自動撿球機器人的機械結構設計

1、摘 要三號黑體加粗該機器人主要應用在乒乓球比賽場和訓練場上，它有自動撿乒乓球和自動送乒乓球的功能。雖然，現(xiàn)在市面上有很多智能的機器人已經應用到我們的日常生活當中，但是并沒有專門應用在乒乓球場上的機器人。在乒乓球場上，在比賽或者訓練的時候，地面上肯定會有很多出界和無效的乒乓球?，F(xiàn)在，我們一般主要還是通過人工的方法來撿球和送球，這明顯降低了工作的效率和提高了工作人員的勞動強度。因此，如果我們將智能機器人應用在乒乓球場上，實現(xiàn)撿球和送球的自動化，這將會大大提高我們的工作效率和降低了工作人員的勞動強度。所以將自動撿球機器人應用在乒乓球場上，這將會有很大的市場發(fā)展?jié)摿?。在本設計論文中，主要是自動撿球機器

2、人機械結構部分的設計。用UG NX 6.0軟件構建出自動撿球機器人的立體模型，并對各部分的運動機構進行分析說明。最后，用AutoCAD2008軟件繪制出相應零部件的工程圖和機器人的裝配圖。本文詳細討論了機器人機械結構的設計。首先，為了更好地理解機械結構的設計思路，在開始的時候，就引入了總體的設計方案。然后，對各個主要的機構進行詳細的設計和分析。最后，介紹了設計的總體效果。關鍵詞：機器人，機械結構，UG NX 6.0AbstractThis designed robot which can pick up table tennis and take back table tennis autom

3、atically is used in the completive and training field. Although it is a lot of intelligent robots on the market have been applied to our daily life, seldom of deliberate robots are used in the field of table tennis. In the table tennis field, when we are in the training or competition, there will be

4、 a lot of table tennis which are out of pool table and invalid table tennis in the ground certainly. Today, we often pick up and take back table tennis artificially, and it can reduces work efficiency and raise our labor intensity obviously. Therefore, if we can apply the intelligent robots to the t

5、able tennis field, which can pick up and take back table tennis automatically, that will greatly improve our work efficiency and reduce the work efficiency of the staff greatly. Therefore, in the table tennis field, the applications of robot which can pick up and take back table tennis automatically

6、 will have a great commercial potential.In this dissertation about the design concerning the robot, it mainly relate to the design of mechanical structure. And also, I construct the stereoscopic model of the robot which can pick up and take back table tennis automatically with the help of the UG NX

7、6.0 software, and make an analysis show of the kinematical mechanism. Finally, I draw the engineering drawing of the appropriate parts and assembly drawing with the help of the AutoCAD2008 software. This paper discusses mechanical structure of the robot minutely. first of all，I introduce the overall

8、 design ideas in order to make a better comprehension. Afterwards, I analyze the designed mechanism in detail. At last, I introduce the gross impressions of the design.Key words：Robot, Mechanical structure, UG NX 6.0目 錄1 緒論11.1 背景11.2 本課題研究的內容11.3 論文的構成22 總體設計方案32.1 行走方式32.2 撿球方式32.3 驅動和轉向的方式42.4 主體

9、材料的選擇63 結構的設計73.1 驅動機構73.1.1 電源的選擇73.1.2 電機的選擇83.1.3 車輪的確定83.1.4 驅動裝置93.2 撿球機構113.2.1 撿球的總裝置113.2.2 微型真空泵的選擇133.2.3 堵氣機構143.2.4 存放腔的設計204 機器人的傳感器224.1 機器人的視覺224.2 機器人的觸覺224.3 機器人的計數(shù)功能235 設計的總效果與工作過程245.1 設計的總效果245.2 工作過程25結論26致謝28參考文獻291 緒論1.1 背景機器人是一個自動執(zhí)行某種動作的機械裝置，它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編制的程序，也可以根據以人工智能

10、技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產物。現(xiàn)在，機器人在各行各業(yè)中，都有著廣泛的應用，例如制造業(yè)、建筑業(yè)，或是其它危險性的工作1。要想設計出一個機器人，就必須要具備以下這些方面的能力。第一，電子學基礎。這部分內容包括模擬電路和數(shù)字電路理論，要學習電阻、電容器、晶體管以及其他普通電子元器件等基礎知識。第二，編程基礎。先進的機器人都使用計算機或微處理器（例如單片機）來控制自己運動的，這就需要靠編程來實現(xiàn)。第三，機械基礎。機器人也是一臺機器，要靠運動來完成任務。要想設計一個機器人這就需要設計一些相應運動的機械機構。隨著計算機

