CN108635781B - 沙滩排球赛场服务机器人 - Google Patents

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Abstract

沙滩排球赛场服务机器人可辅助志愿者完成沙滩排球赛场服务。本发明利用各机构之间的合理连接，使得机器人可完成捡球、擦球、回传球一系列工作。同时具备平整沙地功能，利用同步器以及提升油缸的配合，使得平沙机构在特定时间进行工作，其他时间均不运行。本发明采用模块化电路设计，多种传感器集成感知，arduno自主开发，控制灵敏高效，自动化程度高，能够自动识别排球落地方位，自动识别球体表面的清洁程度以控制清洁时间，根据运动员的位置自动调整回传角度；采用特殊的轮胎及底盘结构，使得机器人能够在沙地上自由灵活移动，从而保证各项工作能够高效完成。

Description

沙滩排球赛场服务机器人
技术领域
本发明是一种在沙滩排球比赛过程中帮助志愿者完成赛场服务的机器人设计，属于机器人结构设计领域。
背景技术
沙滩排球比赛过程中，志愿者需完成多项工作，包括站在球场边线上为比赛中的运动员捡球、清理掉排球表面的沙子、将球回传给运动员、技术暂停期间用平沙耙将赛场内的沙子整理平整等，为保证比赛顺利进行，赛场上需要大量志愿者来分别承担不同的工作。不同于其他体育比赛项目，沙滩排球的比赛场地为露天的沙地，志愿者们需要在阳光暴晒下进行赛场服务，由于沙地上行走不便，平沙耙质量较大，志愿者完成每天的工作后会耗费大量体力。基于这一问题，设计一种沙滩排球赛场服务机器人来替代志愿者进行赛场服务，使劳动力得到解放。
发明内容
沙滩排球赛场服务机器人是一款面向沙滩排球专业比赛的机器人，能够在比赛过程中帮助志愿者完成赛场服务，大大减少劳动力，为参赛选手提供更高效的赛场服务。根据功能，机器人主要分为五个部分捡球部分、清理部分、回传球部分、平整沙地部分以及底盘部分。
捡球部分：位于机器人前方，包括气缸、提升杆、捡球框、连接杆以及支撑架。其中，支撑架固定在机架上，气缸与提升杆和支撑架相连，提升杆与气缸、支撑架和连接杆相连，连接杆与捡球框和提升杆相连，捡球框与连接杆相连同时可沿支撑架上固定轨迹滑动。气缸提供动力，通过提升杆传导至连接杆，连接杆传导至捡球框，使捡球框可沿支撑架上的固定轨迹上下移动。工作时，捡球框下降，利用下降过程中施加给排球的力将排球挤压进捡球框内，之后带动排球上升至支撑架拐点处，此时捡球框上的滑块与支撑架之间不再有相对运动，气缸继续提供动力，使捡球框绕其上的固定滑块翻转，将球送入清理框中。
清理部分：位于捡球部分后方，包括舵机、传动带、拨球杆、滑道、清洁框、清洁毛刷、清洁电机。其中，清洁框、清洁电机、舵机以及滑道固定在机架上，清洁电机与清洁毛刷连接，清洁毛刷位于清洁框中，舵机与传动带连接，传动带与拨球杆连接，拨球杆与清洁框连接且位于清洁毛刷上方。工作时，排球经过捡球框的翻转进入清洁框中，清洁电机提供动力带动清洁毛刷旋转，通过排球与清洁毛刷的相对运动，将排球表面的沙子清理干净。清理结束后，舵机提供动力，通过传动带传导至拨球杆，带动拨球杆旋转，将球从清理框中推至滑道上。球沿着倾斜的滑道滑到提升铲斗上。
