CN101147040B - 数控、用户可编程、位置可移动式乒乓球发球机 - Google Patents

数控、用户可编程、位置可移动式乒乓球发球机 Download PDF

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Abstract

一种乒乓球发球机系统，其特征为：发球机的所有运动控制通道均采用闭环数字控制，用户可编程，使用独特的集球网设计因而发球机可设置在球场发球机一侧的广泛空域正常工作。

Description

数控、用户可编程、位置可移动式乒乓球发球机
技术领域
本发明涉及一种新型乒乓球发球机该机在所用技术和所实现功能方面比目前已注册专利或已上市的任何乒乓球发球机都更加优越。
背景技术
近几十年，多种乒乓球发球机被发明，注册专利和生产这些装置可顺序将乒乓球从球场或球台的一端投射至另一端球台上供打球者练习回球。练习者可根据需要设置球的投射频率，飞行轨迹及旋转等。其中有些设计还包括回球集球网。相关技术可参考下列专利：美国专利3,794,011，4,116,4 38，4,325,351，4,917,380，4,844,458，5,009,421，5,335,9054，5,383,658，5,485,995，5,533,722，6,186,132，6,202,236，6,371,872，6,604,517。中国专利02217946，03218645，87214545，9321 3663，93244555，94217832，97240522，98230401，99207740。
乒乓球发球机用于从球台的发球机一侧，按实际比赛中对手可能打出球的飞行速度，轨迹及旋转将球射至练球者一侧的球台上供练球者练习回球。现有专利技术均未令人满意地实现这一点。主要是两方面。
第一，可编程性。
乒乓球比赛中，对手打来的每一个球有其独特的飞行速度，轨迹及旋转。理想的乒乓球发球机应允许用户对球的各项特性参数，例如飞行速度，初始三维射角，轨迹及旋转等，以足够精度(例如二进制8位或16位)按实际球员能产生的球性范围，进行程序化设置。并将足够数量的特性参数组合以数字形式存入系统存储器作为(乒乓球)球库。发球机可随时调用球库中这些参数以产生已定义的那些球。如此，当用户将他/她想要练习回的球或球的序列编存好后，便可随时指令发球机产生(并重复，若需要的话)这些球或球的序列。现有专利技术均无此能力。它们多数需手动调节某些机悈部分以改变球的特性。美国6186132号专利虽有用单片机控制电机驱动的位置设定机构但只是简单的逻辑控制，因其位置参数不是数字化的。
第二，机器(相对球台)位置的可任意设定性
乒乓球比赛中，对手可能从他/她那一侧球场三维空间内的任意一点回球。有时紧靠球台端线，有时距球台5英尺以外，有时从相当膝部的高度，有时从高于肩部的高度，。。等等。现有带有回球集球网的专利技术既使在上述空间中的局部笵围内都无法任意设定机器的位置。有些只能挂靠在球台一端，有些独立放置在离球台端线不远处。所有带有回球集球网的现有设计均只能将机器置于(相对球台)固定的位置，否则回球集球网不能正常工作。原因是这些设计的回球集球网均只有一个尺寸，位置和形状。美国6200236号专利介绍了一个可在十分有限的笵围内横向(与台端和地板平行)任意设置机器抛球头位置的系统，但它既不可纵向(沿靠近或远离球台的方向)也不可高低设置。美国6371872号专利增加了抛球头高低可调性，但还是欠缺纵向位置的可任意设定性。
发明内容
以下公布的描述及图例仅是为举例说明此项专利技术。并不代表此项专利技术可应用及权利要求的局限。特此申明。
