投篮机器人设计

投篮机器人设计

第1章结论.................................1

1.1辅助投篮机器人的研究背景与现实意义.................................2

1.2辅助投篮机器人的国内外发展现状.....................................2

13辅助投篮机器人的可行性分析..........................................2

131二维定点........................................................3

132三维定点........................................................3

第2章总体方案设计及参数确认...............................................5

2.1总体方案设计........................................................5

2.1.1工作原理.......................................................5

2.1.2辅助投篮机器人总体设计........................................5

2.2辅助投篮机器人的参数确定............................................6

2.2.1辅助投篮机器人各部件尺寸、型号确定............................6

2.2.2弹簧选择.......................................................6

2.3本章小结.............................................................6

第3章控制装置与弹簧装置设计...............7

3.1控制装置的设计......................................................7

3.1.1电源电路.......................................................7

3.1.2主控芯片.......................................................8

3.1.3蓝牙模块.......................................................9

3.1.4主程序模块....................................................10

3.1.5速度控制模板..................................................10

3.2弹簧机构的设计.....................................................10

3.2.1弹簧的设计及计算..............................................10

3.2.2弹簧的强度计算:...............................................11

3.3电磁装置的设计.....................................................13

3.5制动装置的设计.....................................................14

3.5.1制动设计的一般原则............................................15

3.5.2制动效能......................................................15

3.5.3制动器的尺寸及质量............................................15

3.6本章小结.............................................................15

第4章其他零部件的设计....................................................17

4.1万向轮的选择........................................................17

4.2电机驱动轮的设计...................................................17

4.2.1计算滚动阻力户/...............................................18

4.2.2空气阻力的计算................................................18

4.2.3加速度阻力....................................................18

4.2.4电机功率的估算................................................19

4.3弹簧装置支架设计...................................................19

4.4电磁装置的设计......................................................19

4.5铺助投篮机器人总、装图...............................................2()