11、技術和人工智能技術的高速發(fā)展，機器人在功能和技術上都取得了很大的提高?，F(xiàn)在，即使在嚴峻的經濟形勢下，仍有很多面向各個新應用領域的機器人不斷涌現(xiàn)出來。目前，機器人應用率的快速增長并非僅僅是一時的狂熱，而是社會發(fā)展的必然趨勢。許多枯燥、骯臟和危險的工作最終將由機器人代替人工來完成。隨著機器人技術的高速發(fā)展，機器人競技運動在世界各地蓬勃興起。社會在不斷地發(fā)展，對機器人的要求也越來越高2。目前，我國也正掀起一股機器人的熱潮。我國機器人的技術也取得了很大的進步。我國的機器人技術大致有如下發(fā)展趨勢：（1）智能化。智能化不僅是對機器人系統(tǒng)的要求，也是對工作環(huán)境的要求。智能化的發(fā)展趨勢，有效地提高機器人工作的

12、效率和使用性能。（2）標準化和模塊化。我國還沒有統(tǒng)一的機器人標準。統(tǒng)一的標準和平臺能夠大大減少應用軟件廠商的成本，并能優(yōu)化服務機器人領域的體系結構，規(guī)范中間件，實現(xiàn)模塊化3。1.2 本課題研究的內容該機器人的主要任務是自動撿乒乓球，主要應用在乒乓球比賽場或者練習場上。設計的自動撿球機器人大概的工作流程如下：當自動撿球機器人通過聲控裝置自動識別并接收到運動員發(fā)出的撿乒乓球命令后，采用圖像識別技術自動識別乒乓球落下的方位。然后，對乒乓球的位置分布作一個最優(yōu)的行程判斷，再走到每個球落下的地方。最后，將乒乓球撿起來，放進存放腔中。當機器人接收到由運動員發(fā)出送球指令后，再自動地把乒乓球送給運動員，完成自

13、動撿乒乓球的一個工作流程。本論文，主要涉及到的是機械結構部分的設計，采用UG NX6.0軟件構建出機器人的模型，并且對各個設計出的運動機構進行分析說明。1.3 論文的構成本論文主要分為以下幾部分。第一部分，總體方案的設計。主要介紹設計的自動撿球機器人的基本構造、撿球的方法、驅動方式和主體制造材料的選擇。第二部分，各運動機構的詳細設計和各部分機構的工作原理，并對各個設計的機構進行簡單的分析。第三部分，主要簡單地介紹安裝在自動撿球機器人的傳感器和導航系統(tǒng)。第四部分，主要是對這幾個月以來，做畢業(yè)設計的一些總結和心得體會。2 總體設計方案2.1 行走方式機器人行走機構的分類和各類的特點如表2.1所示2

14、。表2.1 機器人行走機構的分類特點行走方式特點輪式最適合平地行走，不能跨越高度，不能爬樓梯。 履帶式可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障礙物，能爬梯度不太高的臺階。行走式機器人的重心落在腳掌上，它一方面要取得準靜態(tài)平衡，另一方面要穩(wěn)定步行。因此，它的控制比較復雜。由于乒乓球賽場一般都比較寬敞，且地面比較平整，所以選擇輪式行走方式會比較合理。并且，輪式的機器人設計和制作的過程相對其它類型的機器人較為簡單，在控制系統(tǒng)的設計方面的處理也比較容易。2.2 撿球方式對于撿球方式有兩種方案。第一種方法就是設計一個機械手，直接將乒乓球抓取，并且將乒乓球放到存放腔中。另一種方法就是用仿照吸塵器的原理，將乒

