輪式足球射門機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

輪式足球射門機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

學(xué)生姓名：

學(xué)號:

所在系部:

專業(yè)班級:

指導(dǎo)教師:

日期：

摘要

發(fā)球機(jī)作為一種將科學(xué)技術(shù)運用到體育事業(yè)中而誕生的產(chǎn)品，在乒乓

球、網(wǎng)球、羽毛球、排球等球類運動中都能看到它們的身影，近些年來

也越來越有所發(fā)展并得到推廣。但在足球運動的領(lǐng)域，發(fā)球機(jī)卻一直沒

有同它在其它球類運動中相稱的地位，足球發(fā)球機(jī)在中國草根足球這樣

龐大的市場中，也沒有較為穩(wěn)定的市場。這也證明了目前的足球發(fā)球機(jī)

的確存在著一些使其難以得到推廣的不足。

在本文中，首先簡單地研究與分析了足球發(fā)球機(jī)的使用背景與現(xiàn)狀，

在這個過程中明確了發(fā)球機(jī)設(shè)備的原理與設(shè)計需要，并改進(jìn)了發(fā)球的機(jī)

構(gòu)：以目前十分普遍的摩擦輪式發(fā)球機(jī)為基礎(chǔ)，針對其速度、重量等方

面的一些問題，提出了用傳送帶來替代摩擦輪，使得足球在發(fā)出球前受

力時間加長、運動更加平穩(wěn)。除此之外，還設(shè)計了移動與俯仰、升降等

機(jī)構(gòu)，不僅較為全面地做到了自動化，還使射出的球有更多的變化，更

貼合實際情況。

關(guān)鍵詞：足球發(fā)球機(jī)改進(jìn)貼合實際

Abstract

Asaproductbornfromtheapplicationofscienceandtechnologyto

sports,servingmachinescanbeseenintabletennis,tennis,badminton,

volleyballandotherballsports.Theyhavealsobeendevelopedinrecent

years.Andgetpromoted.However,inthefieldoffootballsports,theball

machinehasnotbeencommensuratewithitspositioninotherballsports.

Footballballmachineshavenorelativelystablemarketinthehuge

marketofgrassrootsfootballinChina.Thisalsoprovesthatthecurrent

soccerballmachinedoeshavesomeshortcomingsthatmakeitdifficultto

bepromoted.

Inthisarticle,firstbrieflyresearchedandanalyzedthebackgroundand

currentsituationoftheuseofthefootballserver.Inthisprocess,the

principleanddesignrequirementsoftheserverequipmentwereclarified,

andthemechanismoftheservewasimproved:thefrictionwheeltype

whichisverycommonatpresentBasedontheballmachine,itisproposed

toreplacethefrictionwheelwithaconveyorbeltforsomeproblemsinits

speed,weight,etc.,sothatthefootballhasalongertimebeforetheball

isdeliveredandthemovementismorestable.Inaddition,mechanisms

suchasmovement,pitching,andliftingarealsodesigned,whichnotonly

achievesamorecomprehensiveautomation,butalsomakestheshotballs

havemorechangesandaremoreinlinewiththeactualsituation.

Keywords：Footbal1BallmachineImproveFittoreality

目錄

摘要.......................................................................i

Abstract..............................................................ii

1緒論....................................................................1

1.1引言.............................................................Y

1.2課題目的及意義...............................................Y

1.2.1課題研究目的..........................................Y

1.2.2課題研究意義..........................................Y

1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀..............................................Y

1.3.1足球發(fā)球機(jī)國內(nèi)研究現(xiàn)狀...........................Y

1.3.2足球發(fā)球機(jī)國外研究現(xiàn)狀...........................Y

1.3.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié).................................Y

1.4文本主要研究內(nèi)容..........................................Y

2課題結(jié)構(gòu)的總體性設(shè)計...............................................2

2.1設(shè)計方案的總體要求............................................Y

2.2關(guān)鍵部位的設(shè)計思路...........................................Y

2.2.1機(jī)器人總體組成........................................Y

3運動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算...............................................Y

3.1引言.............................................................Y

3.2移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與電池的選擇..............................Y

3.2.1移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計.......................................Y

3.2.2電池的選擇.............................................Y

3.3發(fā)射機(jī)構(gòu)構(gòu)的設(shè)計............................................Y

3.3.1對經(jīng)典方案的分析與改進(jìn)...........................Y

3.3.2改進(jìn)后方案的數(shù)據(jù)分析.............................Y

3.3.3新方案的選型與選材................................Y

3.4俯仰機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計.................................Y

3.4.1俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計.......................................Y

3.4.2俯仰機(jī)構(gòu)的設(shè)計.......................................Y

3.5送球機(jī)構(gòu)與貯球機(jī)構(gòu)的設(shè)計..................................Y

3.5.1送球機(jī)構(gòu)的設(shè)計.......................................Y

3.5.2貯球機(jī)構(gòu)的設(shè)計......................................Y

4整體三維圖的展示....................................................Y

總結(jié)與展望..............................................................Y

致謝......................................................................Y

參考文獻(xiàn)................................................................Y

1緒論

1.1引言

當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，它的應(yīng)用范圍早已拓展到了社會生活的方方面

面。體育運動作為最廣泛的群體性活動，是現(xiàn)代生活中不可缺少的一個組成部分。如今的

體育競賽，不僅僅是技術(shù)、體能、戰(zhàn)術(shù)等方面“硬實力”的競爭，也是科學(xué)技術(shù)方面“軟實力”

的較量。因此，高科技含量、高效率的體育訓(xùn)練設(shè)備的應(yīng)用，越來越在運動員的日常訓(xùn)練

及技戰(zhàn)術(shù)水平的提高方面起到不可替代的作用。

1.2課題背景及目的

1.2.1課題研究背景

體育已成為一種復(fù)雜的社會文化現(xiàn)象，它是以肢體的運動為手段來達(dá)到培養(yǎng)人的各種身心

健康的目的。隨著社會的發(fā)展，人們對于精神的需求也慢慢高于物質(zhì)需求，體育活動給人

們帶來了更多的精神享受。特別是奧運會等國際性的體育比賽，更是對集體精神和愛國主

義精神的弘揚，起到了增加民族凝聚力和向心力的作用。

科技的迅速發(fā)展使之滲透到人們生活的方方面面，體育的發(fā)展更是與科技密不可分。體育

競爭不再只是體力、技術(shù)的較量，也是高科技成果的較量?？萍荚隗w育上的應(yīng)用使體育運

動如虎添翼，激發(fā)了人們巨大的潛能。體育訓(xùn)練也正從經(jīng)驗時代進(jìn)入科學(xué)時代。發(fā)球機(jī)在

乒乓球、網(wǎng)球等球類運動的日常訓(xùn)練中早有運用，這些訓(xùn)練器械不但提供了質(zhì)量穩(wěn)定的訓(xùn)

