、停车、转向等运动模式；

（5）车轮结构设计：车轮结构主要包括外圈、辐条和中心轴，要求在保证有一定的承重能

力的情况下尽量做到灵活轻便，还要满足实际使用中场地的要求；

（6）框架设计：框架是支承整个机器人的主要部件，应设计合理的结构以保证足够的刚度

和强度的同时尽可能轻，并且要注意各连接部位的可靠性；

（7）电池相关的设计：应选用能满足实际需要的可充电电池，并且由于电池的一些特殊性,

需要设计电池盒；

（8）机器人的各部分设计尽可能达到模块化，便于安装调试和维护；

（9）射门机构设计：射门距离不少于10米；射门角度在±50度可调，射出球力度可调。

2.1.3参数概括

技术参数：1000*800*500mm（L*W*H）；最大移动速度22.Om/s；最大加速度H2.Om/s2；最

大射球高度NO.5m；最大射门球速210m/s。

2.1.4总体布局

根据2.2中分析的实际功能上的需要，硬件部分应包括主架、车轮、电池、电机、装球器、

射球机构、俯仰机构、升降机构等。

2.2关键部位的设计思路

⑴射球方面

因为设计初衷在于训练守门员，以提升守门员阻止对手射门得分的能力，所以本射门机器

人必须在功能上能较好地模拟尽量多的射门类型与方式，以期得到更好的训练效果，于是

先要对足球比赛中的各种射门轨迹有一定的了解。调查如下：

①地滚球：

球贴地滚向球门，是最简单的运动轨迹。

②弧线球：

在用脚踢球射门时，足球向球门方向运动，若与此同时脚对球有一定的摩擦，足球就会在

飞行过程中存在自转。这种球在飞行过程中会有一个轨迹的定向变化，在实际的比赛中，

进攻方球员常常用这种技术使足球从侧面或上方绕过人墙或其它障碍，最终从较为刁钻的

角度飞向球门。这种球往往对于守门员是一个挑战，能给球门造成较大的威胁。

图2-1弧线球的示意图

香蕉球和落叶球都是弧线球的一种，它们的区别是球的旋转方向不同所造成的球的弧线方

向的不同。

香蕉球指弧线轨迹主要是水平方向的，即在球的飞行轨迹上主要是有左方向或右方向的弧

线，在比赛中能绕过人墙弧进球门；

落叶球指弧线轨迹主要是垂直方向的，即在球的飞行轨迹上主要是有下方向的弧线，在比

赛中能越过人墙头顶后下坠进球门。

弧线球的原理：

由于空气具有粘滞性，因此当球转动时，空气与球面发生摩擦，旋转着的球就带动周围的

部分空气一起作同向转动，所以在足球旋转的带动下，足球周围也会产生和足球旋转方向

相同的气流。又由于足球同时向前运动，因此对于球门可以看作是基本静止的空气，对于

足球则可以看做是向后的。于是，在足球的一侧，自转产生的气流与飞行中的相对运动的

气流的方向相同，空气流动速度快；而在足球的另一侧，自转产生的气流和飞行中的相对

运动的气流的方向相反，使该侧空气流速变慢。根据流体力学的伯努利定理，物体流速较

大一侧的压强比流速较小一侧的压强小，所以球一侧的压强小于球另一侧的压强，这样，

就有了飞行中带有旋转的足球两侧的压力差。这种压力差改变了足球的运动方向，从而改

变了足球的飞行轨迹。因为球在运动过程中，初始运动方向的切平面所受的空气作用力的

合力不为零，所以球在运行过程中就有了除了重力引起的切向加速度以外的切向加速度。

足球旋转得越快，压力的合力越大，足球运动方向的变化也就越明显。这就是弧线球的原

理。

③蝴蝶球、电梯球

蝴蝶球类似于棒球运动里的弹指球，这种球几乎没什么旋转，在空中的飞行路线是十分飘

忽的，甚至有时候会划出一个s形的轨迹，使守门员极难判断；而电梯球的特点是球速刚

开始非常快，越过人墙到了球门前会突然下坠，打守门员一个措手不及。很多电梯球还有

一个特点，就是球的轨迹也会呈现出蝴蝶球那种飘忽的摆动特点，从这一方面来说，电梯

球其实是蝴蝶球的一种。

图2-2蝴蝶球与电梯球的示意图

蝴蝶球和电梯球的原理：

与前面所讲解的弧线球（香蕉球、落叶球）不同，蝴蝶球和电梯球没有明显的旋转，而且

这两种球的速度都非常高，通常在100〜120千米/小时之间，有时甚至更高。物理学的知

识告诉我们，空气对在其中运动的物体的阻力与该物体速度的平方成正比。踢出去的足球

初速度越快，它受到的阻力就越大。如果距离球门比较远，足球在飞行过程中速度又很高,

那么阻力就会非常大，足球的速度会很快衰减下去。在接近球门的时候，足球的直线速度

