CN108553847A - 一种多功能车架的捡球、投球一体机器人 - Google Patents

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姚国才
刘朝宗
李万鑫
荆鹏
汪文松
袁梦晨
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    • A63B69/40—Stationarily-arranged devices for projecting balls or other bodies
    • A63B69/407—Stationarily-arranged devices for projecting balls or other bodies with spring-loaded propelling means

Abstract

本发明公开了属于机械手技术领域的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，本发明中的捡球模块、发射模块、储球模块以及驱动模块通过螺栓固定至多功能车架上；捡球模块、发射模块以及两个驱动模块的电源和信号线通过控制电路模块上的接口端子与控制电路模块相连。本发明中，捡球模块、储球模块和发射模块，设计紧凑，结构简单，能够方便拆装，便于各种模块扩展、组合，并且可以连续高效的快速捡球、储球和发球；发射模块U形击球架拥有直角导槽结构，可以使小球很好的调整发射位置，为橡胶弹簧片恢复形变弹射小球预留合适的位置空间。

Description

一种多功能车架的捡球、投球一体机器人
专利领域
本发明属于机械手技术领域，具体涉及一种多功能车架的捡球、投球一体机器人。
背景技术
STEM即Science(科学)，Technology(技术)，Engineering(工程)，Mathematics(数学)，在目前的STEM教育领域中，现有的投球机器人往往身形笨重、结构复杂，且不能满足连续快速捡球，连续发射的设计要求，捡球、投球有一定操控困难，不利于针对中小学生的STEM教学；同时市场上的投球机器人功能单一，缺少扩展性，探索性和趣味性不足。
因此急需提供一种可连续快速捡球、投球的机器人，其结构简单，便于STEM教学；操控性好，易于批量捡球、连续投球，不用对操作者有太高操作技能要求；具有扩展性，能通过结构、模块、传感器的不同搭配实现多种功能，增加投球机器人探索、改造乐趣以及多种教学、比赛用途功能。
发明内容
根据背景技术中提到的问题，本发明公开了一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，包括：控制电路模块、捡球模块、发射模块、多功能车架、两个驱动模块和储球模块，其中捡球模块、发射模块、储球模块以及驱动模块通过螺栓固定至多功能车架上；捡球模块、发射模块以及两个驱动模块的电源和信号线通过控制电路模块上的接口端子与控制电路模块相连。
所述控制电路模块包括：多功能扩展主板、Arduino UNO主控板、蓝牙通信模块和锂电池，其中多功能扩展主板通过尼龙隔离柱安装于多功能车架上，Arduino UNO主控板、蓝牙通信模块通过扩展主板上的连接插件连接到扩展主板；多功能扩展主板分别与驱动模块中的直流减速电机、捡球模块中的捡球减速电机和发射模块中的发射减速电机相连；安装在多功能车架内的锂电池与Arduino UNO主控板相连。
所述捡球模块包括：转轮安装架、转轮、卷球板、导球架、捡球减速电机、电机固定架和尼龙齿轮，三个卷球板安装于两个转轮之间，且三个卷球板间的夹角相等，两个转轮安装于两个转轮安装架之间；捡球减速电机安装在两个电机固定架之间，尼龙齿轮安装在捡球减速电机的电机轴上且与转轮上的齿轮啮合，导球架用魔术贴安装在捡球减速电机上，捡球减速电机驱动信号线连接至控制电路模块上。
所述导球架由下方的引球板和上方的导向框一体组成，且引球板和导向框围成一个斜向的矩形空间用于储存和引导小球。
