【《某辅助投篮机器人的设计》8600字（论文）】

目录Ⅱ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自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，所以本文将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上的支撑。1.1辅助投篮机器人的研究背景与现实意义我国作为一个体育强国，在体育运动方面发展的越来越强大，乒乓球稳居世界第一，排球水平在郎平郎指导的带领下名列前茅，但在篮球方面面对具有天赋而且实力强劲的美国还是略逊一筹，美国篮球运动员们天生个头高大，身体素质明显高过我们国家的运动员，众所周知篮球是一项对抗尤为激烈的体育项目，在对抗如此激烈的篮球运动上我们不会占据很大的优势，因此投篮的命中率在一场比赛中会显得尤为重要。正是在这样的背景下，一款能够辅助人进行投篮训练的辅助投篮机器人便应运而生了。辅助投篮机器人的最本质功能便是通过传感器追踪人的运动轨迹进行运动，当人做出投篮动作时，机器人上方的弹簧手做出反应，通过弹簧装置模仿人体的手臂对投篮者进行投篮干扰。此款机器人面向的是所有篮球兴趣爱好者，投篮也是篮球运动中最基础的，根据调查和采访打篮球的人，我们发现了一个普遍存在的问题，有些人在日常一个人训练投篮时命中率会非常的高，但是到了赛场上打比赛的时候命中率会下降的特别快，这个问题产生的原因就是人们在投篮时没有进行干扰训练，当你打比赛受到干扰时训练的投篮动作会产生变形，这个辅助投篮机器人的设计会很好的解决这个问题。1.2辅助投篮机器人的国内外发展现状当前我国的智能机器人发展迅速，许多产业的机器人变得越来越智能化，随着人们的人均收入的不断提高，也对自身的生活品质有了更高的要求，同时随着新的年轻一代逐渐长大，父母在工作上的压力越来越大，同时陪同孩子的时间越来越少，现有的机器人已经明显没有办法达到这些要求。在平时训练投篮的过程中，难免会有独自一个人的情况，本设计有着自动传感追踪功能设计，会对一个人的投篮水平进乃至一个国家的篮球事业做出贡献，目前市面上暂无此款机器人，与之相类似的有守门员机器人。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，驱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、弹簧机构等部件组成。（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，圆台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。图2.1投篮机器人总体结构图（1）交叉升降架(2)导轨槽（3）滚动轴承(4)顶板(5)弯臂（6）旋转支撑座(7)第一转轴（8）弯臂(9)第一转轴抓手(10)电池组(11)智能控制柜(12)(13)智能控制芯片(14)若干电机驱动器(15)移动轮(16)电动机(17)变速箱(18)操作手柄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，辅助投篮机器人躯体为下底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，上方为弹簧装置其中用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辅助投篮机器人运动过程投篮机器人装配简图如下页所示。图2.2投篮机器人正视图图2.3投篮机器人侧视图此方案的主要运动原理如下：图2.4投篮机器人运动原理如图所示，机器人采用球和两个轮子，两个轮子之间的摩擦带和连接到大轮轴框架上的两个椭圆形槽。摩擦带的张力可以通过调整大轮的位置来调整，通常是尽可能紧的。小轮有一个电动机。当电机工作时，小轮以一定的角速度旋转。由于摩擦带的张力，静摩擦力将带驱动到速度V1运动，而带也以静摩擦力驱动大轮。由于摩擦带具有16个球的均匀连接，摩擦带的作用是通过球板将球移动到导向器1中。整个机器人以V2的速度移动，因此均匀放置在手指区域的球被推入引导器1。轨道1可容纳多达8个球，加上导向杆2，可同时安装整个机器人约12个球。两个轮子的直径分别为Ф154mm和Ф284mm，相邻两片拨球板之间的线距离为196mm，拨球板的长度为120mm，这些数据均经过计算得出，使到当取第一个球的时候拨球板不会和前方300mm处的第二个球发生干涉相撞而把球给撞乱。当其中一个尺寸改变，其他几个尺寸均要跟着改变。从出球口A里出来的球进入导轨2，球在重力和惯性的作用下，滚向投射机构，被导轨2末端的十字拨杆挡住。拨杆连接有小电机，电机每转45°，拨杆也转45°，其效果是使导轨2里最前面的一个球进到投射机构，而后面的球被拨杆挡住，用单片机控制小电机，从而就保证了可以控制到球是一个一个地进入投射机构的，给投射机构带来了很大的方便。本方案的困难之处是小轮电机的转速和机器人前进的速度要配合得很好，对单片机程序和传感器要求较高。还有对机器人取球点的位置和取球时机器人前进的路线方向要求较高，要求机器人停在合适的取球开始点上开始取球，并保证机器人在取球前进时保持方向的不变，保证能在取球区域上一次性连续地取同一行（列）上的4个球，尽量节省时间。2.4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。辅助投篮机器人控制系统设计3.1电源电路如下图所示，我们需要将最开始的电压通过传导最后变成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型，它后面的表示将电压稳定为，电压接着通过图中3的线路传导致线性稳压芯片，它可将的电压稳定为的电压给单片机提供电源。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压电路，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稳定成的电压的最主要的最主要目的就是为了给它提供电源。