图1所示为此项发明(图中未包括此项发明的回球集球网。将在另外图例中介绍)。图中A是抛球头，直线bp是球的射出线。B是侧旋角设定机构。该机构使抛球头A绕射出线bp徊转以设定出球的侧旋角度D是本发球机的方位角定位机构。该机构使抛球头A，侧旋角定位机构B，高低角定位机构C三部分一起绕固定的(上下)纵向轴廻转，侧旋角定位机构B和方位角定位机构D经由轴销p1及p2相连结。C是本发球机的高低角定位机构。该机构由电机驱动的丝杠组件构成。其作用是使抛球头A、侧旋角定位机构B一起绕轴销p1，p2连成的轴线廻转以按需要改变球的射出线bp与水平面的夹角。E是一个多节可伸缩的竖管组件。F是一可容纳由电机驱动的输球机构、系统的电子部分及一定数量乒乓球的容器。H是一个三角架，用于将整个系统支撑于地板上。
图2为本系统A-B-C-D各部细节。如图2所示，抛球头A包括两个利用安装板相对安装在一段管子两侧的电机M1和M2、安装在这些电机M1和M2的旋转输出轴上的两个乒乓球抛射轮盘DW1和DW2、红外反射型传感器S1和S2、红外线发光二极管e、以及与e隔着管子相对地设置的红外探测器g。该段管子的直径可以允许乒乓球自由通过。轮盘DW1的橡胶外沿和轮盘DW2的橡胶外沿的间距较乒乓球的直径稍小。当乒乓球在管内被由图2中的左向右推至轮盘DW1和DW2之间时，便被两抛球轮盘DW1和DW2夹带并抛射出去；出球的初速、旋转及方向由两抛球轮盘DW1和DW2的转速、转向及bp线的指向所确定。轮盘DW1和DW2对称安装于乒乓球抛射管纵向中心线两侧，并使得该中心线与bp线成为一线。在轮盘DW1和DW2上各有一环形反光带(图2中仅示出轮盘DW1的环形反光带)。反光带上交替均匀分布着吸收或反射红外光的区间。当抛球轮盘DW1、DW2转动时，朝向反光带的反射型传感器S1和S2向系统的数字控制器输送电脉冲信号。其频率分别代表了轮盘DW1、DW2的转速。数字控制器反复地将此测定的转速与它们的设定值比较并相应调节驱动电机M1、M2的电压，如此实现对轮盘DW1、DW2的数字闭环转速控制。轮盘DW1上的所述环形红外反光带与红外反射型传感器S1构成一种光电增量型编码器；该编码器的组件被嵌入在电机控制机构的不同部分中。作为本专利的其它实施方式，也可用专门的(不限于光电的)编码器(增量型或绝对型均可)安装于运动链接的适当位置。或使用本身已装设编码器的电机(编码器通常装于电机转轴的后端)。但这些实施方式结构更复杂且通常更昂贵。
当乒乓球射出时，会短时阻断从二极管e射向探测器g的红外线。探测器g检测到此时即向数字控制器发送一脉冲信号。如此核查射出球的数量和时刻。
如图2所示，本发球机的方位角设置机构D主要由两段管状构件组成。其中较细的管(内管)插入较粗的管(外管)。WM是一蜗杆组件，由蜗杆及蜗杆驱动轮DW4用一根轴(蜗杆组件轴)相连而成。若采用齿轮传动时，蜗杆驱动轮DW4是一齿轮。若采用皮带轮传动时，蜗杆驱动轮DW4是一皮带轮。蜗杆组件WM的轴的两端经由轴承和托架板固定在方位角设置机构D的外管上。与蜗杆组件WM配套的蜗轮WG则嵌入方位角定位机构D的内管外壁。方位角定位机构D的内管与图1中的竖管组件E实际上是同一根管的不同区段。电机M4经由传动带或齿轮驱动蜗杆驱动轮DW4。内外管之间在其重叠区段两端装有转动轴承。如图2中双箭头线d所示，当蜗杆组件WM在电机M4驱动下转动时，方位角定位机构D的外管将围绕内管绕上述两转动轴承所确定的轴线徊转，同时携带着安装在方位角定位机构D的外管上的所有部件一同徊转(即，蜗杆组件WM，电机M4，红外反射型传感器S4，抛球头A，侧旋角定位机构B和高低角定位机构C)。S4是与S1，S2类似的红外反射型传感器，用类似方式检测驱动轮DW4的运动。有一点不同的是蜗杆驱动轮DW4上的环形反光带，其红外吸收与反射区域的边界线是弧线而非直线。这是为避免机械震动时触发红外反射型传感器S4送出错误脉冲信号。