4.6本章小结...........................................................20

第5章驱动轮零件...........................21

5.1电机的选择..........................................................21

5.2联轴器的设计.......................................................21

5.3驱动轮支架设计.....................................................21

5.4驱动轮设计.........................................................22

5.53区动轮总、装图.......................................................23

5.6本章小结...........................................................23

结语....................................................................24

参考文献.................................................................25

第I章绪论

第1章绪论

机器人是一个高度交叉的前沿学科。机器人的诞生和发展无疑是人类科学技术在二

十世纪取得的巨大成就。在过去的40年中，越来越多的机器人被应用于各个行业，越

来越多的机器人科学家从事不同方向的机器人的研发和应用。机器人在世界经济的各个

领域和人类生活的各个方面都忠于人类。机器人在上个世纪为人类文明做出了重要贡

献，机器人将在二十一世纪为人类文明做出新的重要贡献。虽然在中国的机器人的研究

和开发起步较晚，但在国家有关部门的支持和广大机器人科技和教育工作者，以其发展

有助于迅速，已在工业机器人领域的成长。特种机器人和智能机器人已经取得了令人瞩

目的成就，为中国机器人技术的进一步发展打下了良好的基础。机器人科学是一门综合

了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科,

是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。近年来，随着计算机、传

感器和人工智能等技术的飞速进步，机器人科学得到了前所未有的发展。在制造行业中，

尤其是汽车工业，机器人已经成为生产线上的主力，可以说一个企业其生产线上机器人

的质量和数量几乎可以说明这个企业的生产效率和水平。不仅如此，机器人的应用也扩

展到很多其他领域，比如侦察、探测机器人，护理机器人，农业机器人，甚至还有家用

的清洁机器人。非工业用途的研究型和教学型机器人，其意义远不仅是它们巨身所能带

来的直接经济价值。这类机器人往往是各种学科最新技术的交叉实验平台，在新型机器

人上应用的技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了机器人自身的

发展，也带动了其他相关领域产品的进步。当今世界，机器人特别是工业机器人已经发

展成为一个规模巨大的产业。据粗略估算，全球现在至少有76万台机器人正投入使用。

中国于1972年开始研制自己的工业机器人。2000年我国工业机器人的拥有量约为3500

台，其中国产的占五分之一。研究与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决

的问题。同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力。为了改

善落后局面，使我国在相关领域能够迅速达到世界先进水平，我们必须做到技术超越，

利用技术的优势弥补不足。而各类机器人竞赛就是进行机器人科学教育和研究的一个非

常好的途径，也是向大众普及机器人知识、提高全社会对机器人产业关注程度的极佳渠

道。每年世界各地都有各种主题的机器人比赛，但是在篮球方面的机器人比赛还没有盛

行，所以本文揩对辅助投篮机器人的设计展开研究，希望此篇论文能够我给体育机器人

赛事的发展提供理论卜的支撑。

第1章绪论

小。只有保持合理的角度并与特定的速度配合使球沿着理想轨迹落入预定目标，据测

试5-8m外远距离投射角度约30—60°,因得知出手角度并非一成不变的，与高度、投

篮方式、速度都有关联。本文将从出手角度下手，通过数学推算出一道适用于立定投

篮型机器人的投篮公式。

1.3.1二维定点

为了更加准确推算出投篮公式，本推算不忽略空气阻力与物体质量，已知篮球场尺

寸:28mmx15mm。

如图1-1所示，建立坐标系，以A点为原点。A点为篮球场前边中心点，并且为篮

筐中心点，无视篮筐厚度与篮筐大小。则篮球场每个端点分别为B(-7.5,1.57),

C(7.5,1.57),D(-

7.5,-26.43),E(7.5,-26.43)

设投篮机坐标点为(x,y),则该点到y=0的距离为|y|,到x=0的距离为|x|;