回传球部分：包括送球滑道、摩擦轮、回传电机、弹性元件、旋转轴、回传底盘、传送带、提升铲斗、送球杆。其中传送带位于滑道后方，提升铲斗固定在传送带上，可上下移动，提升铲斗运动轨迹的最低点与滑道平行，且其运动轨迹的最高点高于回传底盘，保证排球能够被顺利送到回传底盘中。摩擦轮与回传电机连接，回传电机固定在回传底盘孔中，旋转轴连接在回传底盘的中心，回传底盘以旋转轴为中心旋转，四个弹性元件均匀分布在回传底盘圆周上，四个弹性元件处于不同伸缩量时可调整回传底盘的角度，送球滑道固定在机架上，送球杆与送球滑道连接并可沿送球滑道移动。工作时，传送带提供动力，将提升铲斗上的排球提升至回传底盘处，送球杆将提升铲斗上的排球推到回传底盘的凹槽中。通过调整旋转轴转动角度、弹性元件伸缩量改变摩擦轮的方向，方向调整后，回传电机提供动力，利用摩擦轮与排球间的摩擦力将球回传给运动员。
平整沙地部分：位于机器人后方，包括第一锥齿轮、第二锥齿、同步器、油缸、平沙耙提升杆、平沙耙固定架、平沙耙、平沙杆、飞轮、飞轮轴。其中，第二锥齿和同步器均与后轴连接，第二锥齿与后轴无周向固定，同步器与后轴无轴向固定，第一锥齿与飞轮轴连接并与第二锥齿啮合，飞轮与飞轮轴和平沙杆连接，平沙杆和平沙耙连接，平沙耙可沿平沙耙固定架固定轨迹移动，油缸一端固定在机架上，另一端与平沙耙提升杆连接，平沙耙提升杆固定在平沙耙固定架上，并与机架和油缸相连接。工作时，油缸提供动力，传递给平沙耙提升杆，平沙耙提升杆带动整个平沙系统下降，与沙滩接触。同步器移动与第二锥齿配合，后轴提供动力，通过第一锥齿与第二锥齿的啮合传递给飞轮轴，飞轮轴传递给飞轮，飞轮与两平沙杆、平沙耙以及平沙耙固定架组成曲柄双滑块机构，飞轮通过平沙杆带动平沙耙朝着不同的方向横向往复运动。平沙结束后，同步器与第二锥齿分离，第二锥齿停止旋转。平沙耙停止运动后油缸提供动力将整个平沙装置提升，防止平沙耙与沙地持续接触而受到磨损。
底盘部分：位于整个机器人的下方，包括后轴、后轮、蓄电池、转向电机、转向齿轮、前轴、转向连接杆、前轮轴、转向杆、前轮、机架、链轮、前进电机。其中转向电机固定在机架上并与转向齿轮连接，转向齿轮与前轴啮合，前轴与转向连接杆连接并相对机架做直线运动，转向连接杆与转向杆连接，转向杆与前轮轴以及机架连接、前轮轴与前轮连接；前进电机固定在机架上并与链轮连接，链轮与后轴连接，后轴与两后轮连接。工作时，前进电机提供动力，通过链轮传递给后轴，后轴传递给后轮，带动两后轮的旋转，为机器人的移动提供动力；转向电机提供动力，通过转向齿轮传递给前轴，前轴传递给转向连接杆，转向连接杆传递给转向杆，转向杆传递给前轮轴，前轮轴传递给前轮，从而控制前轮转动角度来控制机器人的移动方向。为保证机器人能够在沙地上灵活移动，机器人的前轮及后轮采用特殊的轮胎结构，轮胎相较于普通轮胎较为宽大，能增加与地面的接触面积，从而产生更大的摩擦力；同时该种轮胎的胎纹独特，使轮胎不易空转打滑。
采用以上设计方案，其特点是：
1.此机器人可实现捡球、擦球、回传球、平整沙地多种功能。
2.采用特殊的轮胎结构，能够实现在沙地上的灵活移动。
3.模块化电路设计，多种传感器集成感知，控制灵敏高效，自动化程度高，高效完成各项工作。
4.自动化程度高，能够自动判别排球落地方位；自动识别球体表面的清洁程度，控制清洁时间；自动识别运动员方位，调整回传角度及速度。
附图说明
图1为机器人整体外形示意图；
图2为机器人内部结构示意图；
图3为捡球机构示意图；
图4为清理机构示意图；
图5为回传机构示意图；
图6为平沙机构示意图；
图7为底盘示意图；
图8为机器人转向示意图；