系统的数字控制器随时监测S4所生成的脉冲和电机M4的转动方向，从而监测该机构的位置和速度并产生对电机M4的相应控制。这便形成本系统一个轴向的数字闭环位置控制(而该机构的徊转速度则可作为一中间参量使用)。此轴向的数字闭环位置控制使用一套嵌入式编码器，实现本发球机抛球头的横向摆动及定位。作为此发明的另一实施方式，内管外壁也可不用嵌入式蜗轮而用嵌入式普通齿轮。或者专门的增量型或绝对型的编码器(不一定是光电的)也可用于对该机构的运动编码。或者也可用本身带有编码器的电机。或者也可用步进电机。但这些实施方式一般体积更大，更复杂，更昂贵。
图2中的B是本发球机侧旋角定位机构。采用与方位角定位机构D相同的设计。方位角定位机构D与侧旋角定位机构B的外管上的托架经由轴销p1，p2连结。侧旋角定位机构B的内管与抛球头A的抛球管相接。如图2中双箭头线b所示，当电机M3转动时，侧旋角定位机构B的内管带动抛球头A一同绕抛球线bp徊转。依此在需要时设定抛出球的侧旋角度。侧旋角定位机构B是本发球机的又一套数字闭环位置控制机构。
图2中的C是本发球机高低角定位机构。它由电机驱动的丝杠组件构成。该组件的下端经由托架和轴销安装于方位角定位机构D的外管上，上端则用轴销连结在侧旋角定位机构B的外管上。如图中双箭头线c所示，当电机M5转动时，会改变丝杠组件两端的距离，如此推动抛球头A和侧旋角定位机构B一起绕轴销p1，p2形成的水平轴徊转，从而实现抛球头的高低射角设定。图中T1和T2为弹性材料制成的舌形构件。用于当B-A组件上下摆动时在方位角定位机构D和侧旋角定位机构B之间保持一条平滑的弧形乒乓球通道。
图3给出了图2中高低角定位机构C的细节。丝杠LD是丝杠。DW5是中心通孔带有与丝杠LD相啮和的内镙纹的驱动轮。驱动轮DW5可是皮带轮或齿轮，其具体取决于传动实现的方式。丝杠LD伸缩于一个管状构件中。此管状构件的顶端装有两个带中心通孔的安装板。两安装板由若干小柱形件相连，形成两板之间的空隙。驱动轮DW5夹于两板之间。丝杠LD进出于驱动轮DW5的中心孔及两安装板的中心通孔。驱动轮DW5的上表面也有一个类似于蜗杆驱动轮DW4上的环形红外反光带。当电机M5驱动轮DW5转动时，朝向驱动轮DW5的红外反射型传感器S5将测得驱动轮DW5的运动信号并将该信号送至数字控制器从而使得数字控制器能够跟踪丝杠LD的伸缩位置并通过相应地驱动电机M5而实现对丝杠LD伸缩位置的控制。这是本发球机的又一数字闭环位置控制通道。上述图中未示出电机M5输出轴与驱动轮DW5之间的传动机构。该机构既可由皮带传动也可由齿轮传动实现。
图4是图1中F部件的内部俯视图。如图示，该容器内的下部为盆形曲面。该曲面使容器内的球在重力作用下自然向盆底开口处滚动。并落入开口下方的输球机构中。输球机构包括：固定在容器底部的外柱桶件R；内柱桶件Q；管嘴NZ，其一端伸出容器外壁，另一端经由外柱桶件R上的开口插入R和内柱桶件Q间并固定在容器底部；电机驱动的轮盘DW6；及，安装板MP。内柱桶件Q固定在轮盘DW6上。Q-DW6组件的上端用转动轴承经安装板MP定位。安装板MP用镙钉固定在外柱桶件R的上沿。Q-DW6组件的下端由嵌入容器底部的转动轴承定位。外柱桶件R的几何对称轴与Q-DW6组件的几何对称轴(也是其转动轴线)重合。轮盘DW6可以是一个皮带轮也可以是一个齿轮，取决于选用的驱动方式。内柱桶件Q的垂直外表面及外柱桶件R的垂直内表面的一段，RB1，是用橡胶材料制成。两橡胶表面的距离较乒乓球的直径稍小。而在其它区段外柱桶件R的内柱面与内柱桶件Q的外柱面的间距稍大于乒乓球的直径。当Q-DW6组件按图4中箭头所示方向转动时，落在轮盘DW6上的球将沿箭头所示方向移动，最终被带入并夹持在两橡胶表面之间而后被送入管嘴NZ中。NZ伸出容器的一端与图1中竖管组件E底部的弯管相连。使得球可一个推一个地被推向抛球头A。这种双柱面输球机构的优点是其推球的速度很稳定，因而可准确控制球的发射时间。此外，在两橡胶柱面间滚动的球构成又一级减速增力机构。如前所述，图2中的红外线发光二极管e，红外探测器g组合将检测球射出的时间及射出的数量，数字控制器便可依此控制驱动轮盘DW6的电机停或转。容器盒内盛球盆下方的空间还用于安置驱动轮盘DW6的电机及系统的电子部件。