减小的幅度很大，而重力在整个飞行过程中一直没有变化，轨迹受到重力的影响就显得十

分大，于是有一个很明显的下坠，这种射门就是电梯球。

而蝴蝶球在飞行过程中轨迹线飘忽的变化其实是不受控制的，球员在踢球时无法预测球的

具体路径。这种情况是因为没有旋转轴的球体在高速飞行时飞行路线不稳定，空气的微小

的不均或扰动就会对球的轨迹产生很大的影响，于是就有了飘忽不定的效果了。

经过上述对这三种常见射门的分析，我们可以得出结论：分析足球的球速与旋转是对射门

进行解析与模拟的关键所在。于是在射门有关的机构上，除了要有能调整射球的高度的机

构外，还需要能调整射门力量与旋转方向的部件。

⑵方向方面

众所周知，决定足球运动轨迹的可控因素，除了球的初速度大小、旋转方向与旋转速度以

外，还有初速度方向的问题，所以要求产品能控制射出球的初速度方向。

在这里可以借鉴坦克炮塔的构造来实现初速度方向的变化，即水平方向上的角度变化由底

盘的水平旋转实现，竖直方向上的角度变化由射球机构的仰角变化实现。

⑶高度方面

在运动战中的射门，往往还有一些凌空射门的情况，这种球较地面的射门变化更多，力量

也更大，往往对球门很有威胁、。所以产品也应能模拟出实战中的这类射门，以更好地达到

全方位训练守门员的目的。

要实现这一目的，需要有一个升降机构，能改变整个射球部件的高度。

（4）移动方面

实际在比赛中，对手的射门手段往往并不单一，所以仅仅重复机械地练习定点射门的扑救

是不够的，这要求产品要有移动中的连续射门与交替地移动射门等功能。

①整体

为了使整体结构在移动和射门中能保证具有一定的稳定性，要求产品的重心不能过高，所

以产品的底盘应该较低，电机与电池的位置应该较低。

②车轮

由于产品是在足球场这种特殊的环境中使用，这就需要产品的车轮要有特殊的设计。

⑸贮填方面

①球的贮存：

由于我们要实现连续的、移动的射门，所以就不能经常地人工装填球，这就要求产品有一

个较大容量的球仓。

②球的装填：单靠重力虽然能够使球出仓，但在产品移动或射球机构的升降、俯仰过程中

可能容易出现足球松动甚至偏移预射位置，所以应有机构保证这一过程的稳定可靠。

针对本课题研究的结构设计，我仅对一些较为关键的部件，如射球机构、移动机构、俯仰

机构、升降机构做较为详细的设计与研究，其它的一些部分则一笔带过。

机械结构中包括起到连接、保护部分：一些非标准的铝直角、如标准螺钉、螺母、轴承等,

机器人的机械结构模块组成示意图如图2.2所示。

图2.2机械结构模块组成示意图

为此，主题设计的轮式足球射门机器人的连接部件全部由耐用的铝合金材料制成。使用螺

栓紧固的时候，预紧力不宜太大，预紧力过大会导致连接模块与螺母之间接触面损坏，严

重的导致连接处发生一定程度的形变。

2.3三维建模软件介绍

SolidWorks是DassaultSystemes的子公司，专门从事机械设计Windows软件产品的研发

和销售，总部位于美国马萨诸塞州。达索系统负责提供结构化软件并通过网络集成为制造

商提供支持服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计，工程，生产和产

品数据管理等各个领域的领先软件系统。著名的CATIAV5来自该公司，是当今世界最前沿

的DassaultCAD产品的市场份额。SolidWorks成立于1993年，由PTC技术副总裁和简历

副总裁创立。其总部位于马萨诸塞州康科德（马萨诸塞州康科德）。最初的目标是在每个

工程师的桌子上。模型实体模型设计系统。自1995年至2010年推出第一套SolidWorks3D

机械设计软件以来，它在全球设有办事处，并在140个国家/地区与300个分销商一起销

售和分销产品。1997年，DassaultSystemes公司收购Solidworks软件,成为Dassault

在中游水平市场的领先品牌。

Solidworks软件功能强大且具有许多组件。SolidWorks具有强大，易学和易用的三个关

键功能，以及使SolidWorks成为领先的主流CAD3D解决方案的技术创新。SolidWorks提

供了多种设计解决方案，从而减少了设计过程中的错误并提高了产品质量。SolidWorks不

仅提供这些强大的功能，而且对于所有工程师和运营设计师而言，它都是简单，方便，易

学且易于使用的。