图中：1为气缸、2为提升杆、3为捡球框、4为连接杆、5为支撑架、6为舵机、7为传动带、8为拨球杆、9为滑道、10为清洁框、11为清洁毛刷、12为清洁电机、13为送球滑道、14为摩擦轮、15为回传电机、16为弹性元件、17为旋转轴、18为回传底盘、19为传送带、20为提升铲斗、21为送球杆、22为第一锥齿、23为第二锥齿、24为同步器、25为油缸、26为平沙耙提升杆、27为平沙耙固定架、28为平沙耙、29为平沙杆、30为飞轮、31为飞轮轴、32为转向电机、33为转向齿轮、34为前轴、35为转向连接杆、36为前轮轴、37为转向杆、38为前轮、39为机架、40为链轮、41为前进电机、42为后轴、43为后轮、44为蓄电池
具体实施方式
机器人的整体外形示意图如图1所示，内部结构如图2所示，根据功能，机器人主要分为五部分：捡球部分、清理部分、回传球部分、平整沙地部分以及底盘部分。
捡球部分：位于机器人前方，包括气缸(1)、提升杆(2)、捡球框(3)、连接杆(4)以及支撑架(5)。其中，支撑架(5)固定在机架(39)上，气缸(1)与提升杆(2)和支撑架(5)相连，提升杆(2)与气缸(1)、支撑架(5)和连接杆(4)相连，连接杆(4)与捡球框(3)和提升杆(2)相连，捡球框(3)与连接杆(4)相连同时可沿支撑架(5)上固定轨迹滑动。气缸(1)提供动力，通过提升杆(2)传导至连接杆(4)，连接杆(4)传导至捡球框(3)，使捡球框(3)可沿支撑架(5)上的固定轨迹上下移动。工作时，捡球框(3)下降，利用下降过程中施加给排球的力将排球挤压进捡球框(3)内，之后带动排球上升至支撑架(5)拐点处，此时捡球框(3)上的滑块与支撑架(5)之间不再有相对运动，气缸(1)继续提供动力，使捡球框(3)绕其上的固定滑块翻转，将球送入清理框(10)中。
清理部分：位于捡球部分后方，包括舵机(6)、传动带(7)、拨球杆(8)、滑道(9)、清洁框(10)、清洁毛刷(11)、清洁电机(12)。其中，清洁框(10)、清洁电机(12)、舵机(6)以及滑道(9)固定在机架(39)上，清洁电机(12)与清洁毛刷(11)连接，清洁毛刷(11)位于清洁框(10)中，舵机(6)与传动带(7)连接，传动带(7)与拨球杆(8)连接，拨球杆(8)与清洁框(10)连接且位于清洁毛刷(11)上方。工作时，排球经过捡球框(3)的翻转进入清洁框(10)中，清洁电机(12)提供动力带动清洁毛刷(11)旋转，通过排球与清洁毛刷(11)的相对运动，将排球表面的沙子清理干净。清理结束后，舵机(6)提供动力，通过传动带(7)传导至拨球杆(8)，带动拨球杆(8)旋转，将球从清理框(10)中推至滑道(9)上。球沿着倾斜的滑道(9)滑到提升铲斗(20)上。
回传球部分：包括送球滑道(13)、摩擦轮(14)、回传电机(15)、弹性元件(16)、旋转轴(17)、回传底盘(18)、传送带(19)、提升铲斗(20)、送球杆(21)。其中传送带(19)位于滑道(9)后方，提升铲斗(20)固定在传送带(19)上，可上下移动，提升铲斗(20)运动轨迹的最低点与滑道(9)平行，且其运动轨迹的最高点高于回传底盘(18)，保证排球能够被顺利送到回传底盘(18)中。摩擦轮(14)与回传电机(15)连接，回传电机(15)固定在回传底盘(18)孔中，旋转轴(17)连接在回传底盘(18)的中心，回传底盘(18)以旋转轴(17)为中心旋转，四个弹性元件(16)均匀分布在回传底盘(18)圆周上，四个弹性元件(16)处于不同伸缩量时可调整回传底盘(18)的角度，送球滑道(13)固定在机架(39)上，送球杆(21)与送球滑道(13)连接并可沿送球滑道(13)移动。