15、乓球吸起來，再存放到存放腔中。如果設計一個機械手抓取乒乓球，則需要設計的活動關節(jié)較多，設計的機構較為復雜，而且在控制方面也比較難處理。由于自動撿球機器人作用的對象是乒乓球，并且乒乓球的體重較輕、體積較小，因此比較容易吸取。因此，撿球的方式采用第二種方法。這就需要安裝一個可以吸氣的微型真空泵。微型真空泵的結構如圖2.1所示4。圖2.1 真空泵微型真空泵的工作原理是：電機作圓周運動，通過機械裝置使真空泵內部的隔膜做往復式的運動，從而對固定容積的真空泵腔內的空氣進行壓縮、拉伸形成真空(負壓)，從而使真空泵的抽氣口處與外界大氣壓產生壓力差。在壓力差的作用下，將氣體壓(吸)入泵腔內，再從排氣口排出來，完

16、成一個吸氣的過程4。在真空泵吸氣的過程中，為了防止空氣從乒乓球的出口進入，從而減少從乒乓球入口進入的空氣，達不到撿球的作用。因此，要另外設計一個堵氣機構。在微型真空泵吸氣的過程中，乒乓球的出口關閉。當微型真空泵吸氣完成后，乒乓球的出口打開，讓乒乓球走出來，進入存放腔中。在這個機器人中，采用了一個平面四連桿機構的堵氣機構。2.3 驅動和轉向的方式機器人采用12v的步進電機驅動，并且用前輪驅動、后輪導向方式。導向采用的是萬向輪，萬向輪的結構如圖2.2所示。萬向輪可以由廠家直接生產制造出來，不必另外設計，而且比較容易獲得，使用起來也比較方便。導向輪安裝在腳輪輪子的支架能在動載或者靜載中水平360度旋

17、轉，起到導向的作用5。 圖2.2 萬向輪結構圖用以實現(xiàn)機器人轉向的方法有很多。常用到的有以下幾種：（1）差動型轉向。對于輪式和履帶式機器人的轉向來說，差動法是最為常用的方法。當轉向時，機器人一側的輪子或履帶停止前進或反向運動，另一側的則繼續(xù)向前運動，從而使機器人向輪子或履帶停止或反向運動的一側轉向。（2）汽車型轉向。汽車型轉向雖然沒有差動型轉向的機動性好，但它適用于室外路況，特別是不平坦的路面。采用此種轉向方式的機器人轉向圓圓心是在輪子的外側，而不是在兩輪之間，因此可以獲得更大一些的牽引力。（3）三輪車型轉向。差動型轉向的最大缺點就是當驅動機器人兩側車輪的電機中一個速度略微慢一點，機器人所行進

18、的路徑就會變成曲線。使用三輪車型轉向的機器人，必須合格證其用于轉向的電機定位，否則無法保證機器人能進行直線運動。（4）全方位型轉向。這種方式要求機器人具備三個具備轉向功能的驅動輪，而這些車輪需要兩個電機，一個用于轉向，另一個用于驅動車輪運轉。全方位機器人有很強的靈活性，并且轉向準確，但技術實現(xiàn)比較困難2。本設計主要采用差動方式進行轉向。在機器人的兩側在相對應位置各安裝一個相同的電機，分別驅動兩個車輪，并且實現(xiàn)差動驅動。機器人的兩個輪子以相等的速度和相同的方向轉動時，可以實現(xiàn)機器人的向前和向后的運動；當左輪停轉或者反轉時，可以實現(xiàn)機器人的左轉向；當右輪停轉或者反轉時，可實現(xiàn)機器人的右轉向；當兩輪

19、以相同速率地正轉或者反向轉動時，機器人將會原地轉向，從而實現(xiàn)機器人的原地左轉或者原地右轉。其工作原理如圖2.3所示。圖2.3 機器人的運動和轉向綜上可知，設計的整個機器人總共需要三個輪子。裝在前面的兩個車輪是驅動輪，起到驅動的作用，并且兩輪獨立驅動。裝在后面一個輪是萬向輪，起到導向的作用。2.4 主體材料的選擇制作機器人常用的材料主要有以下幾種。（1）木材。選用木材的最大優(yōu)點是它的價格低廉，加工方便，可直接用手工鋸進行加工。但是，它在零件接頭的地方比較容易損壞，而且比較容易磨損。（2）塑料。塑料的種類較多，可以根據機器人不同的功能，選擇出不同的塑料。這主要有以下三種塑料可以選擇。第一，熱固性塑