综上所述，此项发明使用了五个通道的电机驱动运动控制机构。其中两个通道为速度控制通道。用于图1中抛球头A以产生射出球的适当速度和旋转。图1中侧旋角定位机构B，高低角定位机构C，方位角定位机构D等部分各用一个位置控制通道。以确定抛球头的位置方向使射出的球具有适当的轨迹，落点及侧旋角。这些运动控制通道均使用编码器，光电或其它物理特性的，增量型或绝对型的，嵌入式(其定义为主元件中有一个或多个是嵌入运动机构的不仅是用于编码的构件中的)或独立式(有其独立的封装)，其中以示例中介绍的嵌入式为最佳实现。这些编码器为运动控制机构提供数字反馈信号。使用数字控制器(单片机，微处理机，数字信号处理器甚或个人电脑)结合适当电子电路(逻辑电路，电机驱动电路，传感器信号调制电路，用户界面等)，实现了发球机的全数字式控制。上述五个运动控制通道的每一组控制参数，构成一个可独特定义一个(所射出的)球的向量。预先定义的多个此种向量可存入系统存储器作为球库。需要时可瞬间调用产生希望的球。使用适当的程序化设计，用户将可自行修改这些球库的内容或建立新的球库。也可按一定时序调用库中不同的向量以产生组合球序列(所谓套路)供练球者练习。用户还可将各种套路存储建成套路球库备用。如此实现发球机的完全用户可编程性。
图5是本发球机的电子部分功能方块图。市面上有多种可用于此项发明的CPU。而实现这些功能块的具体电路更是多种多样。系统的程序编制也可是多样的。不在此赘述。
图1中的标号E表示一个多节的竖管组件(图中只显示两节)。用于将发球机的上部支撑在距地面一定的高度。竖管组件E的各段的纵中心线彼此重合且各级内管均可在其相邻外管内伸缩以改变发球机的高度。各段管子间配备有滑动轴承以使伸缩更平顺。需要时可使用定位镙栓固定调好的高度。竖管组件E的另一重要作用是为乒乓球提供一个从容器F的出口到抛球头A的通道。
图6所示为本发明的集球网。由平摊开来大至为矩形的主网MB，封闭主网一端的堵头网片EP，及将网体以需要形状悬架在适当位置的一个或多个网架构成。本集球网在工作状态时具有如下特征。网的前部开口端将球台的端线包围，网体大至为垂直部分的高度足以捕获练球者打来的全部球，网内下表面为一连续平滑下降曲面。落在此曲面上的球会在重力作用下沿曲面的下降方向滚向网底部的一个固定点。然后，收集于此固定点的球可被送入发球机输球机构。利用网体材料的弹性变形，和/或将网体以不同方式悬挂于网架上，和/或改变网架的形状和位置，本集球网可具有多种按工作状态展开的尺寸，形状和位置。作为本发明的一个实现方案，图6中用了两个独立的支撑网架，即前网架FF和后网架BF。前网架FF上部扁宽的U形部分完全包围了球台端线。后网架BF的上部则为窄高的U字形。当使用这一设计时，集球网按工作状态展开的尺寸及形状的改变不依赖于网体材料的弹性。事实上，网体材料的伸缩性过高，可能会有负面的效果。窄高的BF允许网体后端的顶部更高(这是理想的，因距球台端线一定距离内，从台面弹起的球处于上升弧段)，而底部更低(这也是理想的，正好使网体下表面形成一由前向后的连续下降曲面使得落入网内的球均滚向图6中所示S点)。后网架BF与前网架FF间的距离(即网的有效长度)可远至主网长度能允许的范围也可近至后网架BF紧靠前网架FF的程度。当此距离小于网体完全展开的长度时，多余的网体部分可沿前网架FF的扁平U形框卷起或是由后向前推至该U形框的两侧及下方。当后网架BF放置在图中地板上L-M-N-P区域内的任意点时，集球网均可令人满意地工作。视网体材料及网架的特性而定，该网从图6中h点至i点及j点至k点可加张力绳或横梁。宽度为30到60厘米的网体材料可沿主网内侧的上沿悬挂并与主网内侧的上部重叠，如图7所示(图7中未显示主网)。这样做可防止上旋球跑出集球网。上旋球碰到主网体的垂直部分后，会沿主网体向上爬。而此重叠部分将会捕获这些球，使它们落回网体的底部。