系列的工作模式分为正常功耗与低功耗两种模式，它的输出电压分为、、、等，其最大输出电压为。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、正极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、、、等。控制芯片不仅能够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。图3-2LM2596电源芯片上图所示中，有两个滤波电容和,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,当开关关闭时，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，当整个环路通电时，它能够为整个环路提供稳定电压。3.2主控芯片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，和，可进行普通数据的存储，而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位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、脉冲产生及产生带来非常大的方便。它的内部安装有完整的和功能，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I/0

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、医疗健康器材、电机控制等方面。其引脚图如下图所示图3-3HT66F60A单片机3.3蓝牙模块本设计采用蓝牙通信模块,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。图3-4BLK-MD-BC04-B蓝牙模块3.4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。万向轮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，空气阻力，加速度阻力等，而这些力统统都由驱动力来克服。图4-2驱动轮4.2.1计算滚动阻力式（4-1）上述式子中是该机器人的轮子与篮球场表面的滚动摩擦阻力，是轮子与轴承之间的阻力。式（4-2）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,d为车轮轴直径，设计数值为，D为车轮直径，在该设计中，Q为轮子所受的载荷，而为摩擦因数通常为0.015代入式子中：4.2.2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：式（4-3）式子中m为本设计满载时的重量，而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,代入可得4.2.4电机功率的估算电机驱动功率的公式：式（4-4）本设计中为双驱动轮结构，因此n=2,为电机的工作效率，是最大速度，代入公式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100mm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产生作用，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。致谢第5章驱动轮零件5.1电机的选择本设计选用型号电机，其额定输出功率为300W，其图如图5-1所示图5-1伺服电机5.2联轴器的设计由于的价格比45钢贵，在考虑经济的方面上本设计的联轴器采用45钢的材质，它能够大大降低设计的成本，图如5-2所示图5-2联轴器5.3驱动轮支架设计驱动轮支架的作用是连接轮子与机器人底座，能够保证在电机带动轮子转动时，机器能够平稳移动，材质同样选择为45钢，如图5-3所示图5-3轮架5.4驱动轮设计本设计驱动轮外圈为软橡胶材质，其优点为不仅能够减少使用时的噪音，而且相比硬质橡胶能够更加贴合运动场地的使用，如图5-4所示图5-4驱动轮5.5驱动轮总装图图5-5驱动轮5.6本章小结本章主要对驱动轮的各部分零件进行了介绍和设计，我先将驱动轮的轮架设计出来，然后将电机与轮架进行装配，接着将电机的转动轴与驱动轮进行配合，最后一个完整的驱动轮便应运而生了。结语本毕业设计根据现实生活中的实际需求与痛点，在现如今科技水平迅速发展的生活里为人们能够更好地生活设计出新型机器，实现了产品的一次性能飞跃。此辅助投篮机器人具有智能化的特点，在没有人帮助自己进行高强度对抗投篮训练时用来辅助自己进行投篮练习，大大促进了投篮训练的智能化，也推动者体育方面的设计发明向着智能化与标准化方向发展。在本毕业设计过程中，先后进行了控制装置，弹簧装置，电磁装置以及传动装置的设计，通过查阅相关资料与计算相关数据，分析了现如今与其工作原理相似的机器，并向老师进行了专业方面的请教，最终相对完整的设计出了这款辅助投篮机器人。我相信随着人们的生活水平的持续不断的提高，人们在日常生活中也会需要越来越多的智能化、专业化的体育设备来代替以往耗费人力的运动，这当中全世界都在打的篮球无疑会是最重要的一部分。而大数据、互联网、5G、人工智能也将更加深度的与之融合，这是未来的一大必然趋势，当紧随这一趋势时我们设计、制造出来的产品获得成功的概率将会大幅增加。此款辅助投篮机器人正是在这一大趋势之下应运而生，其也必定将为市场产品的更新与推广提供理论依据与实践基础，为大众生活的多姿多彩贡献一份力量。本毕业设计作为一款全新的辅助投篮机器人产品自身肯定依旧有着很多的不足。而面对许许多多暂时还没有暴露出来的问题，我们应该积极应对，并不断地根据当下的前沿科技进行设计的调整，时刻保持其先进性与合理性。同时我们应该将从书本上学到的理论知识与实际生产中的各种场景相结合，努力充实自己在机械、电器等方面知识，多学科融会贯通，努力提高自己的技术能力和竞争水平，将这些纸面