練條件，全面地提高了運動員的比賽成績，促進(jìn)了體育事業(yè)的發(fā)展，同時也大大減輕了教

練和陪練的負(fù)擔(dān)。特別是新技術(shù)的注入使它們在體育運動里處于越來越重要的位置。

足球運動是以腳支配球為主，兩個隊在同一場地內(nèi)進(jìn)行攻守的體育運動項目。它是世界上

最受人們喜愛、開展最廣泛、影響最大的體育運動項目。足球運動具有形式多樣性和廣泛

的群眾性、技術(shù)的全面性和高度的技巧性、激烈的對抗性和嚴(yán)密的集體性、輕松的娛樂性

和高雅的休閑性等特點。足球運動可以提高人的力量、速度、靈活度和耐力等能力，使體

能各生理系統(tǒng)的機(jī)能得到良好的改善，并且可以培養(yǎng)人的心理素質(zhì)和燃煉人的精神。足球

文化是體育文化的重要組成部分，足球作為世界第一的大眾運動項目，除了具備體育運動

項目的趣味性和競技性外，在長期的發(fā)展過程中，還被賦予了獨特的文化特征與社會價值。

守門員是足球運動比賽隊員的位置名稱。位于球門前，是球隊的最后一道防線。主要任務(wù)

是守衛(wèi)球門，阻止對方進(jìn)球，是球隊中唯一被允許可在罰球區(qū)內(nèi)用手處理球的隊員。

足球比賽中，對抗的焦點是射門得分和阻止得分，因此門前的爭奪往往異常激烈。守門員

發(fā)揮得好或壞，直接關(guān)系到一個球隊的命運。守門員是整支隊伍防守的不可或缺的中堅力

量，球迷中也素有“好的守門員抵得上半支球隊”的說法。種種這些都說明，對守門員撲

救能力的訓(xùn)練，在現(xiàn)代足球運動中是尤為重要的。

1.2.2課題研究目的

在日常訓(xùn)練中，守門員的撲救訓(xùn)練與接球訓(xùn)練是靠人工發(fā)球來完成的，人工發(fā)球在質(zhì)量上

和穩(wěn)定性上都難以保持，而且容易造成教練或陪練的疲勞，不利于人的身體健康，因此需

要一種設(shè)備來取代人工發(fā)球并達(dá)到理想的訓(xùn)練目的。為了提高足球運動運動員的水平及比

賽成績，各國的足球運動也對訓(xùn)練中的發(fā)球設(shè)備提出了新的要求。

1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.3.1足球發(fā)球機(jī)國外研究現(xiàn)狀

在足球發(fā)球自動化的領(lǐng)域，國外在較早時期就有了幾款發(fā)球機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)簡單，實用性

好，受到很多草根足球俱樂部與足球愛好者的喜愛；但其功能較少，除了發(fā)射過程外，裝

填、移動與轉(zhuǎn)向其它的方面基本都需要人工進(jìn)行。

GLOBUS4*1

圖1-1國外的一種發(fā)球機(jī)

1.3.2足球發(fā)球機(jī)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，近年也出現(xiàn)了幾款功能比較完善的足球發(fā)球機(jī)。由于他們將機(jī)電結(jié)合的理念應(yīng)用

到了產(chǎn)品的較多方面，所以功能較為全面，可以實現(xiàn)自動裝填、連發(fā)、旋轉(zhuǎn)與球速的改變

等，但它們在使用過程中都需要外接電源，無法方便地移動，除此之外其體積也較為龐大,

而且價格不菲，一般的個人或球隊難以承受，多是大俱樂部的梯隊集中采購與使用。

圖1-2國內(nèi)的一種發(fā)球機(jī)

圖1-3國內(nèi)的另一種發(fā)球機(jī)

1.3.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)

雖然在目前，國內(nèi)外都已經(jīng)有各式各類的足球發(fā)球機(jī)作為產(chǎn)品，但它們都因為各種各樣的

原因而無法廣泛地推廣，無法達(dá)到較大規(guī)模、較多方面、較高程度地在守門員的撲救訓(xùn)練

與接球訓(xùn)練中替代人工發(fā)球的目標(biāo)。

1.4本文主要研究內(nèi)容

本文主要對足球射門機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計，通過對目前市場上常見的足球發(fā)球機(jī)進(jìn)

行研究與分析，從而得到想要的設(shè)計方案，使之能更加滿足實際情況中的多種需要。文章

的主體內(nèi)容如下：

第一章：說明本主題的研究背景和研究目的，介紹足球發(fā)球機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，了解當(dāng)前在市

場上流行的足球發(fā)球機(jī)的樣式，并討論本文的大致研究方向。

第二章：結(jié)合實際需要，擬出輪式足球射門機(jī)器人應(yīng)具備的功能項，分析清楚關(guān)鍵部位的

原理與設(shè)計方向。

第三章：對現(xiàn)有方案進(jìn)行分析與改進(jìn)，選擇合適的材料與部件，接著對輪式足球射門機(jī)器

人的一些重要機(jī)構(gòu)（發(fā)射機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，最終完成整體

的設(shè)計。

結(jié)論與展望：總結(jié)本次研究的所有內(nèi)容和創(chuàng)新處，對往后工作的展望，闡述模塊化機(jī)器人

在未來發(fā)展中的主要價值，分析當(dāng)前所存在的主要問題和不足之處，并且探討、規(guī)劃在以

后的工作中和研究的最終目標(biāo)。

2課題結(jié)構(gòu)的總體性設(shè)計

2.1設(shè)計方案的總體要求

2.1.1設(shè)計題目：輪式足球射門機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1.2設(shè)計要求和參數(shù)：

（1）機(jī)器人的最大形體尺寸為：1000*800*500mm（L*W*H）；

（2）機(jī)器人整體要求重心低且盡量處在對稱軸線上，各機(jī)構(gòu)性能可靠，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量小，

連接部件牢固，構(gòu)成材料與連接方式盡量簡單；

（3）機(jī)構(gòu)位置要考慮充電器連接方便，指令的輸入與更改的方便，運動中電池與各連接部

件要防松防撞，電源開關(guān)應(yīng)安放在便于操作的位置；

（4）運動機(jī)構(gòu)采用三輪布置或四輪布置，三輪布置中前面兩只輪子平行放置，三輪機(jī)構(gòu)按

等腰三角形布置，前面兩輪為不可轉(zhuǎn)向主動輪、后一輪為轉(zhuǎn)向從動輪；四輪機(jī)構(gòu)按長方形

布置，前兩輪為不可轉(zhuǎn)向的主動輪、后兩輪為轉(zhuǎn)向從動輪。主要電機(jī)的安裝位置要高度對

稱，轉(zhuǎn)動特性保持一致，整體要求可以實現(xiàn)靈活地啟動、停車、轉(zhuǎn)向等運動模式；

（5）車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計：車輪結(jié)構(gòu)主要包括外圈、輻條和中心軸，要求在保證有一定的承重能

力的情況下盡量做到靈活輕便，還要滿足實際使用中場地的要求；

（6）框架設(shè)計：框架是支承整個機(jī)器人的主要部件，應(yīng)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)以保證足夠的剛度