所述发射模块包括：U形击球架、发射减速电机、橡胶弹簧片、阻挡螺丝和击球挡板，发射减速电机安装在U形击球架的一侧外，橡胶弹簧片安装在发射减速电机的电机轴上，且橡胶弹簧片与阻挡螺丝都位于U形击球架内，且阻挡螺丝位于放松时橡胶弹簧片的上方；U形击球架由低至高设有三个台阶，其中最低的台阶用于放置小球；呈“L”形的击球挡板通过螺栓安装在U形击球架的一侧边，且击球挡板挡在U形击球架的上方，击球挡板可转动以调节发射角度，发射减速电机驱动信号线与控制电路模块相连；
安装后，U形击球架中最低台阶的水平位置不低于储球模块；从而确保U形击球架上的小球在发射时不会受到在储球模块中其余小球的影响。
所述U形击球架最低台阶的外缘倒有圆角，最低台阶的长度不大于小球的直径。
所述驱动模块包括：驱动电机支架、直流减速电机、车轮连接器、轮毂和橡胶外胎，其中驱动电机支架和万向轮安装于多功能车架上，直流减速电机安装在驱动电机支架的下方，直流减速电机的电机轴通过车轮连接器与轮毂相连，橡胶外胎套在轮毂外增加了轮子与地面摩擦力；直流减速电机与控制电路模块相连。
所述储球模块为一上端开放的矩形储球箱，储球模块通过尼龙隔离柱安装于控制电路模块的上方；安装后储球模块与水平面产生一个向右前方微倾的角度；在储球模块的最低水平位置开有一与发射模块匹配的矩形缺口。
本发明的有益效果为：
多功能车架，使投球机器人具有丰富扩展性，功能更加多样化，更具有趣味性和探索性，可以更方便扩展到各种教学和比赛用途；
捡球模块、储球模块和发射模块，设计紧凑，结构简单，能够方便拆装，便于各种模块扩展、组合，并且可以连续高效的快速捡球、储球和发球；
发射模块U形击球架，其直角导槽结构可以使小球很好的调整发射位置，为橡胶弹簧片恢复形变弹射小球预留合适的位置空间，圆周转动的橡胶弹簧片与阻挡螺丝配合完成击球动作，击球挡板可调节发射高度。
与传统复杂的机械弹射结构相比，只本发明使用了一个直流减速电机即可快速，准确，连续的发射小球。
附图说明
图1是本发明一种多功能车架投球机器人实施例的总装图；
图2a是本发明实施例的正视图；
图2b是2a在B-B剖面的剖面图；
图3是本发明实施例中控制电路模块示意图；
图4是本发明实施例中控制电路模块的工作流程图；
图5是本发明实施例中捡球模块的局部示意图；
图6是本发明实施例中导球架的等测图；
图7是本发明实施例中发射模块的等测图；
图8是本发明实施例中发射模块和储球模块的示意图；
图9是本发明实施例中多功能车架的等测图；
图10是本发明实施例中多功能车架的等测图；
图11a是本发明实施例中驱动模块的示意图；
图11b是本发明实施例中万向轮的等测图；
图12是本发明实施例中储球模块的等测图；
图中：100-控制电路模块，200-捡球模块，300-发射模块，400-多功能车架，500-驱动模块，600-储球模块，101-多功能扩展主板，102-Arduino UNO主控板，103-通信模块，104-锂电池，201-捡球模块转轮安装架，202-转轮，203-卷球板，204-导球架，205-捡球减速电机，206-电机固定架，207-尼龙齿轮，208-小球，301-U形击球架，302-发射减速电机，303-橡胶弹簧片，304-阻挡螺丝，305-击球挡板，401-电机固定架安装孔，402-转轮安装架安装孔，403-U形击球架安装孔，404-驱动电机支架安装孔，405-控制电路模块安装孔，406-万向轮装配孔，407-功能扩展装配孔，501-电机支架，502-直流减速电机，503-车轮连接器，504-轮毂，505-橡胶外胎，506-万向轮，2041-引球板，2042-导向框。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：
如图3和图4所示的控制电路模块100包括：多功能扩展主板101、主控板102、蓝牙通信模块103和锂电池104，其中多功能扩展主板101通过尼龙隔离柱安装于多功能车架400的控制电路模块安装孔405上，Arduino UNO主控板102、蓝牙通信模块103通过多功能扩展主板101上的连接插件连接到多功能扩展主板101，蓝牙通信模块103接收到手机APP或蓝牙遥控手柄发出的控制信号，多功能扩展主板101分别与驱动模块500中的直流减速电机502、捡球模块200中的捡球减速电机205和发射模块300中的发射减速电机302相连；扩展主板101将扩展主板上通信模块信号传送至Arduino UNO主控板102，同时Arduino UNO主控板102将控制信号通过扩展主板101发送至各个扩展模块或将驱动信号发送至扩展主板101上的驱动电路，由驱动电路驱动驱动模块500；安装在多功能车架400内的锂电池104与开源硬件Arduino UNO主控板102相连；