该软件可以解决机械CAD领域中尚未解决的关键问题，包括基本的易用性，互操作性和装

配管理。采用一种新方法来实现您的解决方案（基于Solidworks的独特技能和资源）。它

可以协同工作，并提供一组开放的，易于使用的，可扩展的机械设计应用程序。我们为设

计过程中的每个参与者及时提供正确的解决方案。Solidworks工作界面如下图2.3所示。

本课题将用此软件完成足球射门机器人的3D建模。

2.2.4非标准组件设计原则与思路

本课题的模块化机器人的组装大部分用到了非标准组件，其包括履带单元、履带连接件、

直角角铝、各种角度的连接件等等，以及通过3D打印的舵机保护壳。非标准组件有着结

构简单、便于加工的特点，可以在模块与模块之间起到紧固连接、辅助定位的作用。

对于非标准组件的设计要求就是以最少种类的零件设计达到通用性高、共用性高的效果，

并且结构要简单，保持着一定的位置精度要求和机器人载荷的强度要求。

2.4本章小结

本章节主要对轮式足球射门机器人的机构组成做了大致地分析与介绍，对几个关键机构的

原理进行了研究与阐述。此章节起到了承上启下的作用，为下文对移动机构、发射机构等

的具体设计与选材选型作了铺垫，使研究更有条理，提升了设计过程的效率。

3各机构的设计与计算

3.1引言

根据上文中对于设计方案的总体要求与关键部位的设计思路的分析，我们得知了将要设计

的轮式足球射门机器人应具有如下组成部分：移动机构、电池、发射机构、俯仰机构、升

降机构、送球机构、贮球机构等机构。

接下来将分别分析这些不同机构的工作模式，进而结合实际情况进行选型、选材，最后得

出具体的样式。

3.2移动机构的设计与电池的选择

3.2.1移动机构的设计

综合移动的方便与设计、花销方面的考虑，选择采用三轮的差动运动轮系方案。差动运动

轮系是由两个轴线平行的驱动轮以及一个或多个从动轮组成。通过控制两个驱动轮达到一

定的速度，就可得到差动运动的效果。当两主动轮速度相同时，就能使得机器人进行直线

运动。当一个主动轮的速度为零，另一个主动轮速度不为零时，机器人就会绕速度为零的

主动轮与地面的接触点作旋转运动。当两主动轮速度出现其它情况时，机器人的运动将会

是这以上两种运动的合成。

一、车轮的选择

⑴主动轮

构成：转子、左右支撑架、固定螺钉。

转子的构成：0型橡胶圈、转子本身、转子轴。

0型橡胶圈材料是转子和草地的接触材料，要保证在滚动中摩擦牵引力足够以至于不在草

坪上打滑，同时还要考虑材料的抗压能力与耐久度。

基于这些，我们有两种材料可供选择：丁睛橡胶和硅树脂，两种材料相比可知丁月青橡胶能

获得更大的牵引力，并且很难用手破坏；而硅树脂能获得的牵引力很小，并且很容易用手

破坏，所以0型橡胶圈的材料选择丁月青橡胶。

对橡胶圈的要求：

①为了增大与草坪的摩擦，在0型橡胶圈的外部还应存在一些凹凸不平的摩擦纹（类似于

越野车轮胎表面的纹路）；

②为了使产品在运行时不至于破坏草皮，还应使轮与草有合理的接触面积（即。型橡胶圈

应有合适的宽度）。

转子本身材料的选择：对于转子本身而言，材料的选择取决于材料的质量以及长期工作时

会不会降低转子与轴之间的摩擦。考虑到这两方面，缩醛树脂是最好的选择。

转子轴的材料选择主要需要考虑到转子轴承受的载荷很大，所以材料要有足够的强度和刚

度，基于此，选择40Cr。

⑵从动轮

出于对环境的考虑，位于车身底部后方的转向轮也应该满足主动轮所需要满足的①、②两

点，除此之外，对这个万向脚轮的要求并不严苛，无需进行强度、刚度、塑性等方面的校

核。不过，也应该考虑到机器人不超过40kg的设计总重与人力推行时的方便程度。另外

还要考虑其使用寿命，装配方便，采购方便，性价比合适等因素。

根据以上要求，转子部分，作为从动轮的万向脚轮与作为主动轮的驱动轮基本相同；支撑

架部分在车轮轴心的正前方合适位置（利用三角形的结构稳定以减小射球后坐力的影响）,

且允许水平方向上的360°自由旋转（便于推行）。

车轮支撑架材料的选择：支撑架主要起支撑的作用，所以要有足够的强度和硬度，同时还

要具备质量轻的性质，还要考虑到在室外的日光曝晒与雨水等的锈蚀，所以选择硬铝作为

车轮及车身架构的主要材料。

轮子装配图：

二、运动参数计算

当机器人向前走时驱动力是由前面两轮的电机提供的，这里为保守起见，设机器人的质量