工作时，传送带(19)提供动力，将提升铲斗(20)上的排球提升至回传底盘(18)处，送球杆(21)将提升铲斗(20)上的排球推到回传底盘(18)的凹槽中。通过调整旋转轴(17)转动角度、弹性元件(16)伸缩量改变摩擦轮(14)的方向，方向调整后，回传电机(15)提供动力，利用摩擦轮(14)与排球间的摩擦力将球回传给运动员。
平整沙地部分：位于机器人后方，包括第一锥齿轮(22)、第二锥齿(23)、同步器(24)、油缸(25)、平沙耙提升杆(26)、平沙耙固定架(27)、平沙耙(28)、平沙杆(29)、飞轮(30)、飞轮轴(31)。其中，第二锥齿(23)和同步器(24)均与后轴(42)连接，第二锥齿(23)与后轴(42)无周向固定，同步器(24)与后轴(42)无轴向固定，第一锥齿(22)与飞轮轴(31)连接并与第二锥齿(23)啮合，飞轮(30)与飞轮轴(31)和平沙杆(29)连接，平沙杆(29)和平沙耙(28)连接，平沙耙(28)可沿平沙耙固定架(27)固定轨迹移动，油缸(25)一端固定在机架(39)上，另一端与平沙耙提升杆(26)连接，平沙耙提升杆(26)固定在平沙耙固定架(27)上，并与机架(39)和油缸(25)相连接。工作时，油缸(25)提供动力，传递给平沙耙提升杆(26)，平沙耙提升杆(26)带动整个平沙系统下降，与沙滩接触。同步器(24)移动与第二锥齿(23)配合，后轴(42)提供动力，通过第一锥齿(22)与第二锥齿(23)的啮合传递给飞轮轴(31)，飞轮轴(31)传递给飞轮(30)，飞轮(30)与两平沙杆(29)、平沙耙(28)以及平沙耙固定架(27)组成曲柄双滑块机构，飞轮(30)通过平沙杆(29)带动平沙耙(28)朝着不同的方向横向往复运动。平沙结束后，同步器(24)与第二锥齿(23)分离，第二锥齿(23)停止旋转。平沙耙(28)停止运动后油缸(25)提供动力将整个平沙装置提升，防止平沙耙(28)与沙地持续接触而受到磨损。
底盘部分：位于整个机器人的下方，包括转向电机(32)、转向齿轮(33)、前轴(34)、转向连接杆(35)、前轮轴(36)、转向杆(37)、前轮(38)、机架(39)、链轮(40)、前进电机(41)、后轴(42)、后轮(43)、蓄电池(44)。其中转向电机(32)固定在机架(39)上并与转向齿轮(33)连接，转向齿轮(33)与前轴(34)啮合，前轴(34)与转向连接杆(35)连接并相对机架(39)做直线运动，转向连接杆(35)与转向杆(37)连接，转向杆(37)与前轮轴(36)以及机架(39)连接、前轮轴(36)与前轮(38)连接；前进电机(41)固定在机架(39)上并与链轮(40)连接，链轮(40)与后轴(42)连接，后轴(42)与两后轮(43)连接。工作时，前进电机(41)提供动力，通过链轮(40)传递给后轴(42)，后轴(42)传递给后轮(43)，带动两后轮(43)的旋转，为机器人的移动提供动力；转向电机(32)提供动力，通过转向齿轮(33)传递给前轴(34)，前轴(34)传递给转向连接杆(35)，转向连接杆(35)传递给转向杆(37)，转向杆(37)传递给前轮轴(36)，前轮轴(36)传递给前轮(38)，从而控制前轮(38)转动角度来控制机器人的移动方向。为保证机器人能够在沙地上灵活移动，机器人的前轮(38)及后轮(43)采用相较于普通轮胎较为宽大的轮胎，能增加与地面的接触面积，从而产生更大的摩擦力；使轮胎不易空转打滑。