如图1、图2a、图2b和4所示的捡球模块200包括：转轮安装架201、转轮202、卷球板203、导球架204、捡球减速电机205、电机固定架206和尼龙齿轮207，三个卷球板203呈相等的角度安装在两个转轮202之间以组成卷球装配体，此卷球装配体再用螺丝、轴套、轴承和螺母安装于两个转轮安装架201之间。捡球减速电机205安装在两个电机固定架206之间，尼龙齿轮207安装在捡球减速电机205的电机轴上且与转轮202上的齿轮啮合，导球架204用魔术贴安装在捡球减速电机205上，捡球减速电机205驱动信号线通过扩展主板101上的连接端子连接到扩展主板101上的驱动电路；
进行捡球作业时，捡球减速电机205转动带动尼龙齿轮207转动，尼龙齿轮207带动转轮202转动，将小球208拨入导球架204，再进入储球模块600；
如图2a、图2b、图5和图6所示的导球架204由下方的引球板2041和上方的导向框2042一体组成，且引球板2041和导向框2042围成一个斜向的矩形空间用于储存和引导由卷球板203输送至引球板2041上的小球208；
如图1、图2a、图2b、图7和图8所示的发射模块300包括：U形击球架301、发射减速电机302、橡胶弹簧片303、阻挡螺丝304、击球挡板305，发射减速电机302安装在U形击球架301的一侧外，橡胶弹簧片303安装在发射减速电机302的电机轴上，且橡胶弹簧片303与阻挡螺丝304都位于U形击球架301内，且阻挡螺丝304位于放松时橡胶弹簧片303的上方；U形击球架301由低至高设有三个台阶，其中最低的台阶用于放置小球208，最低台阶的外缘倒有圆角，最低台阶的长度不大于小球的直径；呈“L”形的击球挡板305通过螺栓安装在U形击球架301的一侧边，且击球挡板305挡在U形击球架301的上方，击球挡板305可转动以调节发射角度，发射减速电机302驱动信号线通过扩展主板101上的连接端子连接到扩展主板101上的驱动电路；
安装后，U形击球架301中最低台阶的水平位置不低于储球模块600，在本实施例中略高于储球模块600约1mm；从而确保U形击球架301上的小球208在发射时不会受到在储球模块600中其余小球208的影响；
如图11a和图11b所示的驱动模块500包括：驱动电机支架501、直流减速电机502、车轮连接器503、轮毂504和橡胶外胎505，其中驱动电机支架501和万向轮506安装在多功能车架400上，直流减速电机502安装在驱动电机支架501的下方，直流减速电机502的电机轴通过车轮连接器503与两侧的轮毂504相连，橡胶外胎505套在轮毂504外增加了轮子与地面摩擦力，使投球机器人具有更强行驶稳定性；直流减速电机502的电路系统通过信号线与多功能扩展主板101相连。
如图12所示的储球模块600，在本实施例中储球模块600为一上端开放的矩形储球箱，储球模块600通过尼龙隔离柱安装在多功能车架400上，且位于控制电路模块100的上方；安装后储球模块600与水平面产生一个向右前方微倾的角度，该角度可以利用重力原理将小球按顺序排好且不影响发射轨迹；在储球模块600的最低水平位置开有一与凹槽U形击球架301匹配的矩形缺口。
如图9、图10所示的多功能车架400由钣金件一体成型，且多功能车架400从外观上成下端面后方大部为开放的长方体，因此多功能车架400设有前后左右上下六个面，其中多功能车架400的下端面与前侧面相连；多功能车架400的各个端面上开有螺纹安装孔，螺纹安装孔包括：电机固定架安装孔401、转轮安装架安装孔402、捡球模块装配孔403、驱动电机支架安装孔404、控制电路模块装配孔405、万向轮装配孔406和扩展功能装配孔407，其中设置在多功能车架400上端面右前方的捡球模块装配孔403用于安装捡球模块200，设置在多功能车架400前侧两端的电机固定架安装孔401分别用于安装一个电机固定架206；设置在多功能车架400左右两侧面前方的转轮安装架安装孔402用于安装捡球模块转轮安装架201；设置在多功能车架400上端面右前方的U形击球架安装孔403用于安装发射模块300；设置在多功能车架400上端面左右两侧的驱动电机支架安装孔404分别用于安装一套驱动电机支架501，并通过驱动电机支架501将直流减速电机502安装于多功能车架400的内部；设置在多功能车架400上端面的控制电路模块安装孔405用于安装控制电路模块100；设置在多功能车架400下端面的万向轮装配孔406用于将万向轮506安装于多功能车架400的下方；多功能车架400的上预留有扩展功能装配孔407以安装其他扩展功能钣金件或传感器模块；