图8所示为本发明集球网另一实现方案也是最佳方案。这里，球台，本发明的发球机及本发明的集球网一起构成一个完整的系统。卡装于球台端两头的立柱和球台端构成集球网的前网架。后网架则装在发球机上。主网上边缘的h点至i点及j点至k点间的袖管内使用了类似中国式钓鱼杆的玻璃钢多节可伸缩横梁(图中未画出)以更好地支撑网体。发球机置于L-M-N-P诸点界定区域内任一点，集球网都可令人满意地工作。使用普通尼龙网料，L至M的距离可达7米而点M至点N的距离可达5米。图9为本系统的另一设置情形。此时发球机立于靠近台端处。图中也显示了当前网架与后网架的距离小于网体全长时，多余的网体材料被推挤于前网架下方及两边的情况。
图1中竖管组件E的可伸缩性结合本发明的集球网，使得抛球头可设置在球场发球机一侧广阔的三维空间内的任一点。

Claims (13)

1.一种数字控制、用户可编程全自动乒乓球发球机，包括：
一个置于发球机底部的盛球及电机驱动的输球机构的容器(F)；
一个多节可伸缩的竖管组件(E)，其下端连接容器(F)的出口，上端连接发球机上部的方位角定位机构(D)，该竖管组件既为发球机上面部分提供支撑，也为乒乓球提供了一条由容器(F)至所述发球机上面部分的通道；
由相对安装在一段球可通过的管道两侧的电机直接驱动、转速可调控的抛球轮(DW1，DW2)构成的抛球头(A)；
一个电机驱动的由方位角定位机构(D)、高低角定位机构(C)和侧旋角定位机构(B)呈三角形机械连接组成的三维角度定位机构，所述三维角度定位机构用于抛球头环绕三条非平行的、基本正交的轴线的角度定位，并为乒乓球提供一条由所述多节可伸缩的竖管组件上端至抛球头入口的通道；
一个装在该竖管组件上的三角架将发球机支撑在地板上；
一套由CPU、适配的电源、传感器、逻辑电路、用户界面及编程组成的数字控制器；
发球机的抛球头是连接在前述三维角度定位机构的机械输出端。
2.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：两个所述抛球轮均可在电机驱动下正反旋转，且用于每个抛球轮的转速控制机构均配有数字编码器；所述数字编码器为光电的或其它物理机制的，增量型或绝对型的，独立的或电机自带的或嵌入型；所述数字编码器为发球机的数字控制器提供数字化的速度返馈信号，据此实现这些转速控制机构的数字控制。
3.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：所述方位角定位机构(D)主要由两个相对转动的构件即外构件和内构件组成，内构件基本为管状，其内径尺寸足以允许乒乓球通过；内外构件装配在一起后，它们之间可相对转动，但不允许纵向的相对运动，电机和由齿轮组或皮带轮组构成的减速机构用以产生这种相对转动。
4.如权利要求3所述的发球机，其特征在于：所述减速机构中有一减速级为蜗轮蜗杆减速，所述方位角定位机构还配有数字编码器，所述数字编码器为光电的或其它物理机制的，增量型或绝对型的，独立的或电机自带的或嵌入型；所述数字编码器为发球机的数字控制器提供数字化的位置返馈信号，据此实现所述方位角定位机构的数字控制。