和強度的同時盡可能輕，并且要注意各連接部位的可靠性；

（7）電池相關(guān)的設(shè)計：應(yīng)選用能滿足實際需要的可充電電池，并且由于電池的一些特殊性,

需要設(shè)計電池盒；

（8）機(jī)器人的各部分設(shè)計盡可能達(dá)到模塊化，便于安裝調(diào)試和維護(hù)；

（9）射門機(jī)構(gòu)設(shè)計：射門距離不少于10米；射門角度在±50度可調(diào)，射出球力度可調(diào)。

2.1.3參數(shù)概括

技術(shù)參數(shù)：1000*800*500mm（L*W*H）；最大移動速度22.Om/s；最大加速度H2.Om/s2；最

大射球高度NO.5m；最大射門球速210m/s。

2.1.4總體布局

根據(jù)2.2中分析的實際功能上的需要，硬件部分應(yīng)包括主架、車輪、電池、電機(jī)、裝球器、

射球機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)等。

2.2關(guān)鍵部位的設(shè)計思路

⑴射球方面

因為設(shè)計初衷在于訓(xùn)練守門員，以提升守門員阻止對手射門得分的能力，所以本射門機(jī)器

人必須在功能上能較好地模擬盡量多的射門類型與方式，以期得到更好的訓(xùn)練效果，于是

先要對足球比賽中的各種射門軌跡有一定的了解。調(diào)查如下：

①地滾球：

球貼地滾向球門，是最簡單的運動軌跡。

②弧線球：

在用腳踢球射門時，足球向球門方向運動，若與此同時腳對球有一定的摩擦，足球就會在

飛行過程中存在自轉(zhuǎn)。這種球在飛行過程中會有一個軌跡的定向變化，在實際的比賽中，

進(jìn)攻方球員常常用這種技術(shù)使足球從側(cè)面或上方繞過人墻或其它障礙，最終從較為刁鉆的

角度飛向球門。這種球往往對于守門員是一個挑戰(zhàn)，能給球門造成較大的威脅。

圖2-1弧線球的示意圖

香蕉球和落葉球都是弧線球的一種，它們的區(qū)別是球的旋轉(zhuǎn)方向不同所造成的球的弧線方

向的不同。

香蕉球指弧線軌跡主要是水平方向的，即在球的飛行軌跡上主要是有左方向或右方向的弧

線，在比賽中能繞過人墻弧進(jìn)球門；

落葉球指弧線軌跡主要是垂直方向的，即在球的飛行軌跡上主要是有下方向的弧線，在比

賽中能越過人墻頭頂后下墜進(jìn)球門。

弧線球的原理：

由于空氣具有粘滯性，因此當(dāng)球轉(zhuǎn)動時，空氣與球面發(fā)生摩擦，旋轉(zhuǎn)著的球就帶動周圍的

部分空氣一起作同向轉(zhuǎn)動，所以在足球旋轉(zhuǎn)的帶動下，足球周圍也會產(chǎn)生和足球旋轉(zhuǎn)方向

相同的氣流。又由于足球同時向前運動，因此對于球門可以看作是基本靜止的空氣，對于

足球則可以看做是向后的。于是，在足球的一側(cè)，自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流與飛行中的相對運動的

氣流的方向相同，空氣流動速度快；而在足球的另一側(cè)，自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流和飛行中的相對

運動的氣流的方向相反，使該側(cè)空氣流速變慢。根據(jù)流體力學(xué)的伯努利定理，物體流速較

大一側(cè)的壓強比流速較小一側(cè)的壓強小，所以球一側(cè)的壓強小于球另一側(cè)的壓強，這樣，

就有了飛行中帶有旋轉(zhuǎn)的足球兩側(cè)的壓力差。這種壓力差改變了足球的運動方向，從而改

變了足球的飛行軌跡。因為球在運動過程中，初始運動方向的切平面所受的空氣作用力的

合力不為零，所以球在運行過程中就有了除了重力引起的切向加速度以外的切向加速度。

足球旋轉(zhuǎn)得越快，壓力的合力越大，足球運動方向的變化也就越明顯。這就是弧線球的原

理。

③蝴蝶球、電梯球

蝴蝶球類似于棒球運動里的彈指球，這種球幾乎沒什么旋轉(zhuǎn)，在空中的飛行路線是十分飄

忽的，甚至有時候會劃出一個s形的軌跡，使守門員極難判斷；而電梯球的特點是球速剛

開始非?？欤竭^人墻到了球門前會突然下墜，打守門員一個措手不及。很多電梯球還有

一個特點，就是球的軌跡也會呈現(xiàn)出蝴蝶球那種飄忽的擺動特點，從這一方面來說，電梯

球其實是蝴蝶球的一種。

圖2-2蝴蝶球與電梯球的示意圖

蝴蝶球和電梯球的原理：

與前面所講解的弧線球（香蕉球、落葉球）不同，蝴蝶球和電梯球沒有明顯的旋轉(zhuǎn)，而且

這兩種球的速度都非常高，通常在100?120千米/小時之間，有時甚至更高。物理學(xué)的知

識告訴我們，空氣對在其中運動的物體的阻力與該物體速度的平方成正比。踢出去的足球

初速度越快，它受到的阻力就越大。如果距離球門比較遠(yuǎn)，足球在飛行過程中速度又很高,

那么阻力就會非常大，足球的速度會很快衰減下去。在接近球門的時候，足球的直線速度

減小的幅度很大，而重力在整個飛行過程中一直沒有變化，軌跡受到重力的影響就顯得十

分大，于是有一個很明顯的下墜，這種射門就是電梯球。

而蝴蝶球在飛行過程中軌跡線飄忽的變化其實是不受控制的，球員在踢球時無法預(yù)測球的

具體路徑。這種情況是因為沒有旋轉(zhuǎn)軸的球體在高速飛行時飛行路線不穩(wěn)定，空氣的微小

的不均或擾動就會對球的軌跡產(chǎn)生很大的影響，于是就有了飄忽不定的效果了。

經(jīng)過上述對這三種常見射門的分析，我們可以得出結(jié)論：分析足球的球速與旋轉(zhuǎn)是對射門

進(jìn)行解析與模擬的關(guān)鍵所在。于是在射門有關(guān)的機(jī)構(gòu)上，除了要有能調(diào)整射球的高度的機(jī)

構(gòu)外，還需要能調(diào)整射門力量與旋轉(zhuǎn)方向的部件。

⑵方向方面

眾所周知，決定足球運動軌跡的可控因素，除了球的初速度大小、旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)速度以

外，還有初速度方向的問題，所以要求產(chǎn)品能控制射出球的初速度方向。

在這里可以借鑒坦克炮塔的構(gòu)造來實現(xiàn)初速度方向的變化，即水平方向上的角度變化由底

盤的水平旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，豎直方向上的角度變化由射球機(jī)構(gòu)的仰角變化實現(xiàn)。

⑶高度方面

在運動戰(zhàn)中的射門，往往還有一些凌空射門的情況，這種球較地面的射門變化更多，力量

也更大，往往對球門很有威脅、。所以產(chǎn)品也應(yīng)能模擬出實戰(zhàn)中的這類射門，以更好地達(dá)到

全方位訓(xùn)練守門員的目的。

要實現(xiàn)這一目的，需要有一個升降機(jī)構(gòu)，能改變整個射球部件的高度。

（4）移動方面

實際在比賽中，對手的射門手段往往并不單一，所以僅僅重復(fù)機(jī)械地練習(xí)定點射門的撲救

是不夠的，這要求產(chǎn)品要有移動中的連續(xù)射門與交替地移動射門等功能。

①整體

為了使整體結(jié)構(gòu)在移動和射門中能保證具有一定的穩(wěn)定性，要求產(chǎn)品的重心不能過高，所

以產(chǎn)品的底盤應(yīng)該較低，電機(jī)與電池的位置應(yīng)該較低。

②車輪

由于產(chǎn)品是在足球場這種特殊的環(huán)境中使用，這就需要產(chǎn)品的車輪要有特殊的設(shè)計。

⑸貯填方面

①球的貯存：

由于我們要實現(xiàn)連續(xù)的、移動的射門，所以就不能經(jīng)常地人工裝填球，這就要求產(chǎn)品有一

個較大容量的球倉。

②球的裝填：單靠重力雖然能夠使球出倉，但在產(chǎn)品移動或射球機(jī)構(gòu)的升降、俯仰過程中

可能容易出現(xiàn)足球松動甚至偏移預(yù)射位置，所以應(yīng)有機(jī)構(gòu)保證這一過程的穩(wěn)定可靠。

針對本課題研究的結(jié)構(gòu)設(shè)計，我僅對一些較為關(guān)鍵的部件，如射球機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)、俯仰