如图1所示，本实施例中，多功能车架的捡球、投球一体机器人包括：控制电路模块100、捡球模块200、发射模块300、多功能车架400、两个驱动模块500和储球模块600，其中捡球模块200、发射模块300、储球模块600以及驱动模块500通过螺栓固定至多功能车架400上；捡球模块200、发射模块300以及两个驱动模块500的电源和信号线通过控制电路模块100上的接口端子连接至控制电路模块100。
在本实施例中，蓝牙通讯模块103将手机APP端和遥控手柄发出的指令通过扩展主板101传递至Arduino UNO主控板102，当接收到运动指令时，Arduino UNO主控板102发出驱动信号到扩展主板101，扩展主板101上的驱动电路向驱动模块500中的直流减速电机502提供相应驱动电压，当接收到捡球指令时，Arduino UNO主控板102发出驱动信号到扩展主板101，扩展主板101上的驱动电路向捡球模块200上的捡球减速电机205提供正转驱动电压。当接收到发射指令时，Arduino UNO主控板102发出驱动信号到扩展主板101，扩展主板101上的驱动电路向发射模块300上的捡球减速电机302提供正转驱动电压，将球击出。
本实施例捡球及投球的完整流程如下：在程序的控制下，捡球时，投球机器人前进，转轮202上的卷球板203在捡球减速电机205带动下与导球架204配合将小球208卷入储球箱600，实现捡球。储球模块600通过尼龙隔离柱安装在扩展主板101上并产生一个最低方向为U形击球架301方向的倾斜角度，利用重力原理将小球按顺序排好且不影响发射轨迹。投球时，发射减速电机302带动橡胶弹簧片303转动，橡胶弹簧片303遇到U形击球架301上的阻挡螺丝304后发生形变慢慢弯曲，此时发射减速电机302继续转动，当橡胶弹簧片303末端与阻挡螺丝304分离的一瞬间，橡胶弹簧片303恢复形变其弹性势能转化为动能将小球208快速击出，小球208弹到击球挡板305上经过反弹射出，可转动击球挡板305调节反射角度，从而调节发射高度。与传统复杂的机械结构相比，本设计捡球发球结构只使用了两个直流减速电机即可满足快速，准确，连续的发射小球要求。
本实施例中使用的小球208为直径2.7cm的小号乒乓球，也可使用3cm左右的海绵球；测试时，用2.7cm的小乒乓球所弹出的最高腾空高度为半米左右，最远落地距离为两米左右。
在本实施例中，多功能车架400不仅可作为投球机器人的载体，还可以通过扩展功能装配孔407扩展成多足机器人、巡线机器人、搬运机器人、此外使用者也可以用扩展件或者自制的扩展件做出想要的机器人。

Claims (8)

1.一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，包括：控制电路模块(100)、捡球模块(200)、发射模块(300)、多功能车架(400)、两个驱动模块(500)和储球模块(600)，其中捡球模块(200)、发射模块(300)、储球模块(600)以及驱动模块(500)通过螺栓固定至多功能车架(400)上；捡球模块(200)、发射模块(300)以及两个驱动模块(500)的电源和信号线通过控制电路模块(100)上的接口端子与控制电路模块(100)相连。