当x大于0时，则arctan(|x|/|y|)为投篮机器人逆时针摆正的角度。

当x小于()时，则arctan(|x|/|y|)为投篮机器人顺时针摆正的角度。

国二

—e—

图1-1篮球场坐标系

132三维定点

投篮角度调整，标准投篮角度为30度、45度和60度。下文将以30度作为投篮

算例。高度调整，忽略机器人体积、形状，投篮出手点高度设为1800mm,并以此作为

算例。篮圈相对地面高度为3050mm。同时，简化三维坐标为二维坐标，如图1-2所示。

3

第I章绪论

y

图1・2投篮机器人球场位置示例

已知机器人二维坐桁为（x,y）,得到摆动角度为。

（1）通过下式算得机器人出手点到篮圈中心点的距离。

0=arctan瑞）

（2）作地面直线L,交于将过投篮出手点垂直于地面的射线

L="二+2

L2,又交于与过篮圈中心点垂直于地面的射线L3,并做一条与其平行且该与两条

射线相交的直线L4O建立新坐标系于这四条直线所构成的长方形中，以L3与地面直线

的交点为原点，则投篮出手点的坐标点G为（L』.8）,如图1-3所示。

图1-3投篮三维定点

4

第2章总体方案设计及参数确认

第2章总体方案设计及参数确认

2.1总体方案设计

2.1.1工作原理

将一个信号发射装置放在人体上源源不断的发出信号，而在本设计的机器人内部装

有信号接收装置，它可以在当人体与机器人位置比较接近时接收到处在人体的信号发射

装置发射而来的信号，通过判断距离从而可以定位人体的位置接着进行信号处理，调整

好与人身上发射装置的距离，与此同时驱动电动机让机器人可以通过电机的转动带动轮

子的转动朝人的位移方向做出移动。当人的运动发生停止并且准备投篮时，接收器接收

到发射装置停止运动，31动机器人上方的弹簧装置模拟干扰投篮动作。

2.1.2辅助投篮机器人总体设计

辅助投篮机器人主要由整体躯干、驱动装置、控制装置、弹簧机构等部仁组成。

(1)驱动装置

机器人一共有四个轮子，位于后半部分的两个轮选用万向轮，它可以随意旋转，并

且能够起到支撑的作用。前面则为电机驱动轮，可以为机器人位移时提供动能，同时也

可以通过转动来使机器人达到转向的目的。

(2)躯干部分

躯干整体形状设计为圆台状，分为底座和躯干部位，材质选为硬质塑料能够尽可能

的减轻机器人重量，圆告状能够提高机器人运动时的稳定性以及减小在运动时所产生的

空气阻力。

(3)控制结构

采用BLK-MD-BC04-B蓝牙模块，支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并

支持SPP蓝牙串口协议，这是一款公司自主研发的蓝牙模块，它的优点十分多，不仅价

格便宜，工作时的功耗也非常低，体积也很小，方便安装在机器上，最重要的是它的灵

敏性不错，受外界干扰的能力比较强，它的功能非常完善，仅仅需要少量的元件即可发

挥它强大的功能。单片机通过采集蓝牙数据，判断人的当前位置，然后控制直流电机，

实现机器人能够追踪人的运动并且对于投篮动作做出拦截反应。

(4)弹簧结构

为了模仿人体对于投篮训练者的干扰，采用弹簧结构，通过焊接的方式，将杆和钢

板焊接在一起，弹簧压缩后恢复原长会产生一定的弹力，底部为吸盘式电磁铁，通过电

5

第2章总体方案设计及参数确认

流控制根据电磁转换的原理实行弹簧的压缩，从而实现对人投篮时的干扰。

2.2辅助投篮机器人的参数确定

2.2.1辅助投篮机器人各部件尺寸、型号确定

辅助投篮机器人的总体尺寸，辅助投篮机器人叔体为下底80cm,上底为40cm高为

120cm的掏空台体，薄壁厚度约为5mm,台体中间有一个掏孔的钢板，其作用是能够为

弹簧提供支撑作用,上方为弹籥装置其中用40cm的杆连接上下支架°本设计共有四个

轮子，分别是两个驱动轮和两个万向轮，最上方的模拟干扰手为40cm。

2.2.2弹簧选择

弹簧选择原长为30cm,劲度系数较小，因为劲度系数越小，弹簧进行单位长度的形

变量所需要的力越小，本设计的弹簧是为了能够使上方干扰臂以一定加速度运动，因此

不需要太大劲度系数的力。弹簧的劲度系数主要跟制造弹簧时我们规定的弹簧的大小以

及材质有关，弹簧材料直径越大，弹簧的圈数和密度越少，工作环境温度越低则弹簧的

劲度系数就越大。因此本设计弹簧的选择应该是长度为30cm,外径为6cm左右，圈数

为6圈，弹簧丝直径为6mm的低碳钢作为设计弹簧的材质，以此用来保证弹簧的弹性。

2.3本章小结