機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)做較為詳細(xì)的設(shè)計與研究，其它的一些部分則一筆帶過。

機(jī)械結(jié)構(gòu)中包括起到連接、保護(hù)部分：一些非標(biāo)準(zhǔn)的鋁直角、如標(biāo)準(zhǔn)螺釘、螺母、軸承等,

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊組成示意圖如圖2.2所示。

圖2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊組成示意圖

為此，主題設(shè)計的輪式足球射門機(jī)器人的連接部件全部由耐用的鋁合金材料制成。使用螺

栓緊固的時候，預(yù)緊力不宜太大，預(yù)緊力過大會導(dǎo)致連接模塊與螺母之間接觸面損壞，嚴(yán)

重的導(dǎo)致連接處發(fā)生一定程度的形變。

2.3三維建模軟件介紹

SolidWorks是DassaultSystemes的子公司，專門從事機(jī)械設(shè)計Windows軟件產(chǎn)品的研發(fā)

和銷售，總部位于美國馬薩諸塞州。達(dá)索系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供結(jié)構(gòu)化軟件并通過網(wǎng)絡(luò)集成為制造

商提供支持服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計，工程，生產(chǎn)和產(chǎn)

品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域的領(lǐng)先軟件系統(tǒng)。著名的CATIAV5來自該公司，是當(dāng)今世界最前沿

的DassaultCAD產(chǎn)品的市場份額。SolidWorks成立于1993年，由PTC技術(shù)副總裁和簡歷

副總裁創(chuàng)立。其總部位于馬薩諸塞州康科德（馬薩諸塞州康科德）。最初的目標(biāo)是在每個

工程師的桌子上。模型實體模型設(shè)計系統(tǒng)。自1995年至2010年推出第一套SolidWorks3D

機(jī)械設(shè)計軟件以來，它在全球設(shè)有辦事處，并在140個國家/地區(qū)與300個分銷商一起銷

售和分銷產(chǎn)品。1997年，DassaultSystemes公司收購Solidworks軟件,成為Dassault

在中游水平市場的領(lǐng)先品牌。

Solidworks軟件功能強大且具有許多組件。SolidWorks具有強大，易學(xué)和易用的三個關(guān)

鍵功能，以及使SolidWorks成為領(lǐng)先的主流CAD3D解決方案的技術(shù)創(chuàng)新。SolidWorks提

供了多種設(shè)計解決方案，從而減少了設(shè)計過程中的錯誤并提高了產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不

僅提供這些強大的功能，而且對于所有工程師和運營設(shè)計師而言，它都是簡單，方便，易

學(xué)且易于使用的。

該軟件可以解決機(jī)械CAD領(lǐng)域中尚未解決的關(guān)鍵問題，包括基本的易用性，互操作性和裝

配管理。采用一種新方法來實現(xiàn)您的解決方案（基于Solidworks的獨特技能和資源）。它

可以協(xié)同工作，并提供一組開放的，易于使用的，可擴(kuò)展的機(jī)械設(shè)計應(yīng)用程序。我們?yōu)樵O(shè)

計過程中的每個參與者及時提供正確的解決方案。Solidworks工作界面如下圖2.3所示。

本課題將用此軟件完成足球射門機(jī)器人的3D建模。

2.2.4非標(biāo)準(zhǔn)組件設(shè)計原則與思路

本課題的模塊化機(jī)器人的組裝大部分用到了非標(biāo)準(zhǔn)組件，其包括履帶單元、履帶連接件、

直角角鋁、各種角度的連接件等等，以及通過3D打印的舵機(jī)保護(hù)殼。非標(biāo)準(zhǔn)組件有著結(jié)

構(gòu)簡單、便于加工的特點，可以在模塊與模塊之間起到緊固連接、輔助定位的作用。

對于非標(biāo)準(zhǔn)組件的設(shè)計要求就是以最少種類的零件設(shè)計達(dá)到通用性高、共用性高的效果，

并且結(jié)構(gòu)要簡單，保持著一定的位置精度要求和機(jī)器人載荷的強度要求。

2.4本章小結(jié)

本章節(jié)主要對輪式足球射門機(jī)器人的機(jī)構(gòu)組成做了大致地分析與介紹，對幾個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的

原理進(jìn)行了研究與闡述。此章節(jié)起到了承上啟下的作用，為下文對移動機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)構(gòu)等

的具體設(shè)計與選材選型作了鋪墊，使研究更有條理，提升了設(shè)計過程的效率。

3各機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算

3.1引言

根據(jù)上文中對于設(shè)計方案的總體要求與關(guān)鍵部位的設(shè)計思路的分析，我們得知了將要設(shè)計

的輪式足球射門機(jī)器人應(yīng)具有如下組成部分：移動機(jī)構(gòu)、電池、發(fā)射機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、升

降機(jī)構(gòu)、送球機(jī)構(gòu)、貯球機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)。

接下來將分別分析這些不同機(jī)構(gòu)的工作模式，進(jìn)而結(jié)合實際情況進(jìn)行選型、選材，最后得

出具體的樣式。

3.2移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計與電池的選擇

3.2.1移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

綜合移動的方便與設(shè)計、花銷方面的考慮，選擇采用三輪的差動運動輪系方案。差動運動

輪系是由兩個軸線平行的驅(qū)動輪以及一個或多個從動輪組成。通過控制兩個驅(qū)動輪達(dá)到一

定的速度，就可得到差動運動的效果。當(dāng)兩主動輪速度相同時，就能使得機(jī)器人進(jìn)行直線

運動。當(dāng)一個主動輪的速度為零，另一個主動輪速度不為零時，機(jī)器人就會繞速度為零的

主動輪與地面的接觸點作旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)兩主動輪速度出現(xiàn)其它情況時，機(jī)器人的運動將會