不超过40kg,最大移动速度V22.Om/s；最大加速度21.0m/s2,地面摩擦系数为0.3-0.7。

考虑到使用环境的特殊情况，选用的车轮要有如下两点属性：

①由于要在草坪这种松软的场合使用，车轮必须要高于草皮一定距离。查相关资料得：足

球场天然草坪中的草，高度一般在3—5厘米左右，所以轮胎半径R至少为6cm。这里取两

个动力轮的半径R为8cm。

②由于天然草坪易于损坏，并且维护费用较为高昂，所以要求产品在使用过程中不能对其

有实质性破坏，则轮与草地的接触面的压强不能过大，车轮需要设计得较宽。考虑到R为

8cm,这里取两个动力轮的宽度d为6cm。

则有：

R3=V22m/s,

所以3/2/R,

所以322/(80/1000)=25rad/s,

即n=603/(2“)2238.9r/min；

由于a^lm/s2,

所以F=ma240xl=40N,

F1=F2=F/2>20N,

所以P=FR3220x80x25/1000=40w；

考虑到中间传动机构的效率为50%,所以电机的功率应大于80wo

机构组成：由车身、车轮以及支撑平衡装置构成。车身材料与结构尺寸的选择影响整体设

备的稳定性，底座不稳会导致设备失稳，因此必须保证车身合理自重及足够大的外形面积。

每套支撑平衡装置又由底座、螺母、螺杆组成；车轮由驱动轮和万向脚轮这两种不同功能

的轮组成。

结构形式：根据预设的车身总质量40kg的要求，框架选用强度大、密度小的硬铝圆弧管

联接而成，一些关键部位设计为防水密闭结构以存放电气设备与电子元件；行走轮布置采

用前二后一形式，两个前轮选用固定驱动轮，置于车身前部对称安放；后轮为万向脚轮，

置于车身后部中间位置。

工作原理：两前轮的电机提供车身运动的动力，通过调节两轮速度来改变方向，后轮用来

支撑和保持平衡。

实现功能：满足足球射门机器人能够稳定地到达各个指定位置并在射门过程中保持机构的

平稳性。

三、电机选型

综合功率、体积、重量、电压、花销等方面考虑，选用57BLY12530F,具体参数为：

额定功率P=125w

转速ni=3000r/min

电压为24V

扭矩为0.44N.M

具体图纸如下：

MotorSpeuifiUQtiOC

Resistance________0.3ohn

Inductance0.35mH

Voltage24VDC

Rated。。0er1257

RatedSpeed3000rpr>

RatedCurrent5.2A

RatedTorque0.4NE

PeakCurrent156A

PeakTorque!2Nm-

KeCRMS)4.2V/Krp^'

RotorInertiaKQ.UE2

NumberofPoles4

Weight^<Q-

图3-2驱动轮电机的图纸

由于单个电机的输出功率要求为80w,这里为125w大于80w,所以满足功率要求。

3.2.2电池的选择

关于电池的选择，综合体积、重量、电压、容量、安全性、花销等方面考虑，选择采用两

组24V锂电池组并联的方式供电，这样电机在启动时的启动电流虽然很大，但是由两组电

池来分配就减轻了电池的压力。

【技术参数】

产品名称：聚合物锂电池组

标称电压：24V

输入电压：25.2V

充电时间：2h

输出电压：24V

电池容量：8000mAh

外径尺寸：144*54*68

整体重量：W500克

安全方面：有过充保护、过放保护、过压保护、过流保护、过热保护、防静电保护、短路

保护等功能

【电池充电要求】

1：需要锂电专用充电器；恒流恒压；

2：充电电压：25.2V

3：充电电流:3-5A

【电池示意图】

图3-3单个电池的样式

3.3发射机构设计

3.3.1对经典方案的分析与改进

经典方案：

发球机构的原理如图3-4所示，由送球机构送上来的足球经过三个呈等边三角形分布的摩

擦轮的作用，高速射出。足球以一定初始速度，从与三个摩擦轮刚好都相切的位置被送入

挤压区，从足球开始与摩擦轮接触到离开摩擦轮，此期间将受到摩擦轮的摩擦力和压力的

作用，以此来完成加速过程，最终射出。

图3-4经典方案的设计

此发球机构理论上可以射出任何方向的弧线球以及不转球。在电机功率的作用下，当左上

方的摩擦轮的转速小于右上方摩擦轮的转速时，射出的球是带有右旋的，反之则为左旋球;