2.根据权利要求1所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述控制电路模块(100)包括：多功能扩展主板(101)、Arduino UNO主控板(102)、蓝牙通信模块(103)和锂电池(104)，其中多功能扩展主板(101)通过尼龙隔离柱安装于多功能车架(400)上，Arduino UNO主控板(102)、蓝牙通信模块(103)通过扩展主板(101)上的连接插件连接到扩展主板(101)；多功能扩展主板(101)分别与驱动模块(500)中的直流减速电机(502)、捡球模块(200)中的捡球减速电机(205)和发射模块(300)中的发射减速电机(302)相连；安装在多功能车架(400)内的锂电池(104)与Arduino UNO主控板(102)相连。
3.根据权利要求1所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述捡球模块(200)包括：转轮安装架(201)、转轮(202)、卷球板(203)、导球架(204)、捡球减速电机(205)、电机固定架(206)和尼龙齿轮(207)，三个卷球板(203)安装于两个转轮(202)之间，且三个卷球板(203)间的夹角相等，两个转轮(202)安装于两个转轮安装架(201)之间；捡球减速电机(205)安装在两个电机固定架(206)之间，尼龙齿轮(207)安装在捡球减速电机(205)的电机轴上且与转轮(202)上的齿轮啮合，导球架(204)用魔术贴安装在捡球减速电机(205)上，捡球减速电机(205)驱动信号线连接至控制电路模块(100)上。
4.根据权利要求3所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述导球架(204)由下方的引球板(2041)和上方的导向框(2042)一体组成，且引球板(2041)和导向框(2042)围成一个斜向的矩形空间用于储存和引导小球(208)。
5.根据权利要求1所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述发射模块(300)包括：U形击球架(301)、发射减速电机(302)、橡胶弹簧片(303)、阻挡螺丝(304)和击球挡板(305)，发射减速电机(302)安装在U形击球架(301)的一侧外，橡胶弹簧片(303)安装在发射减速电机(302)的电机轴上，且橡胶弹簧片(303)与阻挡螺丝(304)都位于U形击球架(301)内，且阻挡螺丝(304)位于放松时橡胶弹簧片(303)的上方；U形击球架(301)由低至高设有三个台阶，其中最低的台阶用于放置小球(208)；呈“L”形的击球挡板(305)通过螺栓安装在U形击球架(301)的一侧边，且击球挡板(305)挡在U形击球架(301)的上方，击球挡板(305)可转动以调节发射角度，发射减速电机(302)驱动信号线与控制电路模块(100)相连；
安装后，U形击球架(301)中最低台阶的水平位置不低于储球模块(600)；从而确保U形击球架(301)上的小球(208)在发射时不会受到在储球模块(600)中其余小球(208)的影响。
6.根据权利要求5所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述U形击球架(301)最低台阶的外缘倒有圆角，最低台阶的长度不大于小球(208)的直径。
7.根据权利要求1所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述驱动模块(500)包括：驱动电机支架(501)、直流减速电机(502)、车轮连接器(503)、轮毂(504)和橡胶外胎(505)，其中驱动电机支架(501)和万向轮(506)安装于多功能车架(400)上，直流减速电机(502)安装在驱动电机支架(501)的下方，直流减速电机(502)的电机轴通过车轮连接器(503)与轮毂(504)相连，橡胶外胎(505)套在轮毂(504)外增加了轮子与地面摩擦力；直流减速电机(502)与控制电路模块(100)相连。
8.根据权利要求1所述的一种多功能车架的捡球、投球一体机器人，其特征在于，所述储球模块(600)为一上端开放的矩形储球箱，储球模块(600)通过尼龙隔离柱安装于控制电路模块(100)的上方；安装后储球模块(600)与水平面产生一个向右前方微倾的角度；在储球模块(600)的最低水平位置开有一与发射模块(300)匹配的矩形缺口。
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