20、料。這種塑料較堅硬。它只能通過切削來定型，它一般用于硬塑料玩具、電器產品和其他對結構強度有一定要求的產品中。第二，彈性塑料。它具有很高的彈性，它和熱固性塑料一樣，不能通過加熱的方法來定型。第三，熱塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纖維素塑料、環(huán)氧樹脂、尼龍、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亞氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅樹脂。（3）金屬材料。這種材料的強度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。但是選用這種材料會使機器人體重增加，會增大電機的負載。（4）有機玻璃。這種材料比較難獲得，而且價格相對其它材料也比較昂

21、貴1。由于制作的自動撿球機器人體積較小，要求的重量也較輕。因此，主體的制造材料選為環(huán)氧樹脂塑料。該材料是一種非常耐用而且干凈的塑料，通常用作玻璃纖維的黏合劑。它在大多數(shù)情況下成液態(tài)，被用于灌注到別的零件或者玻璃纖維基體上。干燥后，環(huán)氧樹脂可以切割、鉆孔和拋光。因此，選該塑料作為機器人的主體材料比較合適。3 結構的設計3.1 驅動機構3.1.1 電源的選擇機器人常用的電池有以下幾種類型。（1）干電池。由于干電池屬于一次性使用的，成本也相對較高，并且干電池的內阻一般都比較大。因此，當負載比較大的時候，電壓會下降得很厲害，無法實現(xiàn)大電流的連續(xù)工作。因此，干電池并不是機器人系統(tǒng)的理想電源。（2）鉛酸蓄

22、電池。它的最大的特點是價格較低、過充電的承受能力受強，大電流放電能力和可靠性高。但是，它的質量比較大，維護起來相對比較困難。（3）鎳鎘/鎳氫電池。它具有良好的大電流放電特性、耐過充和放電的能力強、維護簡單等優(yōu)勢。但是，其最致命的缺點是：在充放電過程中，如果處理不當，會出現(xiàn)嚴重的“記憶效應”，使得電池容量和使用壽命大大地縮短。此外，鎘是一種有毒金屬，因而鎳鎘電池不利于環(huán)境的保護，廢棄后必須嚴格地進行回收。由于眾多的缺點，使得鎳鎘電池在機器人的應用中越來越少。（4）鋰離子/鋰聚合物動力電池。鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點。但是，鋰離子電池的充電和放電必須嚴格小心，通常在使用鋰離子電

23、池組的時候必須配備專門的過充電、過放電保護電路。鋰離子電池價格也相對比較高，并且需要另外配備保護電路。因此，相同能量的鋰離子電池的價格是免維護鉛酸蓄電池的十倍以上5。 綜合實用性和經濟性原則的考慮，在本機器人的設計中，選用了鉛酸蓄電池。在本設計，可以采用山東金科力電源科技有限公司生產的鉛酸蓄電池，各個性能的參數(shù)表3.1所示5。表3.1 選用鉛酸蓄電池的性能參數(shù)電池型號額 定額定容量(Ah)外型尺寸(mm±1mm)參考DJW12-1.2電 壓1.8V1.8V1.7V1.7V1.6V長寬高總高重量(kg)12V20HR10HR5HR3HR1HR974352580.571.21.121.0

24、30.940.743.1.2 電機的選擇微型機器人使用的電機一般有步進電機、直流電機和直流伺服電機這三種類型。這三種電機的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。（1）步進電機。它是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使在機器人控制變得簡單。（2）直流電機。它有極寬的功率調節(jié)范圍，調整特性平滑，適應性好，過載能力較強，而且具有很好的性價比，是一種通用的驅動電

25、機。（3）伺服電機。它是自動裝置中的執(zhí)行元件，它的最大特點是可控。一般來講，它主要同以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等6。在本機器人設計中，采用了步進電機。3.1.3 車輪的確定設計的自動撿乒乓球機器人采用的是前輪驅動，后輪定位的方式。該機器人靠前輪與地面之間的摩擦力驅動前進。因此，前輪作為一個驅動輪，要設置一些花紋，以增大摩擦力。在該機器人的設計中，將前輪的直徑設計為64mm。設計前輪的效果如圖3.1所示。圖3.1 前輪（驅動輪）導向輪采用的是萬向輪。萬向輪一般可以由廠家直接生產提供，而且價格也比較便宜。因此，萬向輪不需要再另外設計。在本設計中，采用了