当上方两摩擦轮的转速相等，而下方摩擦轮的转速小于上方两轮的转速时，射出的球是带

有下旋的，反之则为上旋球；当三摩擦轮的转速相等时，射出的足球是不转的，若三者不

相等，就带有一定方向的旋转。

运动的计算：

由动量定理的计算公式得：

fAt=mAt=m(vl-vO)(3-1)

vO为足球的初速度，即进入摩擦轮时的速度；vl为足球从摩擦轮中射出的速度。

由式3-1得到：

A,=fAt/m=vl-vO；

设vO=O,则vl=&,&与f和At有关，m为足球质量，可看作是一个常数。

但在实际的情况中，如果摩擦轮的转速高到一个程度，使得足球与摩擦轮的整个接触过程

中始终存在滑动现象，这时继续增大转速也不能使射出的球的速度增大，即&达到了最大

值。我们期望能达到的最大出球速度，应与摩擦轮边缘的最大线速度相等；而实际上，足

球最大的射出速度却达不到摩擦轮边缘的最大线速度。

出现以上情况的原因是足球吸收的动能不足，归根结底是摩擦力小、作用时间短，为解决

这个问题，一方面可以使摩擦力更大，即增大飞轮的直径与质量；另一方面，可以提升摩

擦力的作用时间。但增大飞轮的直径与质量，会加大设备的总重，增加机器人运动的难度,

并且还会由于其庞大的体积而导致射球装置难以改变俯仰角；而现有摩擦轮式的发射方

案，又难以提升摩擦力的作用时间。

综上所述，经典方案存在着多方面的问题，虽然可以实现球的高速射出，但在一些其它方

面不甚理想。

改进后方案：

改进后方案在射球动力上同经典方案相同，同样是通过摩擦力将球发射出去，但摩擦力的

提供者由飞轮换为了传送带。相比较经典方案，此方案延长了对足球的作用时间td。这

样一来，摩擦力可加速足球的距离明显变长，对足球做功的上限提高，速度的增量增大。

最终，足球的射出速度也可以达到等同于传送带的最大线速度。

结构简图如图3-5所示，三个带传动机构成正三角形放置，三个主动带轮由电机带动转动

起来，足球由初始位置进入传动带，受到周围正三角形分布的三条传送带对它的摩擦作用

而加速，最终被射出。

皮带

图3-5改进后方案的设计

3.3.2改进后方案的数据分析

下面对改进后的带传动方案进行一些简单的力学与结构设计上的分析。

一、三个主动带轮的转速3相同时足球的速度分析

我们把足球形变后的部分称为球冠，把被挤压凹陷的部分称为球缺，对足球进行一系列不

同位置的运动简析（在以下的计算过程中，不计主动带轮和皮带的变形）。

⑴足球刚进挤压区的速度计算

如图3-6所示，足球从射球机构外要进入发射机构，三主动带轮都在此时刻与足球相切。

此时，带轮的转动带动皮带运转，经摩擦将运动传递给足球后，足球开始进入挤压区。分

析该过程时，我们为了简化计算，以足球为研究对象，先分析单条传送带对足球的作用效

果。（粗设足球受到的挤压力与其体积变形量成正比）

这里取带传动的传动比为1:1,且两传送带的规格相同。

足球球心从01运动到02的过程中，上方两主动带轮的中心连线与球心到左上方的主动带

轮中心的连线的夹角由。0变为0,足球被挤压。

球缺的高度为：

h=(R+L)tg00-(R+L)tg0=(R+L)(tg00-tg0)(3-15)

(即h为足球与带轮中心距的变化量)

足球的体积变形量为：

△=l/3nh2(3r-h)(3-16)

足球受到的挤压力为：

N=k^=l/3knh2(3r-h)(3-17)

(N的方向可以认为是主动带轮中心与足球中心的连线并且指向足球中心)

足球受到的摩擦力与挤压力有关，将挤压力做两个垂直方向的分解可以得到足球所受的摩

擦力为：

f=HNcos9-Nsin(3-18)

