智能發(fā)球機器人研究與開發(fā)項目申報書

1、附件：申報類型：創(chuàng)新團隊工程啟明學院自主創(chuàng)新工程申報表 工程名稱：智能發(fā)球機器人研究與開發(fā)團隊名稱：華中科技大學電工電子科技創(chuàng)新中心工程負責人1：何立偉聯系 ：工程負責人2：聯系 ：申請資助經費：18000元工程執(zhí)行期:2021年5月1日至2021年5月1日申報日期：2021年6月4日華中科技大學啟明學院制一、 主要信息表申報工程申報種類團隊創(chuàng)新工程學生類別 本科生涉及學科專業(yè)一級機械二級機械制造及其自動化一級信息二級電子信息與通信工程名稱智能發(fā)球機器人研究與開發(fā)摘 要不超過200字目前市場上的發(fā)球機構只能實現定點發(fā)射，不能很好的模擬實戰(zhàn)情況。利用SolidWorks設計仿真并用Ansys分析

2、，設計出一種新型的可以實現快速靈活的移動和各種角度的發(fā)射的發(fā)球機構。同時提出自由的控制方案，可以同時滿足自動人為地控制。無論從結構設計還是原理和技術層面，這都是對之前存在的發(fā)球解決方案的一次革新。關鍵字高自由度發(fā)射智能調控補彈裝置申請金額18000元起止年月2021年2月至2021年2月工程負責人1姓名何立偉性別男年齡20工作證號U202110579團隊華中科技大學電工電子科技創(chuàng)新中心院系機械科學與工程學院電子信箱h 工程負責人2姓名性別年齡工作證號班級團隊院系電子信箱 工程指導教師姓 名職 稱院系團隊郵 箱電 話尹仕高級工程師電子電工科技創(chuàng)新基地1326411371qq 主要參加人員姓名學號

3、院系主要任務何立偉U202110579機械科學與工程學院機械結構的設計建模仿真裝配張靈鈺U202114281光學與電子信息學院電路硬件設計制作以及軟件的編寫指導教師意見本工程具有很高的實用性，和創(chuàng)新性。工程組具備足夠強的研發(fā)能力，工程組所在團隊有足夠強的硬件和場地資源。工程具備足夠的可行性，同意其申報。負責人簽字： 尹仕 2021年 6 月 4 日申報單位意見負責人簽字單位公章： 年 月 日經費預算經費投入萬元經費支出預算萬元科目預算科目預算支出理由及計算依據工程撥付資金1.5一、人員費0.1人員工作產生相關費用單位自籌資金0.5二、管理費其他三、公雜費1.郵電、通訊費0.1批思網籌建、網絡使

4、用費用，各子工程通訊費2.差旅費0.2各子工程調研、外出參賽差旅費用3.其他公雜費0.2用于與其他團隊技術交流四、業(yè)務費1.會議費2.測試、化驗費0.3嵌入式等工程測試費用3.野外考察及觀測費4.出版物/文獻/信息傳播費0.1各子工程論文版面費、資料印刷費等五、材料標本購置費1.0機械零件加工，工具購置，電機選型購置六、其它費用各類雜支投入合計2.0支出合計2.0我保證以上所填內容完全屬實，假設有虛假，本人將負全部責任。申請人簽字： 何立偉 .一、 工程背景與意義球類運動因為是體力和技術的結合，在全世界范圍內廣受歡迎，目前市場上存在的各種發(fā)球機有各自的優(yōu)缺點。綜合分析后發(fā)現：這些發(fā)球機由于自身

5、結構的限制，都不能完全實行自動控制，某些功能的實現需要手動調節(jié); 同時，發(fā)球模式單一，不能真正地模擬真人發(fā)球。而文中的創(chuàng)新點在于提出了形態(tài)完全不同，具有可以靈活移動，發(fā)球動作具有高自由度和高可控性的發(fā)球機器人。這種機器人可以完成的動作較之傳統發(fā)球機器有非常大的提升，根本上可以實現任何位置和任何方向各種力度的發(fā)射，使用者甚至可以通過控制其運動而模擬一場真實的比賽。這種發(fā)球機構是不僅僅可以滿足初學者的訓練要求，對進階練習也有很大幫助。節(jié)省了陪練的人力，提升了整個訓練過程的智能化和趣味化。二、 國內外概況自動發(fā)球機是很多球館和球友家庭的必備娛樂和訓練工具。自動發(fā)球機適用于社會、學校、家庭、專業(yè)訓練場

6、館使用。發(fā)球機可發(fā)各種性質的球，既可用于娛樂健身，又適合于專業(yè)訓練?，F在已存的發(fā)球機的問題主要表現在以下幾個方面：l 只能實現定點發(fā)球，無法很好的模擬實戰(zhàn)；l 操作上無法人為調整，套路固定死板；l 較為復雜的發(fā)球機器人造價過高，靈活性機動性不夠，原理復雜；l 功能過于簡單，趣味性缺乏。目前市場上存在的發(fā)球機有以下幾種：A. 標準型圖 1 標準型發(fā)球機B. 機器人型圖 2 仿人型發(fā)球機三、 研究內容一個球的發(fā)射過程大概可以描述如下：一定數量的球放置在儲球機構中，當需要發(fā)射時供彈機構開始運轉，用一個物流機構將球一個一個有序的送至發(fā)射機構處，通過發(fā)射機構為球提供足夠的初速度，將球發(fā)射出去。同時應該滿