26、紅旗山電子有限公司生產的萬向輪，該萬向輪的產品編號為：JXGJWXL40，外形如圖3.2所示7。注：外徑40mm、厚12mm、孔徑2.3mm圖3.2 萬向輪外形圖3.1.4 驅動裝置1、傳動方式的決定一般來講，機器人的傳動裝置主要有齒輪傳動、鏈傳動、帶傳動和蝸桿傳動。在本設計中，采用齒輪傳動，這樣不僅可以使設計變得更加簡單，而且齒輪傳動也較為平穩(wěn)。主動齒輪和從動齒輪的模數(shù)m為0.8，齒數(shù)z為50，則齒輪的直徑。2、 齒輪與電機軸的連接為了將齒輪安裝到電機軸上，通常要使用緊定螺釘進行連接，如圖3.3所示。大多數(shù)的齒輪都有自帶的緊定螺釘或用以旋入螺釘?shù)目?。如果沒有，可以自己鉆孔，并對其攻絲8。圖3

27、.3 使用緊定螺釘將電機軸與齒輪連接起來3、 前軸的軸系結構前軸安裝驅動輪，它的主要功用是支承零件及傳遞動力。在前軸軸系的零件主要有：軸承、從動齒輪、定位套筒、軸承套、前輪和螺母等。各個零部件的大概安裝位置大概如圖3.4所示。圖3.4 前軸的軸系結構4、驅動裝置的總體結構將驅動裝置的各個零部件組裝起來，組成一個完整的驅動系統(tǒng)，其效果如圖3.5所示。圖3.5 傳動裝置系統(tǒng)3.2 撿球機構3.2.1 撿球的總裝置由于乒乓球重量較輕、體積較小，而且比較容易吸取。因此，撿球的機構采用微型真空泵吸取的裝置。首先，機器人通過判別乒乓球的位置。然后，走到乒乓球的位置前。最后，由單片機控制啟動微型真空泵，使乒

28、乓球吸進塑料制成的軟膠管道，使乒乓球從出口處走出來，并且進入乒乓球存放腔中。為了使機器人具有自動清潔機器人的作用，可以在乒乓球的入口處安放一些毛刷，當乒乓球剛進入管道時，除去灰塵。粗的塑料軟膠管的內徑大概為60mm，細的塑料軟膠管內徑大概為10mm（與微型真空泵的進氣口和吸氣口連接）。粗的膠管和細的膠管有一個連接的地方，可以使用黏合劑將它們連接起來。使用黏合劑連接時，要注意保持接觸表面的清潔，并用砂紙打磨連接相接觸的表面。這些軟膠管可以直接購買，并且按圖3.6所示的位置布局進行安裝。圖3.6 真空泵與膠管的布置再將撿球裝置的其它各個部件組裝起來后，得到的撿球裝置如圖3.7和圖3.8所示。圖3.

29、7 吸氣裝置效果圖一圖3.8 吸氣裝置效果圖二3.2.2 微型真空泵的選擇1、型號的確定當完成吸球的工作后，為了使乒乓球能夠順利地送出去，可以選用抽氣和打氣兩用的微型真空泵。吸球時，真空泵抽氣，將乒乓球撿進來；吸球完成后，真空泵打氣，將球吹到存放腔內。在自動撿球機器人的設計中，我們可以選用成都新為誠科技有限公司生產型號為FAA8006的微型真空泵，其功能參數(shù)如表3.2所示9。表3.2 微型真空泵的參數(shù)型 號電 壓(V)負載電流(mA)功率(W)流 量(L/min)真空度(KPa)負壓(KPa)最大輸出壓力(KPa)最大體積（mm3）重 量（g）FAA800612<340<4.086

30、50-5080100×37×59350注：標準大氣壓為101KPa，真空度的值為絕對壓力，負壓和最大輸出壓力的值為相對壓力。2、 配件的選擇因為真空泵在抽氣和打氣的過程中，難免會產生震動的現(xiàn)象，影響機器人的工作性能和使用壽命。因此，必須要選擇微型真空泵配套的減震膠墊一套。其安裝前后的效果如圖3.9所示9。圖3.9 真空泵與減震膠墊的安裝當真空泵工作一段時間后，所抽氣體中含有的粉塵會積累在泵腔內部，破壞泵的氣密性，使流量和真空度下降。因此，為了過濾氣體中的粉塵雜質，確保真空泵內部的精密氣密性元件正常工作，有效延長泵的壽命，在進氣管要裝有過濾器。對于FAA系列的真空泵，要選擇中

