“羽众不同”自动化羽毛球机器人创新结构设计

“羽众不同”自动化羽毛球机器人创新结构设计

 ,姜俊行,王雪超,郝绘坤

（山东协和学院  山东济南  250107）

摘  要：随着社会的发展，机器人开始进入我们的视野，人们的生活逐渐丰富多彩， 本文介绍的一种羽毛球机器人机构，该设备通过5G实现自动化陪同训练，且安全性高、劳动强度低。主要零部件构成：电机，红外感应构成的检测装置，羽毛球机械臂等装置构成。该机器人具有自动化，且安全性高、劳动强度低、专门针对人们日常生活锻炼的执行机构。自动羽毛球机器人由机械臂，滑轮，转向机构等构成。该机器人适用于家庭、训练馆、学校等，以及不适合现有的大型活动现场，本团队基于该社会现象，开发这一产品。

关键词：羽毛球机器人；机构；自动化 

引言

自动化羽毛球机器人主要通过我国现有的5G技术为基础，在电机的作用下，通过安装在机器人身上的机械臂，以及红外遥感进行检测、识别以及码垛和传球工作。红外传感可以对传球和打球过程中的羽毛球的坐标进行定位。机械臂工作台的定位精度和速度平稳性是衡量机器人性能的重要指标，在设计中要格外注重提升机械臂和红外传感的反应识别速度和平稳度，提升对羽毛球传接的控制。普通机器人发展水平是当前最能体现我国人民文化娱乐方式发展程度的指标，针对其的总体结构、原理、设计要点等方面展开论述。

1 自动化羽毛球机器人概述

该机器人主要由机身、行走机构、捡球机构和码放装置组成，能够在各种羽毛球训练基地和训练场馆使用，自动捡拾羽毛球训练后场地中散落在地上的羽毛球，并且将其自动码垛收纳，大大提高运动员的训练效率。

羽毛球机器人由全向平移底座机构、支撑连接机构、击球机构、落球机构与驱动机构。全向平移底座机构能够完成羽毛球机器人的迅速启动、停止、转弯、滑动等动作，是机器人运动系统的主要组成部分[1]。羽毛球机器人主要依靠底盘进行运动，底盘即为全向平移底座机构。底座材料主要采用三角铝型材料，具有质量轻、强度大的优势，在减轻机器人整体质量的同时，还提升了机器人的承重能力。为了保障行走机构的连接稳定性、刚度与强度，采用三角形铝片与螺栓对接口进行连接[2]。

全向平移底座机构中轮子采用全向轮，全向轮具有动作灵活、快速的优势，可以满足机器人的运动需求。全向轮主要由轮毂和从动轮组成，其中轮毂的外圆周围开设3个以上均匀的轮毂齿，轮毂之间安装从动轮，径向与轮毂外圆切线垂直。主要由伺服电机驱动。伺服电机能够将电压信号进行转换，以得到的转速与转矩对全向轮进行驱动控制。伺服电机具有控制精准度高的特性，为羽毛球机器人接球的准确性提供支持[3]。

2 自动化羽毛球机器人的设计

2.1工作原理

可自动化陪人训练，帮助人们提高身体素质，是居家锻炼的助手。基于无线电遥控/5g技术，操控简单，机动性好，操控性好，十分适用家庭锻炼工作。自动化羽毛球机器人还搭载了监测的传感器识别羽毛球以及人所在的位置进行陪同训练。自动化羽毛球机器人的加工能力与适应能力是考验陪同训练的关键因素。

结构说明：自动化羽毛球机器人有传动，控制等机构构成；功能与使用说明：该设备通过5G实现自动化陪同训练，且安全性高、劳动强度低。主要零部件构成：电机，红外感应构成的检测装置，羽毛球机械臂装置构成。

为此，本团队以续航能力强、自动化陪同训练，且安全性高、劳动强度低的“自动化羽毛球机器人”为选题，面向智能化，自动化等应用领域，探索充分利用模块化设计、压住或损坏模块自主分离的优点，弥补现有地域性能力的不足，突破机器运动灵活性、非结构化复杂地形环境适应能力，促进自动化方向发展态势。