7、足可以通過控制實現球的不同速度射出，球發(fā)射的俯仰角度和水平角度也需要有一定的調節(jié)范圍。對于供彈裝置的功能要實現可以一個一個地送彈或者連續(xù)的送彈，對于進彈的速度也要求在一定的范圍內可以調節(jié)。綜合以上描述本課題研究的主要內容包括：底部運動部件的設計與制作；供彈機構的開發(fā)與制作；發(fā)射機構的研究與制作；整體硬件電路的制作和算法編程。(1) 底部運動部件的設計與制作底部運動部件需要實現可以適應各種場地靈活快速向各個方向移動，且保證振動不大。對于現存的移動方式做一定的選擇排除使用仿人行走方式而使用類似車的運動方式。因為實際使用時不能為其提供轉彎的空間，所以所設計的機構需要具備各種方向移動的功能，故排除類似

8、于汽車所用的輪子轉向帶動整個機器人變向的方式。最終考慮采用萬向輪或者買克拉姆輪來設計移動部件。考慮到整機的重量和連續(xù)地運動帶來變速時的硬沖擊對整個系統的穩(wěn)定性構成威脅，必須在底部運動裝置配套設計減震裝置，以減小沖擊，同時保證在各種地形下四個輪子均著地。 (2) 供彈機構的開發(fā)與制作供彈裝置是一種物流機構，包括儲球機構和送彈機構，要實現在盡可能小的空間內完成球的運送和儲存，并且可以人為地調控送球的速度。1綜合以上特點，送彈機構決定設計成電機帶動撥桿旋轉類型的送彈方式。在方案驗證過程中我們發(fā)現供彈機構運動到發(fā)球有一個比較長的延時時間，這實際使用時會帶來比較大的影響。所以在考慮采用兩層的設計結構，設

9、計一個底層以縮短球的補給機構到發(fā)射機構的距離，同時保存上層以完成多個球的存儲和有序進入。 (3) 發(fā)射機構的研究與制作目前存在的發(fā)球機器的發(fā)射機構已經非常成熟，但針對我們更高的需求，我們決定從以下幾點進行改進。首先選擇更大的摩擦輪膠圈，這樣可以使出球速度和力度到達更高的水平，可以滿足高水平使用者的需求。也更好的模仿了真實比賽環(huán)境。為發(fā)射機構增加了俯仰軸和水平軸，這樣可以在發(fā)射處發(fā)出不同角度的球，同樣實現了增大訓練過程的難度，提高實戰(zhàn)仿真度的要求。四、 創(chuàng)新點本課題的特色和創(chuàng)新之處有如下幾個方面：(1) 在發(fā)射裝置上添加了可以讓它迅速移動的部件，使發(fā)射過程更貼近實戰(zhàn)。(2) 發(fā)射過程可以由另外一

10、個人操控，也可以有使用者自由編程，可以實現類似比賽的流程。(3) 實現了自由變換俯仰角多水平角的發(fā)射。五、 研究方案5.1 研究方法本課題的主要研究目標是針對目前發(fā)球機構存在的問題和我們實際需要，設計出一套在外形和原理上都革新的發(fā)球機構。設計過程中融入了原有的發(fā)射元素，并提出改進，在移動機構上和供彈機構上完全實現全新設計。在研究方法上采用理論研究與實驗驗證相結合、并且相互促進的方法。通過研究提出新的設計方案，然后在計算機上建模序實現這些新的思想方法來驗證它們的有效性；反過來，在實驗驗證的過程中，我們會發(fā)現這些新方法的缺陷和缺乏，這又將促使我們去思考和改進這些新的理論方法，從而完善或提出更加有效

11、的思想方法。5.2 技術路線為了實現預定的機構目標，我們對各種可能運用到的機構進行分析篩選排除，并對需要自行設計機構進行合理的分析，論證設計，針對課題相關的設計內容，擬采用如下技術路線:(1) 摩擦輪發(fā)射機構和云臺控制角度機構利用兩個或兩個以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動力和運動的機械傳動。摩擦輪傳動可分為定傳動比傳動和變傳動比傳動兩類。傳動比根本固定的定傳動比摩擦輪傳動摩擦輪傳動，又分為圓柱平摩擦輪傳動、圓柱槽摩擦輪傳動和圓錐摩擦輪傳動 3種型式。前兩種型式用于兩平行軸之間的傳動，后一種型式用于兩交叉軸之間的傳動。工作時，摩擦輪之間必須有足夠的壓緊力，以免產生打滑現象，損壞摩擦輪，影響正常