本章主要确定以及选择设计的总体方向和各部分零部件的尺寸，通过选择外部材料

和内部零部件，使设计有了整体的规划，将大致框架确定好后接下来能够确定其他零部

件的设计进行计算校核。

6

第3章控制装置.与弹簧装置设计

第3章控制装置与弹簧装置设计

3.1控制装置的设计

3.1.1电源电路

如下图所示，我们需要将最开始的12V电压通过传导最后变成3.3V的电压作为此单

片机工作电源电路的提供源。开始时电压通过传导经过有着三个引脚的三端稳压器L78

型，它后面的05表示将电压稳定为5V,电压接着通过图中3的线路传导致线性稳压芯

片LM1117,它可将5v的电压稳定为3.3V的电压给HT66F70A单片机提供电源。本设计

所选择的两款单片机都是进行正电压输出的三端稳玉电路，它们的连接方式比较简单，

容易操作而且成本非常低，对于我们来说是一个非常不错的选择。

图3-1稳压芯片

接下来我们选择的是LM2596T-5.0开关电源芯片，它属于降压型电源管理单片集成

电路的开关电压调节器，上述通过稳压传导将12V稳定成5V的电压的最主要的最主要目

的就是为了给它提供电源。LM2596系列的工作模式分为正常功耗与低功耗庵种模式，

它的输出电压分为3.3V、5V、12V.AD/等，其最大输出电压为37V。此系列的的控

制器适用于简单的高频率变为低频率的变换器、正吸和负极互相转换的变换器。根据它

的输出电压大小又细致的划分为LM2596T-3.3、LM2596T-5.0、LM2596T-12、

LM2596T-ADJ等。LM2596T-5.。控制芯片不仅能嚼简化我们对于电路设计时的步骤，

同时还节约了设计时的所需要的成本，它的低功耗模式可以增加其使用寿命并且可以外

部控制，仅仅通过几个外围元件就可实现控制的目的。

7

第3章控制装置.与弹簧装置设计

IC1LN12.596-5.0

士

POWERO

O/

T1NN

InOOOFB

UT

ULLC1

匚

图3-2LM2596电源芯片

上图所示中，有两个滤波电容。和C2,从左边进入芯片第一个是输入滤波电容，当

电压由于电流或其他因素影响产生突变时，他能抑制住这种电压的突变，并且在

LM2596-5.0控制器需要电流导通的时候能够提供电流，保证其能够正常工作。整个芯

片中有一个二极管明，当天天天团时，电流停止传导，此时二极管可以为电感L提供电

流。最右边则是输出滤波电容C2,当整个环路通电时，它能够为整个环路提供稳定电压。

3.1.2主控芯片

HT66F70A系列单片机是一款性价比高、功能强大具有八位精简指令集的微控制器。

该系列的微型控制单元具有许多实用的功能，由于它的flash存储器能够进行多次程序

的编写，这让使用者能够更加方便的使用这款单片机。它拥有两个不同的数据储存器，

RAM和EPROM,RAM可进行普通数据的存储，而EPROM可以用来进行对序号、校准数据

等非易失性数据的存储。对于其模拟功能来说，该单片机包含一个多通道12位A/D转换

器和双比较器的功能。此产品拥有多个定时器模块，可为使用者进行定时、脉冲产生及

PWM产生带来非常大的方便。它的内部安装有完整的SPI和12c功能，此功能的巨大优点

是能为设计产品的人提供易于与外部硬件通信的接口。内部保护特性，例如看门狗定时

器、低电压复位和低电压检测等功能的设置，再加上优秀的抗干扰和ESD保护性能，当

该微控制器在比较恶劣的环境下比如受到外界严重电磁干扰的情况下依旧能够正常工

作。该微控制器提供了诸多的功能选项，它的内部还构建了完整实用系统振荡器，不需

要其他的外围元器件。由于其能够在不同的工作状态之间进行稳定的动态转换，能够减

少功耗，并且优化了单片机的操作。再加上时基功能、灵活的1/()使用等诸多其他的优

秀特性，使得该微控制器应用广泛，例如量测仪表、工业控制、各种小型家电、医疗健

8

第3章控制装置.与弹簧装置设计

康器材、电机控制等方面。其引脚图如下图所示

>pPP

nHPZAPPAP

3HaAN56A7

/AA/TS/S/S/

Tzn-ODIOKC

PNTcJS//3

二f5AS

N23/NAOUC§

Ac7ONA/5A/Apps

NpoN4C6N7Nga2

n-nnnXnnnnnn

-

»

PF1/AN11/C1PUZDPB7；SOI；SDA

於

PF0/AN10»C1NUMZ3PD6/SCK/SCL

PE7/AN9/1NT1UZDPD7/SCS

”