31、號的過濾器（可以由廠家直接生廠和提供，不再需要另外設計）。3.2.3 堵氣機構1、 總體結構真空泵在吸氣的過程中，為了防止空氣從乒乓球的出口進入，而無法使乒乓球從入口處吸起來并存放。因此，要設計一個堵氣機構。當真空泵吸氣的時候，乒乓球的出口關閉，將乒乓球從入口處吸進來；當真空泵吸氣完成后，出球口打開，真空泵打氣，將乒乓球吹到存放腔內，完成乒乓球撿起的過程。設計該機器人的堵氣機構如圖3.10所示。圖3.10 堵氣機構2、 工作原理當真空泵吸氣的時候，電磁鐵不工作，堵氣蓋由于彈簧拉力的作用，將乒乓球的出口塞住，防止空氣進入。當過真空泵吸氣完成，電磁鐵通電并且開始工作，在電磁鐵拉力的作用下，堵氣蓋打

32、開。此時真空泵開始打氣，將乒乓球吹出來。乒乓球出來后，電磁鐵斷電，由于安裝在機器人上彈簧和電磁鐵內部彈簧的作用，堵氣機構復位，回復到初始狀態(tài)，將乒乓球出口塞住，為去吸取下一個乒乓球做準備。為了讓堵氣蓋充分地塞住乒乓球出口，減少漏氣，因此要將堵氣蓋設計成錐形狀，如圖3.11所示。但是，圓錐形的結構不能設計得太高，防止連桿在運動的過程中，會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象。圖3.11 堵氣蓋的結構3、 電磁鐵的選擇電磁鐵又可以稱為螺線管,主要分為以下的幾種類型：框架式、圓柱式、直立式、拉式、推式、推拉式、單向磁保持式、雙向磁保式、吸盤式等類型10。電磁鐵一般都要有工作電壓要求,一般采用的是直流12V和24V的電壓。

33、根據自動撿機器人的工作需要和設計的要求，要選用直流12V電壓的拉式電磁鐵。在這里，我們可以選擇武進繼電器廠生產的電磁鐵，其型號為MQ26，它的主要性能參數(shù)如表3.3所示，外形如圖3.12所示10。表3.3 選用電磁鐵的性能參數(shù)型號外形尺寸額定電壓吸合行程初吸力終吸力MQ2626×5012V15mm1kg2-3kg圖3.12 選用的電磁鐵外形圖4、 彈簧的選擇在該機器人中，彈簧的作用主要有兩個。第一，當真空泵吸氣時，堵氣蓋要靠彈簧的拉力作用將乒乓球出口塞住，防止空氣從乒乓球的出口進入，防止起不到吸球的效果。第二，當真空泵吸氣完成后，電磁鐵斷電而停止工作，要靠彈簧的拉力來復位，使機器人可

34、以為拾取下一個乒乓球做好準備。由機械原理的知識，我們可以按照它所承受載荷的不同，將彈簧分為拉伸型彈簧、壓縮型彈簧、扭轉型彈簧和彎曲型彈簧4種基本的類型；而按照彈簧的形狀結構的不同，又可將彈簧分為螺旋式彈簧、環(huán)形式彈簧、碟形式彈簧、板簧和平面渦卷式彈簧等的類型11。在本機器人的設計中，選用了圓柱螺旋拉伸彈簧（小號半圓勾環(huán)型）。其外形如圖3.13所示。圖3.13 圓柱螺旋拉伸彈簧5、 機構的運動分析與計算該機構主要是一個平面連桿的運動機構。連桿機構具有一般都具有以下的一些特點。第一，它的運動副往往是低副，而且所有運動副元素大多數(shù)都為面接觸，所以副元素承受的壓力較小，它承載能力也比較大，加工制造較為

35、容易。而且，連桿機構中的低副一般是幾何封閉的，對保證工作的可靠性起到非常重要的作用。第二，在原動件的運動規(guī)律不變的條件下，可用改變各構件的相對長度使從動件得到不同的運動規(guī)律。因此，可以根據機器人的需要和電磁鐵的性能參數(shù)，來設計各個連桿的相對長度和形狀。第三，連桿上各點的軌跡是各種不同形狀的曲線，其形狀隨著各構件相對長度的改變而改變，故連桿曲線的形式多樣，可用來滿足不同的工作需要，這對機器人的設計起到很大的幫助作用12。在本機器人的設計中，它的堵氣機構運動簡圖如圖3.14所示。圖3.14 堵氣機構的運動簡圖（1） 機構自由度的計算從圖3.14中，我們可以看出：該運動機構的原動件數(shù)目為1（動力由電