是這以上兩種運動的合成。

一、車輪的選擇

⑴主動輪

構(gòu)成：轉(zhuǎn)子、左右支撐架、固定螺釘。

轉(zhuǎn)子的構(gòu)成：0型橡膠圈、轉(zhuǎn)子本身、轉(zhuǎn)子軸。

0型橡膠圈材料是轉(zhuǎn)子和草地的接觸材料，要保證在滾動中摩擦牽引力足夠以至于不在草

坪上打滑，同時還要考慮材料的抗壓能力與耐久度。

基于這些，我們有兩種材料可供選擇：丁睛橡膠和硅樹脂，兩種材料相比可知丁月青橡膠能

獲得更大的牽引力，并且很難用手破壞；而硅樹脂能獲得的牽引力很小，并且很容易用手

破壞，所以0型橡膠圈的材料選擇丁月青橡膠。

對橡膠圈的要求：

①為了增大與草坪的摩擦，在0型橡膠圈的外部還應(yīng)存在一些凹凸不平的摩擦紋（類似于

越野車輪胎表面的紋路）；

②為了使產(chǎn)品在運行時不至于破壞草皮，還應(yīng)使輪與草有合理的接觸面積（即。型橡膠圈

應(yīng)有合適的寬度）。

轉(zhuǎn)子本身材料的選擇：對于轉(zhuǎn)子本身而言，材料的選擇取決于材料的質(zhì)量以及長期工作時

會不會降低轉(zhuǎn)子與軸之間的摩擦?？紤]到這兩方面，縮醛樹脂是最好的選擇。

轉(zhuǎn)子軸的材料選擇主要需要考慮到轉(zhuǎn)子軸承受的載荷很大，所以材料要有足夠的強度和剛

度，基于此，選擇40Cr。

⑵從動輪

出于對環(huán)境的考慮，位于車身底部后方的轉(zhuǎn)向輪也應(yīng)該滿足主動輪所需要滿足的①、②兩

點，除此之外，對這個萬向腳輪的要求并不嚴(yán)苛，無需進(jìn)行強度、剛度、塑性等方面的校

核。不過，也應(yīng)該考慮到機(jī)器人不超過40kg的設(shè)計總重與人力推行時的方便程度。另外

還要考慮其使用壽命，裝配方便，采購方便，性價比合適等因素。

根據(jù)以上要求，轉(zhuǎn)子部分，作為從動輪的萬向腳輪與作為主動輪的驅(qū)動輪基本相同；支撐

架部分在車輪軸心的正前方合適位置（利用三角形的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以減小射球后坐力的影響）,

且允許水平方向上的360°自由旋轉(zhuǎn)（便于推行）。

車輪支撐架材料的選擇：支撐架主要起支撐的作用，所以要有足夠的強度和硬度，同時還

要具備質(zhì)量輕的性質(zhì)，還要考慮到在室外的日光曝曬與雨水等的銹蝕，所以選擇硬鋁作為

車輪及車身架構(gòu)的主要材料。

輪子裝配圖：

二、運動參數(shù)計算

當(dāng)機(jī)器人向前走時驅(qū)動力是由前面兩輪的電機(jī)提供的，這里為保守起見，設(shè)機(jī)器人的質(zhì)量

不超過40kg,最大移動速度V22.Om/s；最大加速度21.0m/s2,地面摩擦系數(shù)為0.3-0.7。

考慮到使用環(huán)境的特殊情況，選用的車輪要有如下兩點屬性：

①由于要在草坪這種松軟的場合使用，車輪必須要高于草皮一定距離。查相關(guān)資料得：足

球場天然草坪中的草，高度一般在3—5厘米左右，所以輪胎半徑R至少為6cm。這里取兩

個動力輪的半徑R為8cm。

②由于天然草坪易于損壞，并且維護(hù)費用較為高昂，所以要求產(chǎn)品在使用過程中不能對其

有實質(zhì)性破壞，則輪與草地的接觸面的壓強不能過大，車輪需要設(shè)計得較寬?？紤]到R為

8cm,這里取兩個動力輪的寬度d為6cm。

則有：

R3=V22m/s,

所以3/2/R,

所以322/(80/1000)=25rad/s,

即n=603/(2“)2238.9r/min；

由于a^lm/s2,

所以F=ma240xl=40N,

F1=F2=F/2>20N,

所以P=FR3220x80x25/1000=40w；

考慮到中間傳動機(jī)構(gòu)的效率為50%,所以電機(jī)的功率應(yīng)大于80wo

機(jī)構(gòu)組成：由車身、車輪以及支撐平衡裝置構(gòu)成。車身材料與結(jié)構(gòu)尺寸的選擇影響整體設(shè)

備的穩(wěn)定性，底座不穩(wěn)會導(dǎo)致設(shè)備失穩(wěn)，因此必須保證車身合理自重及足夠大的外形面積。

每套支撐平衡裝置又由底座、螺母、螺桿組成；車輪由驅(qū)動輪和萬向腳輪這兩種不同功能

的輪組成。

結(jié)構(gòu)形式：根據(jù)預(yù)設(shè)的車身總質(zhì)量40kg的要求，框架選用強度大、密度小的硬鋁圓弧管

聯(lián)接而成，一些關(guān)鍵部位設(shè)計為防水密閉結(jié)構(gòu)以存放電氣設(shè)備與電子元件；行走輪布置采

用前二后一形式，兩個前輪選用固定驅(qū)動輪，置于車身前部對稱安放；后輪為萬向腳輪，

置于車身后部中間位置。

工作原理：兩前輪的電機(jī)提供車身運動的動力，通過調(diào)節(jié)兩輪速度來改變方向，后輪用來

支撐和保持平衡。

實現(xiàn)功能：滿足足球射門機(jī)器人能夠穩(wěn)定地到達(dá)各個指定位置并在射門過程中保持機(jī)構(gòu)的

平穩(wěn)性。

三、電機(jī)選型

綜合功率、體積、重量、電壓、花銷等方面考慮，選用57BLY12530F,具體參數(shù)為：

額定功率P=125w

轉(zhuǎn)速ni=3000r/min

電壓為24V

扭矩為0.44N.M

具體圖紙如下：

MotorSpeuifiUQtiOC

Resistance________0.3ohn

Inductance0.35mH

Voltage24VDC

Rated。。0er1257

RatedSpeed3000rpr>

RatedCurrent5.2A

RatedTorque0.4NE

PeakCurrent156A

PeakTorque!2Nm-

KeCRMS)4.2V/Krp^'

RotorInertiaKQ.UE2

NumberofPoles4

Weight^<Q-

圖3-2驅(qū)動輪電機(jī)的圖紙

由于單個電機(jī)的輸出功率要求為80w,這里為125w大于80w,所以滿足功率要求。

3.2.2電池的選擇

關(guān)于電池的選擇，綜合體積、重量、電壓、容量、安全性、花銷等方面考慮，選擇采用兩

組24V鋰電池組并聯(lián)的方式供電，這樣電機(jī)在啟動時的啟動電流雖然很大，但是由兩組電

池來分配就減輕了電池的壓力。

【技術(shù)參數(shù)】

產(chǎn)品名稱：聚合物鋰電池組

標(biāo)稱電壓：24V

輸入電壓：25.2V

充電時間：2h

輸出電壓：24V

電池容量：8000mAh

外徑尺寸：144*54*68

整體重量：W500克

安全方面：有過充保護(hù)、過放保護(hù)、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、防靜電保護(hù)、短路

保護(hù)等功能

【電池充電要求】

1：需要鋰電專用充電器；恒流恒壓；

2：充電電壓：25.2V

3：充電電流:3-5A

【電池示意圖】

圖3-3單個電池的樣式

3.3發(fā)射機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.3.1對經(jīng)典方案的分析與改進(jìn)

經(jīng)典方案：

發(fā)球機(jī)構(gòu)的原理如圖3-4所示，由送球機(jī)構(gòu)送上來的足球經(jīng)過三個呈等邊三角形分布的摩

擦輪的作用，高速射出。足球以一定初始速度，從與三個摩擦輪剛好都相切的位置被送入

擠壓區(qū)，從足球開始與摩擦輪接觸到離開摩擦輪，此期間將受到摩擦輪的摩擦力和壓力的

作用，以此來完成加速過程，最終射出。

圖3-4經(jīng)典方案的設(shè)計

此發(fā)球機(jī)構(gòu)理論上可以射出任何方向的弧線球以及不轉(zhuǎn)球。在電機(jī)功率的作用下，當(dāng)左上

方的摩擦輪的轉(zhuǎn)速小于右上方摩擦輪的轉(zhuǎn)速時，射出的球是帶有右旋的，反之則為左旋球;