5.如权利要求1所述发球机，其特征在于：所述侧旋角定位机构(B)主要由两个相对转动的构件即外构件和内构件组成，内构件基本为管状，其内径尺寸足以允许乒乓球通过；内外构件装配在一起后，它们之间可相对转动，但不允许纵向的相对运动，电机和由齿轮组或皮带轮组构成的减速机构用以产生这种相对转动。
6.如权利要求5所述的发球机，其特征在于：所述减速机构中有一减速级为蜗轮蜗杆减速，所述侧旋角定位机构还配有数字编码器，所述数字编码器为光电的或其它物理机制的，增量型或绝对型的，独立的或电机自带的或嵌入型；所述数字编码器为发球机的数字控制器提供数字化的位置返馈信号，据此实现所述侧旋角定位机构的数字控制。
7.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：所述高低角定位机构是一套丝杠组件，其组成为：一根丝杠(LD)，一个该丝杠可在其内伸缩的管状构件，一个由齿轮或皮带轮构成的丝杠驱动轮(DW5)，该驱动轮的中心通孔带有与丝杠(LD)相啮合的内镙纹，一个输出轴上装有皮带轮或齿轮的电机，以及两个装于所述管状构件顶端的彼此有间距的安装板，丝杠驱动轮(DW5)夹于两安装板间并可转动，驱动轮(DW5)的中心通孔与两安装板上的通孔对齐，丝杠(LD)装于其中。
8.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：所述高低角定位机构配有数字编码器，所述数字编码器为光电的或其它物理机制的，增量型或绝对型的，独立的或电机自带的或嵌入型；所述数字编码器为发球机的数字控制器提供数字化的位置返馈信号，据此实现所述高低角定位机构中丝杠(LD)的纵向运动的数字控制。
9.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：所述容器(F)内有一向下倾斜或盆型的下表面使球总是滚向底部开口处，所述输球机构置于此开口下方，所述输球机构组成为：一个固定的外柱桶件(R)、一个旋转的内柱桶件(Q)、一个联结内柱桶件(Q)底部的驱动轮(DW6)、引出管嘴(NZ)、驱动内柱桶件(Q)-驱动轮(DW6)组件的电机，在靠近管嘴(NZ)的入口处，所述外柱桶件(R)的内表面与所述内柱桶件(Q)的外表面之间的距离略小于乒乓球的直径，当电机驱动驱动轮(DW6)逆时针转动时，落入内、外表面间腔体的乒乓球将被带动并被推入管嘴(NZ)。
10.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：所述多节可伸缩的竖管组件由长度相近但粗细不同的多段管件构成，较细管件插入相邻较粗管件内且插入的深度视需要设置，如此实现该竖管组件整体高度的广域可调性。
11.如权利要求1所述的发球机，其特征在于：配备有预先定义的、用户可生成可编辑的数字化球库，这些球库的元素用以定义各种产生的发球和发球序列，由发球机的数字控制器跟据用户的指令调用以复现上述发球及发球序列。
12.一种数控、用户可编程、在球场上的摆放位置可变换的乒乓球发球机系统，由权利要求1所述的发球机和回球集球网构成，所述回球集球网包括：
由一个或多个用适当形状、尺寸的坚硬材料做成的网架；和
一块用适当网体材料做成的任意尺寸或形状的主网体；
其特征在于：
通过改变网架的几何形状和摆放位置，以及/或者主网体在网架上的悬挂方式，集球网能够具有许多不同尺寸和形状的展开状态且始终保持其捕获和循环练球者回球的有效性；
集球网的前网架由两个夹装于发球机系统一侧球台端的刚性立柱实现，集球网的后网架由装在所述发球机竖管组件上的U形刚性架实现。
13.如权利要求12所述的乒乓球发球机系统，其特征在于：所述集球网配备有适当长度的、宽为30到60厘米的辅网，大致水平地沿主网体内侧的上表面悬挂于适当高度。
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