PE6/AN8/1NT0U=3PC2/PCK/TCK2>C0X

VSSU32=3PC3/PINT/TP2/TP2B/TP2I/C1X

VDDUHT66F60A/HT66F70A=□PC4；INT2/TCK3/TP2/TP2BTP2l/INTaPiNT

PB4;XT2U48LQFP-A30=□PCS/INTarrPa'TPOBTPlB/TPlBB/rTPlIaINTI/PCK

PB3/XT1U=JPDC/,TPS/TPSBSC&TCKa

VSS2U28nPD1/TP2/TP2aTP2l；SDO；SCK^SCL

PB17OSC1Ur=□P02；SDI7SDA/TCKO

PB2/OSC2UxZ3PD3/^TP^TP3B/SDaSCK/SCUTCK1

PESTP3^TP3BUuuuuuuuuuuuu25Z3PD4/TP2/TP2B/TP2I

SPFPEPEPEPEPCPPPCPP

OE23/2-OOVCWC6SO

W/SZ/TfT/

BPSIOOS^P3SSW

一DSCC

A一T

O/W/写OOP

号

A1II片MM

3HTNTNN22S2O

KC2lOTBBPfB

8388gWT

nT/npT

pPpl0P

二

;二

BBBl8

//A

SS

CC

O0

OM5

图3-3HT66F60A单片机

3.1.3蓝牙模块

本设计采用BLK-MD-BC04-B蓝牙通信模块,BLK-MD-BC04-B蓝牙通信模块为一

款自主开发的无线数据传输产品，使用它时能耗较低，占用空间位置很小，而且价格便

宜灵敏性非常高，受到外界干扰的能力很强，是现如今蓝牙数据传输领域智能化的性价

比非常高的产品。

9

第3章控制装置.与弹簧装置设计

BLK-IC-0CO4-0

H

UART-7X

O\

UART-RX/

9\

UART-CTS/

M8\

UART-RTS/

M7\

.J

PCM-CIK6

ploc/\

PCM-OUT5

HOwC/\

PCM-K4

7\

PCM-SYNCplot3

/\

*AKXO)pwc2

JSLMX1)PKK

MOCO

11X24

RESET0PKKO/

\

x8-SOEdplocN/

oSosWoa

lJ>Il—PKGXD

®-«K—dBO

3WdSssH

Ssn。1

图3-4BLK-MD-BC04-B蓝牙模块

3.1.4主程序模块

实现超声波传感器的数据采集、判断;电机的控制；串口数据的发送等功能。通过系

统初始化运行，将采集到的蓝牙数据进行数据处理最后向单片机发送串口数据。

图3・5主程序模块运行

3.1.5速度控制模板

通过微型处理器计算出人所在位置，自动跟随人同步移动，并且保持一定距离，当

停止运动时，微型处理器计算出与人的距离变小，机器停止运动。

3.2弹簧机构的设计

3.2.1弹簧的设计及计算

10

第3章控制装置.与弹簧装置设计

1.弹簧的参数计算：

圆柱弹簧的主要尺寸有：弹簧丝直径"、弹簧圈外径D、弹簧圈内径1)1、弹簧圈中

径。2、节距t、螺旋升角。、自由长度H。等。

图3・6弹簧尺寸设计

如果设计一款符合机器使用的弹簧，其中C是最重要的参数之一。C为弹簧的弹性

系数，c=与，C越小，材料在受力时抵抗弹性变形的能力越大，用我们通俗的话来说

a

就是弹簧越硬，此时弹簧内外侧的各部分之间相互作用的力相差越大;相反见弹簧会越

软。

弹簧总圈数与其工作圈数之间的关系为：

%=〃+今1£|式(3-1)

本设计弹簧的总圈数为6即〃0=6,则n的值可以近似看作4

H=300〃〃〃D2=60〃〃〃d=6mmc=10

弹簧节距/的选择公式为：

，=d+L+△式(3-2)

n

式子中人_为弹簧的最大变形量约为0.2H.△为最大变形时相邻两弹簧丝之间最小

距离，取值为().2d,代入公式计算

/=6+—+1.2=22.2mm

4

螺旋升角a=火一.'],通常。取5〜9。

I叫)

322弹簧的强度计算:

11

第3章控制装置.与弹簧装置设计

本设计采用的弹簧为压缩弹簧，当弹簧受轴向压力F时，弹簧会受至I」:扭矩

T=FRcosa,弯矩MubRsina,切向力Q=Fcosa和法向力N=Fsina（式中R为

弹簧的平均半径）。由于压缩弹簧螺旋角a的值为通常为6~9。,所以弯矩M和法向力

N可以忽略不计。因此，在弹簧丝中起主要作用的外力将是扭矩T和切向力Q。。的

值较〃'时，cosa^l,可取T=依和。二/。

图3-7弹簧受力图

从上图我们分析受力图不难得出，弹簧受到的主要为扭矩和横向力引起的剪应力,

对于圆形压缩弹簧:

F.2/

TQyF8FD(1=K*旧式0-3)

T=—+—=---+-----=——广•M

WA弓/302就3I2C

164

系数K,可以理解为切向力作用时对扭应力的修正系数，进一步考虑到弹簧丝曲率

的影响，可得

=K—式(3-4)