當(dāng)上方兩摩擦輪的轉(zhuǎn)速相等，而下方摩擦輪的轉(zhuǎn)速小于上方兩輪的轉(zhuǎn)速時，射出的球是帶

有下旋的，反之則為上旋球；當(dāng)三摩擦輪的轉(zhuǎn)速相等時，射出的足球是不轉(zhuǎn)的，若三者不

相等，就帶有一定方向的旋轉(zhuǎn)。

運動的計算：

由動量定理的計算公式得：

fAt=mAt=m(vl-vO)(3-1)

vO為足球的初速度，即進(jìn)入摩擦輪時的速度；vl為足球從摩擦輪中射出的速度。

由式3-1得到：

A,=fAt/m=vl-vO；

設(shè)vO=O,則vl=&,&與f和At有關(guān)，m為足球質(zhì)量，可看作是一個常數(shù)。

但在實際的情況中，如果摩擦輪的轉(zhuǎn)速高到一個程度，使得足球與摩擦輪的整個接觸過程

中始終存在滑動現(xiàn)象，這時繼續(xù)增大轉(zhuǎn)速也不能使射出的球的速度增大，即&達(dá)到了最大

值。我們期望能達(dá)到的最大出球速度，應(yīng)與摩擦輪邊緣的最大線速度相等；而實際上，足

球最大的射出速度卻達(dá)不到摩擦輪邊緣的最大線速度。

出現(xiàn)以上情況的原因是足球吸收的動能不足，歸根結(jié)底是摩擦力小、作用時間短，為解決

這個問題，一方面可以使摩擦力更大，即增大飛輪的直徑與質(zhì)量；另一方面，可以提升摩

擦力的作用時間。但增大飛輪的直徑與質(zhì)量，會加大設(shè)備的總重，增加機(jī)器人運動的難度,

并且還會由于其龐大的體積而導(dǎo)致射球裝置難以改變俯仰角；而現(xiàn)有摩擦輪式的發(fā)射方

案，又難以提升摩擦力的作用時間。

綜上所述，經(jīng)典方案存在著多方面的問題，雖然可以實現(xiàn)球的高速射出，但在一些其它方

面不甚理想。

改進(jìn)后方案：

改進(jìn)后方案在射球動力上同經(jīng)典方案相同，同樣是通過摩擦力將球發(fā)射出去，但摩擦力的

提供者由飛輪換為了傳送帶。相比較經(jīng)典方案，此方案延長了對足球的作用時間td。這

樣一來，摩擦力可加速足球的距離明顯變長，對足球做功的上限提高，速度的增量增大。

最終，足球的射出速度也可以達(dá)到等同于傳送帶的最大線速度。

結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-5所示，三個帶傳動機(jī)構(gòu)成正三角形放置，三個主動帶輪由電機(jī)帶動轉(zhuǎn)動

起來，足球由初始位置進(jìn)入傳動帶，受到周圍正三角形分布的三條傳送帶對它的摩擦作用

而加速，最終被射出。

皮帶

圖3-5改進(jìn)后方案的設(shè)計

3.3.2改進(jìn)后方案的數(shù)據(jù)分析

下面對改進(jìn)后的帶傳動方案進(jìn)行一些簡單的力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計上的分析。

一、三個主動帶輪的轉(zhuǎn)速3相同時足球的速度分析

我們把足球形變后的部分稱為球冠，把被擠壓凹陷的部分稱為球缺，對足球進(jìn)行一系列不

同位置的運動簡析（在以下的計算過程中，不計主動帶輪和皮帶的變形）。

⑴足球剛進(jìn)擠壓區(qū)的速度計算

如圖3-6所示，足球從射球機(jī)構(gòu)外要進(jìn)入發(fā)射機(jī)構(gòu)，三主動帶輪都在此時刻與足球相切。

此時，帶輪的轉(zhuǎn)動帶動皮帶運轉(zhuǎn)，經(jīng)摩擦將運動傳遞給足球后，足球開始進(jìn)入擠壓區(qū)。分

析該過程時，我們?yōu)榱撕喕嬎?，以足球為研究對象，先分析單條傳送帶對足球的作用效

果。（粗設(shè)足球受到的擠壓力與其體積變形量成正比）

這里取帶傳動的傳動比為1:1,且兩傳送帶的規(guī)格相同。

足球球心從01運動到02的過程中，上方兩主動帶輪的中心連線與球心到左上方的主動帶

輪中心的連線的夾角由。0變?yōu)?,足球被擠壓。

球缺的高度為：

h=(R+L)tg00-(R+L)tg0=(R+L)(tg00-tg0)(3-15)

(即h為足球與帶輪中心距的變化量)

足球的體積變形量為：

△=l/3nh2(3r-h)(3-16)

足球受到的擠壓力為：

N=k^=l/3knh2(3r-h)(3-17)

(N的方向可以認(rèn)為是主動帶輪中心與足球中心的連線并且指向足球中心)

足球受到的摩擦力與擠壓力有關(guān)，將擠壓力做兩個垂直方向的分解可以得到足球所受的摩

擦力為：

f=HNcos9-Nsin(3-18)

單個主動帶輪作用下動量定理為：

mv-mv0=f0t(f-mg)dt；

相比較足球受到的摩擦力f,足球的重力mg很小，所以這里暫且忽略。

假設(shè)三個主動帶輪的轉(zhuǎn)速相同，故可認(rèn)為足球受到的三條傳送帶的摩擦力也相同。

則最終的動量定理表達(dá)式為：

mv-mv0=2J-Otfdt(3-19)

在上面的式子中：

m為足球的質(zhì)量；

V為足球在擠壓區(qū)的瞬時速度；

vO為足球剛進(jìn)擠壓區(qū)的速度(初始速度)，這里設(shè)為0；

f為足球所受到的單個傳送帶給予的摩擦力；

口為皮帶與足球之間的摩擦因數(shù)；

N為足球所受到的擠壓力；

k為足球彈性體的的彈性系數(shù)；

R為主動帶輪的半徑；

r為足球的半徑；

L為兩主動帶輪輪廓之間的最短距離的一半；

00為足球剛進(jìn)入擠壓區(qū)的臨界位置時球心與左邊主動帶輪中心線的連線與兩主動帶輪中

心連線的夾角，可以預(yù)先測得或算得；

。為足球在擠壓區(qū)內(nèi)球心與左邊主動帶輪中心線的連線與兩主動帶輪中心連線的夾角；

將3-15、3T6、3T7、3T8式代入3T9式得到：

mv=2{/000[gknh2(3r-h)cos0dt]/3-f000[kmh2(3r-h)sin0dt]/3}

3.3.2足球半進(jìn)擠壓區(qū)的速度計算

計算一下足球在特殊位置時的速度，即當(dāng)足球運動到球心與兩主動帶輪的中心連線上時，

如圖3-7所示，陰影部分表示足球的變形形狀。此時0=0。這個時候主動帶輪對足球的摩

擦力為：

f=HNcos9-Nsine=|iN(3-20)

圖3-7足球半進(jìn)擠壓區(qū)