Claims (3)

1.沙滩排球赛场服务机器人，其特征在于：包括捡球部分、清理部分、回传球部分、平整沙地部分以及底盘部分；
捡球部分：位于机器人前方，包括气缸(1)、提升杆(2)、捡球框(3)、连接杆(4)以及支撑架(5)；支撑架(5)固定在机架(39)上，气缸(1)与提升杆(2)和支撑架(5)相连，提升杆(2)与气缸(1)、支撑架(5)和连接杆(4)相连，连接杆(4)与捡球框(3)和提升杆(2)相连，捡球框(3)与连接杆(4)相连同时能够沿支撑架(5)上的固定轨迹滑动；
清理部分：位于捡球部分后方，包括舵机(6)、传动带(7)、拨球杆(8)、滑道(9)、清洁框(10)、清洁毛刷(11)、清洁电机(12)；其中，清洁框(10)、清洁电机(12)、舵机(6)以及滑道(9)固定在机架(39)上，清洁电机(12)与清洁毛刷(11)连接，清洁毛刷(11)位于清洁框(10)中，舵机(6)与传动带(7)连接，传动带(7)与拨球杆(8)连接，拨球杆(8)与清洁框(10)连接且位于清洁毛刷(11)上方；
回传球部分：包括送球滑道(13)、摩擦轮(14)、回传电机(15)、弹性元件(16)、旋转轴(17)、回传底盘(18)、传送带(19)、提升铲斗(20)、送球杆(21)；传送带(19)位于滑道(9)后方，提升铲斗(20)固定在传送带(19)上，能够上下移动，提升铲斗(20)运动轨迹的最低点与滑道(9)平行，且其运动轨迹的最高点高于回传底盘(18)，保证排球能够被顺利送到回传底盘(18)中；摩擦轮(14)与回传电机(15)连接，回传电机(15)固定在回传底盘(18)孔中，旋转轴(17)连接在回传底盘(18)的中心，回传底盘(18)以旋转轴(17)为中心旋转，四个弹性元件(16)均匀分布在回传底盘(18)圆周上，四个弹性元件(16)处于不同伸缩量时能够调整回传底盘(18)的角度，送球滑道(13)固定在机架(39)上，送球杆(21)与送球滑道(13)连接并能够沿送球滑道(13)移动；
平整沙地部分：位于机器人后方，包括第一锥齿轮(22)、第二锥齿(23)、同步器(24)、油缸(25)、平沙耙提升杆(26)、平沙耙固定架(27)、平沙耙(28)、平沙杆(29)、飞轮(30)、飞轮轴(31)；其中，第二锥齿(23)和同步器(24)均与后轴(42)连接，第二锥齿(23)与后轴(42)无周向固定，同步器(24)与后轴(42)无轴向固定，第一锥齿(22)与飞轮轴(31)连接并与第二锥齿(23)啮合，飞轮(30)与飞轮轴(31)和平沙杆(29)连接，平沙杆(29)和平沙耙(28)连接，平沙耙(28)能够沿平沙耙固定架(27)固定轨迹移动，油缸(25)一端固定在机架(39)上，另一端与平沙耙提升杆(26)连接，平沙耙提升杆(26)固定在平沙耙固定架(27)上，并与机架(39)和油缸(25)相连接；飞轮(30)与两平沙杆(29)、平沙耙(28)以及平沙耙固定架(27)组成曲柄双滑块机构，飞轮(30)通过平沙杆(29)带动平沙耙(28)沿着平沙耙固定架(27)做往复运动。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，功能实现分别如下：