采用全向轮作为平移底座机构的基础、连接架作为支撑连接机构，以气缸作为动力元件，通过调节气压的方式控制气缸伸出速度，完成击球机构设计; 利用卡环控制落球机构; 采用PWM 控制直流无刷电机，实现无极调速，在此基础上设置减速器，实现机器人的灵活运动，通过计算直流无刷电机及减速器各参数完成机器人驱动机构设计[4]。

2.2 自动化羽毛球机器人的设计

根据功能的不同，可以将整个机器人机构分为全向平移底座机构、支撑连接机构、击球机构、落球机构与驱动机构。

2.1.1基于全向轮的平移底座机构设计

基于全向轮的平移底座机构能够实现迅速羽毛球机器人启动、停止、转弯、滑动等动作，底座材料主要采用三角铝型材料，具有质量轻、强度大的优势，在减轻机器人整体质量的同时，还提升了机器人的承重能力。全向轮外径为150 mm，孔径为25 mm，轴向宽度为40 mm，主要由伺服电机驱动[5]。如图1所示。

图1 羽毛球机器人全向平移底座机构图

2.1.2支撑连接机构设计

支撑连接功能主要由连接架实现，连接架也是 支撑连接机构的主要组成部分。连接架采用的铝合金材料具有多种优势，包括冲击韧性高、缺口敏感度低、耐腐蚀性能强。

2.1.3击球机构设计

击球机构主要利用气缸作为动力元件，以此为羽毛球连杆提供动力。气压不同，击球的力度也是不同的，因此可采用调节气压的方式控制击球力度

。

图2 击球机构三维图

由图可知，击球机构的核心部分为气缸。气缸的推进收缩动作能带动羽毛球拍，使球拍绕轴做往复运动，从而完成击球运动。

当气缸匀速伸出时，其位置分析式为: L0i + L1eiφ1 = L3eiφ3，式中: i为击球次数;e为转角分量;L0，L1为已知的机械臂长度参数，其能够针对性地对速度与转角进行调节;φ1，φ3为位置所在区域固定参数;L3为羽毛球拍击球时的位置变量[6]。

2.1.4落球机构设计

羽毛球机器人落球机构的主要材料为铝合金薄片，将铝合金薄片做成方桶状，内部装有卡环，主要功能是对羽毛球进行卡位，在不需要落球的时候保障羽毛球稳定放置于球筒内[7];当需要发球时，落球装置开始运行，控制系统打开卡位的开关，落下羽毛球，接着卡位关闭。

2.1.5驱动机构设计

为实现羽毛球机器人的正常工作，驱动机构中的电机直接决定羽毛球机器人的运动性能。直流无刷电机主要采用 PWM (脉冲宽度调制)控制机器人运动，实现无极调速，满足机器人运动的灵活性[8]。根据羽毛球机器人的运动需求，选择带有减速功能的电机，将电机输出系统直接连接到机器人驱动轴上，提升羽毛球机器人驱动机构的紧密性。

3 结束语

机器人将是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器。机器人技术应用不断扩大。本文提出了一种新的羽毛球机器人结构设计方案，分别设计了羽毛球机器人的平移底座机构、支撑连接机构、击球机构、落球机构和驱动机构，并据此制造出了自动化羽毛球机器人样机。为羽毛球运动提供了一种新的方式，因此研究发展机器人技术受到世界各国重视。

参考文献

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[2]王志中.基于改进蚁群算法的移动机器人路径规划研究［J］.机械设计与制造,2018(1):242－244．

[3]刘勇，胡海秀，等.全向移动平台运动学分析及其自适应控制器设计［J］ ．机械科学与技术，2017，36(6):883－889．

[4]王恺睿. 羽毛球机器人设计与研究[D].中国矿业大学,2017.

[5]应文杰，徐开，徐少平．羽毛球机器人机械臂运动轨迹多目标规划［J］ ．计算机工程与应用,2017,53(3):258 －265．

[6] 谢康康，郭斌，胡晓峰，等．基于视觉定位的四保阀开启压力自动调节系统［J］.电子测量与仪器学报，2018(3):9 －17．

[7] 赵刚要，黄锋，张冉阳，等．铸态高强铝合金筒形件强力热反旋显微组织演化［J］.塑性工程学报，2017，24(2):64 －69．

[8] 曹狄，陈玮，林浩志，等．基于ＲOS的羽毛球机器人上体控制系统设计［J］ .机电一体化，2018，24(2):55 －60．

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