可以得出的結(jié)論是，隨著足球的受擠壓程度增加，N增大，摩擦力f增大，足球的瞬時加

速度a也應(yīng)增大，則足球的球速也越來越大。

其實，隨著足球的運動直到球心與兩主動帶輪中心連線重合，N一直在變大，夾角。由00

逐漸減小，最后為0的過程中cos0逐漸增大，而sin0一直在減小，所以足球受到的摩

擦力f一直在增加，即球速一直在增大。并且由于初始時足球的球心處于兩主動帶輪的中

間平面上，兩主動帶輪對其的摩擦力相等，故足球只是沿著帶運動的方向滑動而不發(fā)生滾

動。

此時足球的速度與m、r、k、30、R、L、d。0均有密切的關(guān)系。

其中，cos00=R+L/R-r為常數(shù)(3-21),m、r、k為常數(shù)。

(1)設(shè)起始時00=45°時，其他參數(shù)均為定值的情況下考慮摩擦因數(shù)對球速的影響，計

算可得：

v=2kn(R+L)2"(J2T),日越大，足球在進(jìn)入傳動帶中的速度也相對越大。

(2)設(shè)帶輪半徑R不變時，比較起始00=45°和00=30°時，L和00對球速的影響，由

3-21可知，減小，L增大。比較速度計算結(jié)果可得：當(dāng)R不變時，減小L,速度v也

相對增加。但是L也不能過小，因為頻繁且過大的變形會減小足球的使用壽命。

(3)變化帶輪半徑R

改寫式3-21得到：

cos00=R+L/R-r=l-(r-L/R+r)(3-22)

當(dāng)R減小時，cos00減小，00增大。而R和L在式中的地位基本相等，進(jìn)過計算得出，

當(dāng)其他參數(shù)不變時，適當(dāng)減小R,足球的速度v增加。

3.3.3足球球心超過主動帶輪球心連線時速度

當(dāng)足球運動到球心超過主動帶輪球心的連線時，如圖3-8所示，陰影部分表示足球的變形

形狀。此時足球受到的單個主動帶輪的摩擦力變?yōu)椤?川(：050+股門0,可以看出擠壓力N

在豎直方向上的分力與足球的速度方向相同，使得足球受到的摩擦力繼續(xù)加大，即足球的

加速度越來越大，足球仍然處于加速的過程之中。

圖3-8足球球心超過主動帶輪球心連線

可以從圖中觀察到，如果主動帶輪的輪廓之間的最短距離遠(yuǎn)小于足球的直徑，那么這個時

候足球會被擠壓得很扁，即足球的形變量會很大。

3.3.4足球完全進(jìn)入帶傳動時速度

當(dāng)足球運動到完全進(jìn)入傳動帶的擠壓時，陰影部分表示此時的足球的變形形狀。如圖3-9

所示。

圖3-9足球完全進(jìn)入傳動帶

在忽略皮帶的影響下，我們可以根據(jù)對稱性做出足球剛好完全進(jìn)入擠壓區(qū)的足球的球心位

置。此時的。=90,f=Wcose+Nsin0o和足球剛進(jìn)入擠壓區(qū)的計算方法類似，計算此時

的足球的球速：

mv-mv中間=2/fdt=2/000(l^Ncos0+Nsin0)d0(3-23)

其中:

N=kZW=l/3nh2(3r-h),h=(R+L)tg9O+(R+L)tg0(3-24)

這樣可以計算出v完全擠壓，由于式子過于冗長，這里不給出結(jié)果。

3.3.5足球在帶中的運動情況

如果足球進(jìn)入完全擠壓區(qū)時的速度v小于皮帶的傳動速度V，，那么這時候皮帶還會給足

球在運動方向上的摩擦力f,即此時足球在與皮帶傳動一起運動的同時，相對皮帶還有稍

許滑動。直到足球加速到球速v與皮帶的速度v'相同為止，從這以后皮帶就夾著球傳動,

連為一體，直至輸送足球到末端的從動輪的邊緣，將足球以皮帶的速度發(fā)射出去。

小結(jié)：

當(dāng)傳送帶的傳動比為1:1,且三主動帶輪的轉(zhuǎn)速相同時，足球從初始位置進(jìn)入皮帶傳動裝

置后速度會不斷地增加，直到它同皮帶有相等的速度為止，并且最終會以此速度射向球門。

3.4三個傳送帶的主動輪轉(zhuǎn)速3不同時足球的速度分析

當(dāng)三主動帶輪的轉(zhuǎn)速不同的時候，足球的運動過程相對復(fù)雜，先做如下的簡單推理說明。

為計算簡單，現(xiàn)不考慮下方傳送帶給足球速度帶來的影響，而只對上方兩不同速度的傳送

帶進(jìn)行分析。

先假設(shè)32>31,即右上方的主動帶輪的轉(zhuǎn)速比左上方的主動帶輪的轉(zhuǎn)速要快，如圖3To

所示。

圖3To主動帶輪的轉(zhuǎn)速不同

足球也是從初始位置即與兩主動帶輪相切的地方進(jìn)入擠壓區(qū)，因為32>31,所以足球剛

進(jìn)入擠壓區(qū)時受到右邊傳送帶的沖擊大于受到左邊傳送帶的沖擊，將使足球在前進(jìn)的同時

有向左運動的趨勢，故經(jīng)過短暫的僅時間后，足球的球心會隨著足球運動向左偏一定的距

離。從足球開始進(jìn)入擠壓區(qū)到整體全部進(jìn)入擠壓區(qū)這個過程中，足球受到的擠壓力是右邊

的主動帶輪較大，可以推出足球受到的摩擦力也是右半部分的f2比較大。這里做簡化處

理，由定軸轉(zhuǎn)動的微分方程可得:

Ja=(f2-fl)r(3-25)

其中J為足球的轉(zhuǎn)動慣量，得出足球有逆時針方向的角加速度a。

所以足球接觸到皮帶不久時，在大小不等的摩擦力fl、f2的作用下，會既有沿著皮帶傳

動方向上的滑動，又有繞某一過球心軸的轉(zhuǎn)動。

而當(dāng)足球整體都進(jìn)入皮帶擠壓區(qū)經(jīng)過一段時間的加速后，在皮帶上不會滑動，此時足球可

以看成是和皮帶一起運動，但由于上方兩側(cè)傳送帶的瞬時速度v2與vl不相同，所以足球

除跟隨皮帶進(jìn)行的直線運動以外，還會有一個轉(zhuǎn)動。

最終從發(fā)射口中射出的足球的狀態(tài)分析如圖3-11所示。

圖3T1足球最終出球時狀態(tài)

使用基點法的計算方法求出物體的速度：

v2=vl+v21；

其中線速度：

vl=w1R,v2=w2R；

相對速度：

V21=23'R；

所以：

3'=(v2-vl)/2R；

那么球心的速度：

v=vl+3'R=v1+(v2—v1)R/2R=(vl+v2)/2?