F为弹簧受到压缩的力，我们需要弹簧上的辅助手以一定的加速度弹射出去，F粗

略估计值为20N,代入式子中

r=K在当"35K

3x63

K=""+任工=0.()615+1.()8=1.1415

C4C-4

12

第3章控制装置.与弹簧装置设计

7=17.1

式子中K为曲度系数，因为弹簧丝曲率和切向力会在一定程度上对扭应力造成一定

的影响。

3.3电磁装置的设计

本设计所设计的电磁装置是安装在机器身体内部，通电螺线圈会产生磁力将钢板吸

住。其工作原理如图所示，当线圈1通入电流后，铁芯2会产生磁场，由线圈出来的磁

力经过铁芯、空气隙和被磁化的衔铁3而形成闭合回路。根据线圈中电流I的方向，可

用右手螺旋法则来确定线圈的磁感线的方向，我们所确定的N极则是磁感线出来的那一

极，而S极则是与之相反的那一极，在这个过程中衔铁会被磁化产生磁场，由于衔铁的

磁极与线圈磁极相反，衔铁受到异性相吸的电磁力F的作用，被吸向铁芯。当电源被切

断的时候，线圈内没有电流通过，因而产生的磁场会立即消失，没有磁性的衔铁将被释

放或放下钢板,从而江到用电源捽制磁力的目的C

图3・8电磁装置

当线圈通电后产生的磁场使衔铁产生磁极的变化，此时衔铁将会产生电磁吸力，而

它的大小与磁力线穿过磁极的总面积成正比。通常情况下，我们认定为磁感应强度B沿

磁极表面分布为均匀的，此时我们可以用以下的公式进行计算：

LB2c

r=—s

2No

在上述式子中，F表示的电磁吸力的大小，B为空气隙中的磁感应强度我们又称之

为磁通密度，S代表铁芯柱的横截面积，〃。表示的是空气导磁系数Ao=4^xlO9H/m

13

第3章控制装置.与弹簧装置设计

如果B以高斯用来计量，则经换算可得:

/B丫

F=・s

<5O66>

因为8=（所以尸=B«

.3式(3-5)

5()0())

式中。的值的含义为气隙中的磁通，1麦克斯韦=1（尸韦伯。

我们可以从图中看到通电线圈所缠绕的铁芯有两个部位产生磁力，因此磁场产生的

吸力也是由两个气隙一起作用从而产生的效果，可以得出吸力的大小是电磁吸力的二分

之一，换句话来说应该为电磁吸力的公式是吸力的两倍大小即

B\2

F=•S

V5000；

由于力的作用是相互的，以上弹簧受到的压力为20N,则此时磁铁的吸力应该大于

20N,这样才能够保证在通电产生磁场时，弹簧受到压缩后能够保持压缩状态。

3.5制动装置的设计

图3-9投篮机器人浮动钳盘式刹车

I—制动盘2-^子3—制动块4一支架5—防尘罩

6密封环7—活塞8—制而钳9—活塞

如图为浮动盘式制动器结构及零部件的拆卸。据图可知，由轮毂上的螺栓固定装配

好的制动器，制动钳通过转向节来固定，制动片主要在制动盘的两侧，制动片和制动盘

相互作用,完成制动过程C制动卡钳和油缸清洁后加入.•缓慢的加入活塞.在安装活塞

14

第3章控制装置.与弹簧装置设计

前，需要注意的是，必须事先安装除尘罩和密封圈，不然灰尘和水会导致液压泄露，影

响制动效果。正常情况下，压力会导致密封圈产生弹性形变，之后在压力消失其又回到

原始状态，活塞将其返回原始位置。制动时间过长时，密封圈活塞发生移动，会使得间

隙自动调整。

图3-10盘式制动器原理

3.5.1制动设计的一般原则

刹车制动的主要目的是使机器人在投篮人停止跑动时，能够同步的迅速停止，确保

不撞到投篮人。制动装置分为驱动和制动两部分。

352制动效能

制动力和制动力矩，是在受到压力作用后输出的。使用制动效率系数指标来对制动

器性能进行评估。制动效率K为制动盘生效半径R的摩擦比值和输入的力矩Fu的比值,

即为：

FuR

3.5.3制动器的尺寸及质量

在考虑性价比，降低成本还能保证制动力的情况下，对制动产生的热量能够快速传

走，使得质量和尺寸尽量减小，通过研究后在设计出了满足制动条件了更加紧凑的且较

为轻型的制动装置。

3.6本章小结

本章主要内容对各个装置进行设计和计算。首先设计控制装置，它是本设计的一个

重要装置，因为有此装置才可以实现机器人自动追随人的运动，主要采用蓝牙模块和单

片机对于人的位置进行数据采集和处理从而达到可乂追踪人的运动方式。其次为弹簧机

构中弹簧的选择和计算，由于本设计是通过弹簧的压缩和拉伸控制模拟手臂进这而到干

扰人的投篮。最后则为电磁装置的设计，当弹簧受到压缩产生形变时，与其连接的杆也

15

第3章控制装置.与弹簧装置设计

会向下产生位移，下方为电磁装置，通电时会产生磁场，将连接杆的钢板吸住，当电流

停止时弹簧不受约束力则会恢复原长。电磁装置的原理是通电螺线圈产生的磁场。

16

第4章其他零部件的设计

第4章其他零部件的设计

4.1万向轮的选择

本设计底部共有四个轮子，前面两个为电机驱动轮，后面两个为万向轮也就是所谓

的活动脚轮，它可以进行三百六十度的旋转。方向鸵的主要目的是提供支撑，在机器进

行转向等指令时能够让机器变得平稳。

图4-1万向轮

4.2电机驱动轮的设计

此机器人在行驶的过程中难免会受到各种阻力，其中包括的力有滚动阻力酊，空

气阻力/,加速度阻力号等，而这些力统统都由驱动力F,来克服。

图4-2驱动轮

17

第4章其他零部件的设计

4.2.1计算滚动阻力,

6=0+心式(41)