单个主动带轮作用下动量定理为：

mv-mv0=f0t(f-mg)dt；

相比较足球受到的摩擦力f,足球的重力mg很小，所以这里暂且忽略。

假设三个主动带轮的转速相同，故可认为足球受到的三条传送带的摩擦力也相同。

则最终的动量定理表达式为：

mv-mv0=2J-Otfdt(3-19)

在上面的式子中：

m为足球的质量；

V为足球在挤压区的瞬时速度；

vO为足球刚进挤压区的速度(初始速度)，这里设为0；

f为足球所受到的单个传送带给予的摩擦力；

口为皮带与足球之间的摩擦因数；

N为足球所受到的挤压力；

k为足球弹性体的的弹性系数；

R为主动带轮的半径；

r为足球的半径；

L为两主动带轮轮廓之间的最短距离的一半；

00为足球刚进入挤压区的临界位置时球心与左边主动带轮中心线的连线与两主动带轮中

心连线的夹角，可以预先测得或算得；

。为足球在挤压区内球心与左边主动带轮中心线的连线与两主动带轮中心连线的夹角；

将3-15、3T6、3T7、3T8式代入3T9式得到：

mv=2{/000[gknh2(3r-h)cos0dt]/3-f000[kmh2(3r-h)sin0dt]/3}

3.3.2足球半进挤压区的速度计算

计算一下足球在特殊位置时的速度，即当足球运动到球心与两主动带轮的中心连线上时，

如图3-7所示，阴影部分表示足球的变形形状。此时0=0。这个时候主动带轮对足球的摩

擦力为：

f=HNcos9-Nsine=|iN(3-20)

图3-7足球半进挤压区

可以得出的结论是，随着足球的受挤压程度增加，N增大，摩擦力f增大，足球的瞬时加

速度a也应增大，则足球的球速也越来越大。

其实，随着足球的运动直到球心与两主动带轮中心连线重合，N一直在变大，夹角。由00

逐渐减小，最后为0的过程中cos0逐渐增大，而sin0一直在减小，所以足球受到的摩

擦力f一直在增加，即球速一直在增大。并且由于初始时足球的球心处于两主动带轮的中

间平面上，两主动带轮对其的摩擦力相等，故足球只是沿着带运动的方向滑动而不发生滚

动。

此时足球的速度与m、r、k、30、R、L、d。0均有密切的关系。

其中，cos00=R+L/R-r为常数(3-21),m、r、k为常数。

(1)设起始时00=45°时，其他参数均为定值的情况下考虑摩擦因数对球速的影响，计

算可得：

v=2kn(R+L)2"(J2T),日越大，足球在进入传动带中的速度也相对越大。

(2)设带轮半径R不变时，比较起始00=45°和00=30°时，L和00对球速的影响，由

3-21可知，减小，L增大。比较速度计算结果可得：当R不变时，减小L,速度v也

相对增加。但是L也不能过小，因为频繁且过大的变形会减小足球的使用寿命。

(3)变化带轮半径R

改写式3-21得到：

cos00=R+L/R-r=l-(r-L/R+r)(3-22)

当R减小时，cos00减小，00增大。而R和L在式中的地位基本相等，进过计算得出，

当其他参数不变时，适当减小R,足球的速度v增加。

3.3.3足球球心超过主动带轮球心连线时速度

当足球运动到球心超过主动带轮球心的连线时，如图3-8所示，阴影部分表示足球的变形

形状。此时足球受到的单个主动带轮的摩擦力变为£=川(：050+股门0,可以看出挤压力N

在竖直方向上的分力与足球的速度方向相同，使得足球受到的摩擦力继续加大，即足球的

加速度越来越大，足球仍然处于加速的过程之中。

图3-8足球球心超过主动带轮球心连线

可以从图中观察到，如果主动带轮的轮廓之间的最短距离远小于足球的直径，那么这个时

候足球会被挤压得很扁，即足球的形变量会很大。

3.3.4足球完全进入带传动时速度

当足球运动到完全进入传动带的挤压时，阴影部分表示此时的足球的变形形状。如图3-9

所示。

图3-9足球完全进入传动带

在忽略皮带的影响下，我们可以根据对称性做出足球刚好完全进入挤压区的足球的球心位

置。此时的。=90,f=Wcose+Nsin0o和足球刚进入挤压区的计算方法类似，计算此时

的足球的球速：

mv-mv中间=2/fdt=2/000(l^Ncos0+Nsin0)d0(3-23)

其中:

N=kZW=l/3nh2(3r-h),h=(R+L)tg9O+(R+L)tg0(3-24)

这样可以计算出v完全挤压，由于式子过于冗长，这里不给出结果。

3.3.5足球在带中的运动情况

如果足球进入完全挤压区时的速度v小于皮带的传动速度V，，那么这时候皮带还会给足

球在运动方向上的摩擦力f,即此时足球在与皮带传动一起运动的同时，相对皮带还有稍

许滑动。直到足球加速到球速v与皮带的速度v'相同为止，从这以后皮带就夹着球传动,

连为一体，直至输送足球到末端的从动轮的边缘，将足球以皮带的速度发射出去。

小结：

当传送带的传动比为1:1,且三主动带轮的转速相同时，足球从初始位置进入皮带传动装

置后速度会不断地增加，直到它同皮带有相等的速度为止，并且最终会以此速度射向球门。

3.4三个传送带的主动轮转速3不同时足球的速度分析

当三主动带轮的转速不同的时候，足球的运动过程相对复杂，先做如下的简单推理说明。

为计算简单，现不考虑下方传送带给足球速度带来的影响，而只对上方两不同速度的传送

带进行分析。

先假设32>31,即右上方的主动带轮的转速比左上方的主动带轮的转速要快，如图3To

所示。

图3To主动带轮的转速不同

足球也是从初始位置即与两主动带轮相切的地方进入挤压区，因为32>31,所以足球刚

进入挤压区时受到右边传送带的冲击大于受到左边传送带的冲击，将使足球在前进的同时

有向左运动的趋势，故经过短暂的仅时间后，足球的球心会随着足球运动向左偏一定的距

离。从足球开始进入挤压区到整体全部进入挤压区这个过程中，足球受到的挤压力是右边

的主动带轮较大，可以推出足球受到的摩擦力也是右半部分的f2比较大。这里做简化处

理，由定轴转动的微分方程可得:

Ja=(f2-fl)r(3-25)

其中J为足球的转动惯量，得出足球有逆时针方向的角加速度a。

所以足球接触到皮带不久时，在大小不等的摩擦力fl、f2的作用下，会既有沿着皮带传

动方向上的滑动，又有绕某一过球心轴的转动。

而当足球整体都进入皮带挤压区经过一段时间的加速后，在皮带上不会滑动，此时足球可

以看成是和皮带一起运动，但由于上方两侧传送带的瞬时速度v2与vl不相同，所以足球

除跟随皮带进行的直线运动以外，还会有一个转动。

最终从发射口中射出的足球的状态分析如图3-11所示。

图3T1足球最终出球时状态

使用基点法的计算方法求出物体的速度：

v2=vl+v21；

其中线速度：

vl=w1R,v2=w2R；

相对速度：

V21=23'R；

所以：

3'=(v2-vl)/2R；

那么球心的速度：

v=vl+3'R=v1+(v2—v1)R/2R=(vl+v2)/2«

由此可得：足球被射出时，线速度为三条同步带的线速度之和的三分之一，且带有一定角

速度的向右自转；在随后的飞行过程中，足球的轨迹会向左偏转。

总结上面的一系列推导，可得出：当传送带的主从动轮中心距a足够长时，足球的射出速

度可以达到同步带的速度；若中心距a较小，则足球在加速到等同于传动带的速度之前就

从发射口射出了，足球的最终速度与m、r、k、3、R、L、以0、。均有密切的关系。

显然，当中心距a=0时，就等同于摩擦轮式发球机构的效果：在很多情况下，足球射出

时仍然未达到传送带的速度，这样会导致最大出球速度较低。

得出的轮速与足球飞行轨迹的变化规律与摩擦轮方案类似：当左上方的主动带轮的转速小

于右上方主动带轮的转速时，射出的球是右旋球，反之则射出的球为左旋球；当上方两电

机的转速相等，而下方主动带轮的转速小于上方两主动带轮的转速时，射出的球是下旋球,

反之则射出的球为上旋球；当三台电机的转速相等时，射出的足球是不转的，若三者不相

等，就带有一定方向的旋转。总之，通过调节三台电机的输出转速，我们可以全面地实现

对球的速度与旋转方向的调控。

同之前介绍的摩擦轮式发球机方案作比较，改进后方案中的带传动式发球机的方案射出的

足球角速度3更加稳定。除此之外，带传动式机构的体积和重量也比摩擦轮式机构小。综

上所述，实际采用带传动式的改进后方案。

3.3.3新方案的选材与选型

一、电机的选择

将足球刚进入发射机构时的瞬间速度近似看做0,则在此期间三条传送带对足球做的有用

功为：W=Ek=mv2/2；

查资料得：根据国际足联的规定，标准足球重量在比赛开始时不多于450克（16英两）、

不少于410克（14英两），在这里可近似看做m=0.5Kg；设计要求足球的最大速度超过vmax

210m/s,为将比赛中的射门情况模拟得更真实，现设置vmax=30m/s；

则最大做功Wmax20.5X302/2=450J,根据实际情况，tWO.2s,Pmax=Wmax/t22250w.