由此可得：足球被射出時，線速度為三條同步帶的線速度之和的三分之一，且?guī)в幸欢ń?/p>

速度的向右自轉(zhuǎn)；在隨后的飛行過程中，足球的軌跡會向左偏轉(zhuǎn)。

總結(jié)上面的一系列推導(dǎo)，可得出：當(dāng)傳送帶的主從動輪中心距a足夠長時，足球的射出速

度可以達(dá)到同步帶的速度；若中心距a較小，則足球在加速到等同于傳動帶的速度之前就

從發(fā)射口射出了，足球的最終速度與m、r、k、3、R、L、以0、。均有密切的關(guān)系。

顯然，當(dāng)中心距a=0時，就等同于摩擦輪式發(fā)球機(jī)構(gòu)的效果：在很多情況下，足球射出

時仍然未達(dá)到傳送帶的速度，這樣會導(dǎo)致最大出球速度較低。

得出的輪速與足球飛行軌跡的變化規(guī)律與摩擦輪方案類似：當(dāng)左上方的主動帶輪的轉(zhuǎn)速小

于右上方主動帶輪的轉(zhuǎn)速時，射出的球是右旋球，反之則射出的球為左旋球；當(dāng)上方兩電

機(jī)的轉(zhuǎn)速相等，而下方主動帶輪的轉(zhuǎn)速小于上方兩主動帶輪的轉(zhuǎn)速時，射出的球是下旋球,

反之則射出的球為上旋球；當(dāng)三臺電機(jī)的轉(zhuǎn)速相等時，射出的足球是不轉(zhuǎn)的，若三者不相

等，就帶有一定方向的旋轉(zhuǎn)?？傊?，通過調(diào)節(jié)三臺電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，我們可以全面地實現(xiàn)

對球的速度與旋轉(zhuǎn)方向的調(diào)控。

同之前介紹的摩擦輪式發(fā)球機(jī)方案作比較，改進(jìn)后方案中的帶傳動式發(fā)球機(jī)的方案射出的

足球角速度3更加穩(wěn)定。除此之外，帶傳動式機(jī)構(gòu)的體積和重量也比摩擦輪式機(jī)構(gòu)小。綜

上所述，實際采用帶傳動式的改進(jìn)后方案。

3.3.3新方案的選材與選型

一、電機(jī)的選擇

將足球剛進(jìn)入發(fā)射機(jī)構(gòu)時的瞬間速度近似看做0,則在此期間三條傳送帶對足球做的有用

功為：W=Ek=mv2/2；

查資料得：根據(jù)國際足聯(lián)的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)足球重量在比賽開始時不多于450克（16英兩）、

不少于410克（14英兩），在這里可近似看做m=0.5Kg；設(shè)計要求足球的最大速度超過vmax

210m/s,為將比賽中的射門情況模擬得更真實，現(xiàn)設(shè)置vmax=30m/s；

則最大做功Wmax20.5X302/2=450J,根據(jù)實際情況，tWO.2s,Pmax=Wmax/t22250w.

綜合功率、體積、重量、電壓、花銷等方面考慮，選用Z-60M-01930c5-E,具體參數(shù)為：

額定功率P=600w

轉(zhuǎn)速nl=3000r/min

電壓為48V

扭矩為1.91N.M

確定計算功率Pea

查得工作情況系數(shù)KA=1.1,故Pca=KAP=660wo

二、傳送帶的選擇

⑴選取帶種帶型：

帶種的選擇方面，翻閱機(jī)械零件手冊，了解到普通V帶Vmax=25?30m/s,而同步帶的Vmax

可以達(dá)到50m/s?由于機(jī)構(gòu)發(fā)射的足球的需要所以這里選擇同步帶來作為發(fā)射足球的載體;

帶型的選擇方面，由于圓弧齒帶型的同步帶能夠傳輸更大的功率(其正常工作所能承載的

傳動功率比梯型齒同步帶和T型齒同步帶大3-5倍)，為了增大與球接觸過程中的摩擦力

做功，所以這里選用圓弧齒同步帶；

考慮到實際情況中足球與皮帶的接觸形變量，取皮帶寬30mm。

⑵確定帶輪的規(guī)格：

為節(jié)省空間，取主從動輪的直徑d2=dl=50mm,類型為AF(輪的包邊設(shè)計使皮帶更好地與

足球接觸，減少接觸時帶的彈性形變，使摩擦力增大，傳動效果提高)，材質(zhì)為不銹鋼(為

增大轉(zhuǎn)動慣量，使皮帶更好對球做功，而且考慮到機(jī)器在使用過程中需要防止銹蝕)。

⑶驗算帶的速度：

v直接連接=ndn=0.05X3000n/60心7.85m/s<30m/s,

所以應(yīng)設(shè)置一個變速裝置，取傳動比為1：5,使同步帶的主動輪有足夠的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使帶

的速度達(dá)到期望。

⑷確定同步帶的基準(zhǔn)長度和傳動中心距：

根據(jù)0.7(dl+d2)<a<2(dl+d2),初步確定中心距a0=150mm,

⑸根據(jù)公式計算帶所需要的基準(zhǔn)長度：

Ld'=2a0+n(dl+d2)/2+(dl-d2)2/4a0^457.08mm；

根據(jù)查表所得，帶的基準(zhǔn)長度Ld=500mm,規(guī)格為HTD505M30AF；

(6)計算實際中心距：

a=a0+(Ld-Ld')/2=171.46mm。

3.4俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計

俯仰與調(diào)高機(jī)構(gòu)的設(shè)計

一、俯仰機(jī)構(gòu)參數(shù)計算：

因為發(fā)射裝置的一體化，我們現(xiàn)在僅需調(diào)整發(fā)射裝置整體的俯仰角，而不用分別調(diào)整各個

部件的俯仰角。整個發(fā)射裝置懸掛在主體框架上。為了減小轉(zhuǎn)矩、增大穩(wěn)定性，所以取懸

掛點如下簡圖：

其中，A、B、C三點代表三條帶的位置，D、E為輸出轉(zhuǎn)矩的作用位置。

這樣設(shè)計的用意是使輸出轉(zhuǎn)矩所在直線與發(fā)射裝置的重心相重合，使轉(zhuǎn)動較為省力。

設(shè)機(jī)構(gòu)的俯仰轉(zhuǎn)速為3,最大俯仰角為0,整個轉(zhuǎn)動部件的總轉(zhuǎn)動慣量為I,減速器輸出

的轉(zhuǎn)矩為Tmo

為了滿足實際使用時的需要，取轉(zhuǎn)速3245°/s,并且我們可以得知，整個射球機(jī)構(gòu)的質(zhì)

量不超過10kg,長度不超過28cm,則有：

I=mr2=10X(0.284-2)2=0.196kg?m2；

320.25r/s=15r/min；

機(jī)構(gòu)組成：1臺直流減速電機(jī)。

結(jié)構(gòu)形式：如圖所示，橫桿位于發(fā)射裝置左右，有電機(jī)的一側(cè)通過減速齒輪及螺栓方式同

發(fā)射裝置連接在一起，沒有電機(jī)的一側(cè)通過滾動軸承同發(fā)射裝置連接在一起；支撐軸承座

和銷軸把轉(zhuǎn)向板和轉(zhuǎn)向支架連接在一起。

工作原理：電機(jī)啟動帶動蝸桿減速機(jī)工作，小齒輪獲得轉(zhuǎn)矩帶動大齒輪工作，進(jìn)一步帶動

整個發(fā)射機(jī)構(gòu)，使射球仰角發(fā)生變化。

實現(xiàn)功能：滿足訓(xùn)練時控制射出足球方向的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)以一定仰角向上方射門與以一

定俯角向下方射門的目的。

主要考慮轉(zhuǎn)矩與速度的問題，結(jié)合功率、體積、重量、電壓、花銷等方面考慮，選用

MT60GFXX-555,具體參數(shù)為：

額定功率p=6w

轉(zhuǎn)速nl=3000r/min

電壓為24V

扭矩為0.44N.M

具體圖紙如下：

減速馬達(dá)出力&轉(zhuǎn)速GEAREDMOTORTORQUE/SPEED

雷掄箱長度GearHeadLength

20.7mm

(mm)

減速比

額定電壓1/371/871/Hl1/2221/29313651/5831/772