上述式子中心是该机器人的轮子与篮球场表面的滚动摩擦阻力，弓是轮子与轴承

之间的阻力。

心=。｝=啜式"-2)

~2

上面式子中，P表示的是轮子和地面间的压力及整个机器人的整体重量，辅助投篮

机器人的总体重量为60kg,则尸=600N,d为车轮轴直径，设计数值为c/=132w〃，D

为车轮直径,在该设计中。=156僧〃,Q为轮子所受的载荷,而〃为摩擦因数通常为0。15

代入式子中：

小0.015x13.2

=600x---------=0.76?7

156

F.,=er=600x0.015=9N

Ff=F-16N

422空气阻力的计算

空气阻力是当机器人开始运动时由于和周围的空气产生了相对位移从而形成

的作用在躯干部位的阻力，而影响空气阻力大小的原因有很多，比如外部环境的影响风,

风的大小会影响所受空气阻力的大小；还与机器人的体积大小以及所用材料的材质有

关，当所用的材质比较光滑时，受到的阻力相对会比较小；当运动时速度的大小也会影

响所受阻力的大小。本设计的运动速度较低，工作环境中风的影响不会太大，而且整体

的设计为圆台状光滑表面，因此所受的空阻力会十分小可以忽略不计，则

4.2.3加速度阻力

当机器人开始加速时，需要克服自身的重量产生的惯性力，这个惯性力即为加速度

阻力。下面为计算公式：

鸟二而7?〃max式K-3)

式子中m为本设计满载时的重量，而K为旋转惯量换算系数，它的值经过查表可得

为1.06,则为机器人加速时加速度的最大值04〃//,代入可得

18

第4章其他零部件的设计

F,==1.06x600x0,4=254.4^

F'=RJ+F",+FJ.=9.76+0+254.4=264.16N

4.2.4电机功率的估算

电机驱动功率的公式：

Ip

P=一v一式（4-4）

〃T]

本设计中为双驱动轮结构，因此"2,〃为电机的工作效率〃=0.8,匕ax是最大速度

0.8〃?/s,代入公式P=-x2M16x68=13208lv

20.8

4.3弹簧装置支架设计

机器人的躯干部位为厚度5mm的硬质塑料所组成的掏空台体，中间被一块硬质钢

板分隔，钢板中央掏出一个小孔，为了能够让杆能通过钢板与上方弹簧装置连接，钢板

中心设计一个卡槽用来加固弹簧。

图4-3支架结构

上图为弹簧装置的支架结构，它的下面为长度l（）（）mm宽度50mm的钢板，它的作

用是当弹簧受到挤压变形后，整个支架会向下产生一段位移，在钢板下方有电磁装置，

通电后产生磁场可以将钢板吸住。钢板的上方为焊接的杆，它的作用是连接上方钢板与

下方钢板，长度为400mm,杆上半部位板的上方连接有两个模拟人体手臂的橡胶手进

行投篮干扰。

4.4电磁装置的设计

本设计需要电磁装置用来产生磁场使弹簧机构立生作用，其工作原理为通电螺线圈

产生磁场，其三维图如图4.4所示

19

第4章其他零部件的设计

图4-4电磁装置

4.5辅助投篮机器人总装图

图4・5总装图

4.6本章小结

本章主要是对其他重要零部件的设计计算，重要零部件有万向轮以及驱动轮，对其

进行三维建模的绘制，对于驱动轮进行了电机的计算选择，其次对于弹簧支架以及弹射

装置进行了设计及三维建模，最后和整体的零部件进行总体的装配，一个大体上较为完

整的辅助投篮机器人设计便设计出来。

20

第5章驱动轮零件

第5章驱动轮零件

5.1电机的选择

本设计选用SGMGV-O3A3A21型号电机，具额定输出功率为300W,其图如图5-1所