综合功率、体积、重量、电压、花销等方面考虑，选用Z-60M-01930c5-E,具体参数为：

额定功率P=600w

转速nl=3000r/min

电压为48V

扭矩为1.91N.M

确定计算功率Pea

查得工作情况系数KA=1.1,故Pca=KAP=660wo

二、传送带的选择

⑴选取带种带型：

带种的选择方面，翻阅机械零件手册，了解到普通V带Vmax=25〜30m/s,而同步带的Vmax

可以达到50m/s„由于机构发射的足球的需要所以这里选择同步带来作为发射足球的载体;

带型的选择方面，由于圆弧齿带型的同步带能够传输更大的功率(其正常工作所能承载的

传动功率比梯型齿同步带和T型齿同步带大3-5倍)，为了增大与球接触过程中的摩擦力

做功，所以这里选用圆弧齿同步带；

考虑到实际情况中足球与皮带的接触形变量，取皮带宽30mm。

⑵确定带轮的规格：

为节省空间，取主从动轮的直径d2=dl=50mm,类型为AF(轮的包边设计使皮带更好地与

足球接触，减少接触时带的弹性形变，使摩擦力增大，传动效果提高)，材质为不锈钢(为

增大转动惯量，使皮带更好对球做功，而且考虑到机器在使用过程中需要防止锈蚀)。

⑶验算带的速度：

v直接连接=ndn=0.05X3000n/60心7.85m/s<30m/s,

所以应设置一个变速装置，取传动比为1：5,使同步带的主动轮有足够的转速，进而使带

的速度达到期望。

⑷确定同步带的基准长度和传动中心距：

根据0.7(dl+d2)<a<2(dl+d2),初步确定中心距a0=150mm,

⑸根据公式计算带所需要的基准长度：

Ld'=2a0+n(dl+d2)/2+(dl-d2)2/4a0^457.08mm；

根据查表所得，带的基准长度Ld=500mm,规格为HTD505M30AF；

(6)计算实际中心距：

a=a0+(Ld-Ld')/2=171.46mm。

3.4俯仰机构设计

俯仰与调高机构的设计

一、俯仰机构参数计算：

因为发射装置的一体化，我们现在仅需调整发射装置整体的俯仰角，而不用分别调整各个

部件的俯仰角。整个发射装置悬挂在主体框架上。为了减小转矩、增大稳定性，所以取悬

挂点如下简图：

其中，A、B、C三点代表三条带的位置，D、E为输出转矩的作用位置。

这样设计的用意是使输出转矩所在直线与发射装置的重心相重合，使转动较为省力。

设机构的俯仰转速为3,最大俯仰角为0,整个转动部件的总转动惯量为I,减速器输出

的转矩为Tmo

为了满足实际使用时的需要，取转速3245°/s,并且我们可以得知，整个射球机构的质

量不超过10kg,长度不超过28cm,则有：

I=mr2=10X(0.284-2)2=0.196kg•m2；

320.25r/s=15r/min；

机构组成：1台直流减速电机。

结构形式：如图所示，横杆位于发射装置左右，有电机的一侧通过减速齿轮及螺栓方式同

发射装置连接在一起，没有电机的一侧通过滚动轴承同发射装置连接在一起；支撑轴承座

和销轴把转向板和转向支架连接在一起。

工作原理：电机启动带动蜗杆减速机工作，小齿轮获得转矩带动大齿轮工作，进一步带动

整个发射机构，使射球仰角发生变化。

实现功能：满足训练时控制射出足球方向的要求，能够实现以一定仰角向上方射门与以一

定俯角向下方射门的目的。

主要考虑转矩与速度的问题，结合功率、体积、重量、电压、花销等方面考虑，选用

MT60GFXX-555,具体参数为：

额定功率p=6w

转速nl=3000r/min

电压为24V

扭矩为0.44N.M

具体图纸如下：

减速马达出力&转速GEAREDMOTORTORQUE/SPEED

雷抡箱长度GearHeadLength

20.7mm

(mm)

减速比

额定电压1/371/871/Hl1/2221/29313651/5831/772