36、磁鐵提供），活動的構件數(shù)n等于3，低副數(shù)pl等于4（其中轉動副的數(shù)目為3個，移動副的數(shù)目為1個），高副數(shù)ph等于0。因此，該機構的自由度為由機械原理的知識可以知道，要使機構具有確定的運動，則機構的原動件數(shù)目應等于機構自由度的數(shù)目13。所以，在電磁鐵工作的時候，機器人的堵氣機構具有確定的運動。從這一方面來講，該設計符合機器人工作的要求。（2） 堵氣蓋行程的計算當堵氣蓋完全被打開后，如果各個連桿的相對長度設計得不合理，有可能使得堵氣蓋的行程不夠，從而擋住乒乓球，這樣乒乓球就無法進入存放腔中。因此，有必要對堵氣蓋的行程問題進行計算，并且對乒乓球是否會被擋住的問題作一個判斷。當電磁鐵通電工作的時候，整

37、個堵氣機構由初始的位置狀態(tài)運動到最終位置狀態(tài)，各構件位置的簡圖如圖3.15所示。圖3.15 堵氣機構運動的初始、最終的位置狀態(tài)由幾何知識，我們可以得到以下關系：由數(shù)學的余弦定理，我們可以得到以下的關系：即，因此，有，假設乒乓球從出口處走出來的時候，剛好碰到堵氣蓋，如圖3.16所示。圖3.16 乒乓球剛好碰到堵氣蓋狀態(tài)這時，乒乓球的直徑。也就是說，當堵氣蓋完全被打開后，可以允許最大直徑是51mm的乒乓球走出來。我們平常用到的乒乓球直徑一般是40mm左右。因此，當堵氣蓋完全打開后，乒乓球可以順利地從出口中進入乒乓球存放腔。3.2.4 存放腔的設計由于機器人的體積較小，如果將存放腔設計成直道的形式，

38、那么它存放乒乓球的數(shù)目會比較少。為了使機器人可以一次性裝取更多的乒乓球，因此將存放腔設計成一個彎曲的形狀。這樣，設計的存放腔可以一次性裝取8個乒乓球。將乒乓球的存放腔分為兩部分設計。第一部分是存放腔的軌道，可以用模具加工制造，制造材料采用塑料。也可以用塑料薄片和薄的木板連接起來。為了使乒乓球可以順利地存放，將軌道設計成稍微傾斜的形狀，防止球擋住下一個乒乓球進入存放腔。第二部分是乒乓球的護欄，防止乒乓球掉下到地面上。這可以用我們平時用到的鐵絲直接繞成。將兩部分組裝起來后，護欄可以向上撥動的。這樣，當需要將乒乓球從機器人中取出來的時候，可以將護欄向上撥動，再將乒乓球拿出來。這樣的設計不僅可以使存放

39、腔的加工制造更為容易，而且比較使用起來比較方便。乒乓球存放腔的效果如圖3.17所示。圖3.17 存放腔的結構圖4 機器人的傳感器4.1 機器人的視覺機器人要準確判斷出乒乓球在比賽場或者訓練場上的具體方位，它就必須要“看到”乒乓球的位置。在自動撿球機器人中，采用了CCD圖像識別傳感器來充當機器人的“眼睛”。將CCD傳感器和紅外線傳感器裝在機械人“身體”上，并且可以通過轉動360度來“看到”每個乒乓球的具體位置，再通過控制系統(tǒng)算出最優(yōu)的行程路線去撿球。使用CCD圖像識別傳感器有以下幾個方面的優(yōu)點。（1）高清晰度。像點的大小為m級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。（2）高敏感度。對于很低光度的入