12、傳動。在相同徑向壓力的條件下，槽摩擦輪傳動可以產生較大的摩擦力,比平摩擦輪具有較高的傳動能力,但槽輪易于磨損。變傳動比摩擦輪傳動易實現無級變速，并具有較大的調速幅度。機械無級變速器多采用這種傳動。在圖2中,主動輪按箭頭方向移動時，從動輪的轉速便連續(xù)地變化，當主動輪移過從動輪軸線時從動輪就反向回轉。摩擦輪傳動結構簡單、傳動平穩(wěn)、傳動比調節(jié)方便、過載時能產生打滑而防止損壞裝置，但傳動比不準確、效率低、磨損大，而且通常軸上受力大，所以主要用于傳遞動力不大或需要無級調速的情況。相比于其他發(fā)射機構摩擦輪發(fā)射機構有其不可替代的優(yōu)勢。摩擦輪發(fā)射機構的優(yōu)點主要表達在一下幾個方面：首先摩擦輪發(fā)射機構可以很方便地

13、實現連續(xù)發(fā)射，而不必等待系統恢復發(fā)射狀態(tài)；摩擦輪發(fā)射機構體積小，能很好的和供彈機構融合為一體；摩擦輪發(fā)射機構加速簡單可以方便地將球的速度加到非常大的一個范圍；摩擦輪電機發(fā)射對原有機構沖擊較小，利用兩個摩擦輪電機同時工作，平衡了轉動慣量。(2) 麥克拉姆輪和三角懸掛系統的底板運動機構這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一局部的機輪轉向力轉化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多

14、小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結構緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現全方位移動功能。基于麥克納姆輪技術的全方位運動設備可以實現前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式。在此根底上研制的全方位叉車及全方位運輸平臺非常適合轉運空間有限、作業(yè)通道狹窄的艦船環(huán)境,在提高艦船保障效率、增加艦船空間利用率以及降低人力本錢方面具有明顯的效果。為了到達保護機器，同時使機器人的四個輪子同時著地，增加了一個懸掛系統。不同于垂直布置的懸掛系統，我們采

15、用了三角形布置，這樣不僅僅可以實現豎直方向的減震，也可以平衡水平向的震動，而且三角形的形式可以很好地提高穩(wěn)定性。(3)雙層旋轉撥盤的供彈機構由于送料機構的特殊性，并沒有可以參考借鑒的實際例子供我們選擇，因此我們自己設計了一種新型的供彈機構。為了減小進球機構運行和球發(fā)射出來的時間差，我們在下層采用了圓盤撥動的形式，這樣有效的減小了進球機構出口和發(fā)射機構著力點的距離，減小了等待時間。為了實現球有序的進入，我們又設計了進球機構的上層設計。3球在六根柱子中旋轉，到下球口時落下。這兩層功能相結合，可以完美地實現有序快速進球發(fā)球的功能。六、 現有工作根底和條件工程負責人根本情況:工程申請人所在的團隊自成立

16、以來一直從事各種電類機械類的新型設備的研究開發(fā)工作，積累了豐富的研究經驗。近幾年來，電子電工科技創(chuàng)新中心課題組在智能化機器人的研究進行了大量的探索，提出了一系列成熟的解決方案，取得了很大的進展。在很多比賽中取得了優(yōu)異的成績，同時也培養(yǎng)了一批精于智能機器人設計的成員。機構的實現是本課題的關鍵，本課題組有大量的機械方面的導師和研究生，提供大量的技術支持。本團隊和學校其他相關團隊保持密切合作，如3d團隊，robocon團隊，可以為我們提供技術支持和相關信息。工程組成員根本情況:工程組成員來自學校的各個學院，有機械類的也有電子類的。在學科知識上形成互補合作。所有成員均參加過省級以上的比賽，擁有豐富的智

17、能機器人制作的經驗。工程組成員和眾多的導師和各種實驗室的學長保持了密切的聯系，可以方便的得到相關的支持和引導。現有軟硬件環(huán)境，實驗環(huán)境等:電子電工科技創(chuàng)新中心在啟明學院擁有非常大的課題研究用場地。同時為了這個工程又申請了更多的場地。電工基地同時也擁有足夠的硬件實力，可以提供完備的硬件支持。電工基地和校外研究機構也保持著密切的聯系，可以獲得其資金和技術上的大力支持。課題組與校外優(yōu)質加工廠保持著良好的關系，可以迅速加工出高質量產品。七、 預期成果(1) 研究制造出可以靈活快速移動的底板機構，多角度的發(fā)射機構，和有序流暢的進球機構；(2) 在相關比賽中獲得國家級的成績；八、 工作進度安排時間階段安排2021.5.1-2021.7.1完成機構的建模論證仿真20217.1-2021.10.1各個機構的原理實現，反響2021.10.1-2021.1.1針對之前的問題進行改進，調試2021.1.1-2021.5.1整體組裝調試，問題反響，小范圍調整九、 參考文獻1 ?上海交通大學學報? 2005年01期 ?基于DPAM-F的機電一體化系統廣義