机器人捡球功能：气缸(1)提供动力，通过提升杆(2)传导至连接杆(4)，连接杆(4)传导至捡球框(3)，使捡球框(3)能够沿支撑架(5)上的固定轨迹上下移动；工作时，捡球框(3)下降，利用下降过程中施加给排球的力将排球挤压进捡球框(3)内，之后带动排球上升至支撑架(5)拐点处，此时捡球框(3)上的滑块与支撑架(5)之间不再有相对运动，气缸(1)继续提供动力，使捡球框(3)绕其上的固定滑块翻转，将球送入清理框(10)中；
机器人清理功能：清排球经过捡球框(3)的翻转进入清洁框(10)中，清洁电机(12)提供动力带动清洁毛刷(11)旋转，通过排球与清洁毛刷(11)的相对运动，将排球表面的沙子清理干净；清理结束后，舵机(7)提供动力，通过传动带(7)传导至拨球杆(8)，带动拨球杆(8)旋转，将球从清理框(10)中推至滑道(9)上；球沿着倾斜的滑道(9)滑到提升铲斗(20)上；
机器人回传球功能：传送带(19)提供动力，将提升铲斗(20)上的排球提升至回传底盘(18)处，送球杆(21)将提升铲斗(20)上的排球推到回传底盘(18)的凹槽中；通过调整旋转轴(17)转动角度、弹性元件(16)伸缩量改变摩擦轮(14)的方向，方向调整后，回传电机(15)提供动力，利用摩擦轮(14)与排球间的摩擦力将球回传给运动员；
机器人平整沙地功能：油缸(25)提供动力，传递给平沙耙提升杆(26)，平沙耙提升杆(26)带动整个平沙系统下降，与沙滩接触；同步器(24)移动与第二锥齿(23)配合，后轴(42)提供动力，通过第一锥齿(22)与第二锥齿(23)的啮合传递给飞轮轴(31)，飞轮轴(31)传递给飞轮(30)，飞轮(30)与两平沙杆(29)、平沙耙(28)以及平沙耙固定架(27)组成曲柄双滑块机构，沿着平沙耙固定架(27)做往复运动；平沙结束后，同步器(24)与第二锥齿(23)分离，第二锥齿(23)停止旋转；平沙耙(28)停止运动后油缸(25)提供动力将整个平沙装置提升，防止平沙耙(28)与沙地持续接触而受到磨损；
机器人在沙地上自由移动功能：前进电机(41)提供动力，通过链轮(40)传递给后轴(42)，后轴(42)传递给后轮(43)，带动两后轮(43)的旋转，为机器人的移动提供动力；转向电机(32)提供动力，通过转向齿轮(33)传递给前轴(34)，前轴(34)传递给转向连接杆(35)，转向连接杆(35)传递给转向杆(37)，转向杆(37)传递给前轮轴(36)，前轮轴(36)传递给前轮(38)，从而控制前轮(38)转动角度来控制机器人的移动方向。
3.根据权利要求1所述的机器人，底盘部分：位于整个机器人的下方，包括转向电机(32)、转向齿轮(33)、前轴(34)、转向连接杆(35)、前轮轴(36)、转向杆(37)、前轮(38)、机架(39)、链轮(40)、前进电机(41)、后轴(42)、后轮(43)、蓄电池(44)；其中转向电机(32)固定在机架(39)上并与转向齿轮(33)连接，转向齿轮(33)与前轴(34)啮合，前轴(34)与转向连接杆(35)连接并相对机架(39)做直线运动，转向连接杆(35)与转向杆(37)连接，转向杆(37)与前轮轴(36)以及机架(39)连接、前轮轴(36)与前轮(38)连接；前进电机(41)固定在机架(39)上并与链轮(40)连接，链轮(40)与后轴(42)连接，后轴(42)与两后轮(43)连接。
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