40、射光也能偵測到。（3）動態(tài)范圍廣。它可以同時偵測及分辨強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象。（4）良好的線性特性曲線。（5）大面積感光。（6）體積小、重量輕14-16。4.2 機器人的觸覺機器人在乒乓球場上工作的時候，難免會遇到障礙物或者碰到墻壁，這會使機器人失去自動撿球的功能，達不到預期的效果。為了克服這一個困難，我們可以在機器人的“身體”上安裝一個胡須觸覺開關。當機器人遇到障礙物或碰到墻壁時，接觸開關就會自動“察覺”到，并且自動避開行走。胡須的觸覺開頭以及它在電路板上的安裝效果如圖4.1所示17。圖4.1 胡須觸覺開關示及安裝示意圖4.3 機器人的計數(shù)功能由

41、于設計的自動撿球機器人一次最多只能存放8個乒乓球。因此，機器人每次撿起一個乒乓球時，都要自動地進行計數(shù)。在自動撿球機器人的設計中，我們采用光電式計數(shù)器進行計數(shù)。光電計數(shù)器的應用非常廣泛，具有的可靠性高，并且可以實現(xiàn)自動控制的功能，使用起來較為方便17。將光電計數(shù)器安裝在機器人吸嘴的入口處，每當機器人撿起一個乒乓球的時候，系統(tǒng)會發(fā)送一個脈沖，光電計數(shù)器計數(shù)為1。這樣就可以簡單地實現(xiàn)了自動計數(shù)的功能。5 設計的總效果與工作過程5.1 設計的總效果將機器人各個機構的零部件組裝起來，并且用UG NX6.0軟件構建相應的立方體模型，得到的效果圖如圖5.1、圖5.2和圖5.3所示。圖5.1 完成的效果圖一

42、圖5.2 完成的效果圖二圖5.3 完成的效果圖三5.2 工作過程所設計的自動撿球機器人的詳細工作過程如下：（1）機器人通過聲控裝置識別并接收撿球命令。（2）用圖像傳感器和紅外線傳感器定位乒乓球的位置。（3）控制系統(tǒng)控制機器人驅動裝置的左右兩個驅動電機，實現(xiàn)機器人直走或者轉彎，使機器人走到乒乓球相應的位置。（4）控制系統(tǒng)控制機器人啟動微型真空泵，使真空泵吸氣，將乒乓球吸入管道內，同時安裝在吸嘴處的毛刷清潔乒乓球表面的灰塵。（5）當乒乓球到達管道內相應的位置時，真空泵停止工作。（6）電磁鐵開始通電并且工作。在電磁鐵拉力和堵氣機構的作用下，機器人的堵氣蓋打開。（7）機器人控制系統(tǒng)控制使真空泵處于打氣

43、狀態(tài)，將乒乓球吹入存放腔中。（8）電磁鐵斷電停止工作。在安裝在機器人拉伸彈簧和電磁鐵內部彈簧的作用下，堵氣機構復位。復位后，安裝在機器人的彈簧依然處于拉伸的狀態(tài)，使堵氣蓋緊緊地塞住乒乓球出口，提高密封性。（9）繼續(xù)去撿下一個乒乓球。當需要取出乒乓球時，用人工的方法將存放腔的護欄撥動，將乒乓球取出來。結論這一次的畢業(yè)設計是大學本科的終結，也是我人生一個新的開始。這幾個月以來，為了更好地完成畢業(yè)設計，我經過了認真的思考，并且與組內的成員進行了詳細分工、合作，在每一個階段都取得了一定的成就?，F(xiàn)在，終于完成了這次的畢業(yè)設計。在這個過程中感覺是有點辛苦，但是我卻學到了很多關于機器人方面的知識，提高了自己思維的創(chuàng)新能力。為了更好地完成畢業(yè)設計，我對大學期間所學習的知識進行了一次詳細的復習，并且將從課本上所學到的知識應用到日常生活中去，這對我的知識提高與積累起到了很大的幫助作用。這一次做畢業(yè)設計的時候，發(fā)現(xiàn)自己在課堂上所學的知識是有限的，以后還要不斷地學習相關的專業(yè)知識，提高自己的專業(yè)知識技能。本次的畢業(yè)設計，讓我掌握了工程設計的一般程序和方法，鍛煉了我綜合運用知識的能力和創(chuàng)新的思維。在設計的過程中，對于一項設計，我們要綜合考慮到各個方面的因素。例如，在這次自動撿球機器人結構的設計中，我們要考慮以下幾個方面的問題。第一，可行性的問題。機器人要