CN108671518B - 基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机 - Google Patents

基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机 Download PDF

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Abstract

本发明属于羽毛球发球机器人技术领域，涉及一种基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机。该发球机包括机架、移动机构、升降机构、击球机构、储球机构、送球机构和落球机构。通过麦克纳姆轮完成各个击球方向的移动，结合落球与击球相位差造成的击球点变化，配合剪叉升降机构，完成不同方向、俯仰角、高度的击球动作。球面槽轮机构实现球筒的精确供球，气压输送球保证羽毛球的完整、无损。落球机构由两个交替开合的机械夹具控制，与球拍配合实现精准发球，由电机对其进行调速，实现不同频率的发球。本发明实现了可自动变频、变速、变高、变角发球的功能，且可在场地内自由移动，同时实现了机体的稳定运行，能够有效完成使用者的训练任务。

Description

基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机
技术领域
本发明属于羽毛球发球机器人技术领域，涉及一种基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机。
背景技术
随着全民健身运动的开展，羽毛球作为一种休闲时尚又具有锻炼价值的大众体育运动，颇得人们喜爱。性能更稳定、价格更合理、使用更方便的发球机器人符合人们的使用需求，为期望进行有效的羽毛球训练的广大羽毛球爱好者和运动员带来了极大的便利，具有广阔的市场前景。
分析表明，羽毛球发球机器人的研发还处于起步阶段，其技术发展还不够成熟。目前国内外已经投入经济运营的羽毛球发球机，其原理主要有两种：一种是采用高速旋转的柔软发球轮挤压羽毛球头部给其一个初速度，将球发出(如专利号CN 108014481 A，智能羽毛球发球装备)。但是这种挤压方式一方面会改变球的形状；另一方面，一段时间后柔性的发球轮会有一定程度的变形，从而影响发球的效果，降低训练质量，而进行更换又增加了成本和不便。另一种是采用气压发球，其除了高压气缸外还有多个电机，体积较为庞大，使用不够方便。科研和市场都需要新型的羽毛球发球机器人的出现。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过曲柄导杆机构实现羽毛球发球的装置，力求提高发球过程的准确性和可靠性。本发明为可改变发球频率、发球速度、出球口高度、发球角度，并可在规定场地内自由移动的智能羽毛球发球机。
本发明的技术方案如下：
一种基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机，包括机架24、移动机构、升降机构、击球机构、储球机构、送球机构和落球机构；
所述的机架24，包括机架上部10和机架底部13，机架上部10和机架底部13通过多根支架固定连接，形成的内部空间用于放置击球机构和储球机构；机架上部10和机架底部13所形成的内部空间外套有主体外壳17，机架上部10空间外套有顶部外壳16；机架上部10上设有支架，用于固定击球机构和落球机构；
所述的移动机构采用轮系机构控制发球机在场地内部自由运动，包括多个麦克纳姆轮23和底座21；所述的麦克纳姆轮23安装在底座21底部，使发球机进行全向运动；麦克纳姆轮23与底座21之间设有弹簧减震装置20，以减少发球机运动时产生的震动对落球机构和击球机构的影响；
所述的升降机构，为剪叉式升降机构，包括竖直导轨18、水平导轨14和剪叉杆15；所述的水平导轨14共两对，对称固定安装在底座21的上表面和机架底部13的下表面；所述的剪叉杆15共两组，每组中，一根剪叉杆15一端固定安装在机架底部13上，另一端固定安装在底座21的水平导轨14上；另一根剪叉杆15一端固定安装在机架底部13的水平导轨14上，另一端固定安装在底座21上；所述的竖直导轨18垂直安装在底座21上，竖直导轨18控制机架底部13做上下移动；通过电动推杆的驱动完成机架24的升降，从而调节发球高度；所述的升降机构的外部包裹可折叠胶套19，起保护和美观作用；
所述的击球机构，安装在机架24内部空间，用于实现变频和变速发球，包括固定铰接轴1、导杆2、伺服电机3、减速齿轮组4、曲柄a5、球拍6、曲柄b7和活动滑块；所述的导杆2，其一端设有固定铰接轴1，通过固定铰接轴1与机架上部10相连，导杆2绕固定铰接轴1摆动，导杆2的另一端安装有球拍6；导杆2的中部设有长条滑孔，与活动滑块相配合；所述的曲柄a5与减速齿轮组4的从动轮通过轴相连，减速齿轮组4的主动轮与伺服电机3相连，伺服电机3驱动减速齿轮组4转动，从而带动曲柄a5转动并改变曲柄a5的移动速度；所述的活动滑块安装在导杆2的长条滑孔内，活动滑块的两端分别与曲柄a5和曲柄b7的两端相铰接，曲柄a5和曲柄b7带动活动滑块沿导杆2的长条滑孔往复移动，从而带动导杆2往复摆动，通过摆动的球拍6将球击出；伺服电机3每次启动完成一次击球动作，改变伺服电机3两次启动的间隔时间完成对击球频率的控制，改变一次启动过程中伺服电机3的转速完成对击球速度的控制；
所述的储球机构，安装在机架24的内部空间，以减小所占空间，包括多个球筒11和球面槽轮机构12；所述的球筒11置于球筒基座上，球筒11为透明圆柱桶，便于观察球筒11内剩余羽毛球数量，球筒11的底部为无杆气缸29，无杆气缸29的上方设有顶块27，顶块27外套有密封圈26，顶块27上方为放置羽毛球25的空间，顶块27用于顶住羽毛球25的尾部并施加压力；球筒11的底部下方设有气泵，用于为无杆气缸29提供高压气体，推动顶块27带动上方羽毛球25向上推入U型导管8中，最终到达落球机构等待下落；通过溢流阀控制无杆气缸29的压力，保证羽毛球不会挤坏；所述的球面槽轮机构12安装在机架底部13上，并与球筒11的位置相对应，通过电机带动球面槽轮机构12进行驱动，间歇地拨动旋转球筒基座，确保球筒11将球准确推入上方的U型导管8中；
所述的送球机构，包括U型导管8和直导管9；所述的直导管9，其一端安装在U型导管8的入口端，另一端与球筒11相对应，直导管9位于球筒11的上方；与当无杆气缸29向上推动时，羽毛球垛中最上方的羽毛球25被推开，依次送入直导管9和U型管口8中，最终到达落球机构等待下落；
所述的落球机构，安装在U型导管8的出口端，包括环状的上机械夹具28和下机械夹具22；所述的上机械夹具28固定在U型导管8出口端，下机械夹具22安装在机架上部10上，位于U型导管8出口端的下方；下机械夹具22用于夹住羽毛球的头部，上机械夹具28用于夹住羽毛球的尾部；上机械夹具28和下机械夹具22分别与两个电机相连，通过电机控制两个机械夹具的张合；通过上机械夹具28和下机械夹具22交替张合实现出球口处相邻羽毛球的分离和下落；通过控制两个机械夹具的张合频率和击球机构的击球频率产生的相位差，从而改变羽毛球在球拍6上的落点，相应的改变发球角，模拟实现不同的发球动作。
本发明的有益效果：本发明通过以曲柄导杆机构作为核心机构，多个机构相互配合，实现了高效、准确的发球运动，实现可自动变频、变速、变高、变角发球的功能，且可在规定场地内自由移动。本发明结构简单、原理明确、占地面积小、移动灵活，在发球过程中保护了羽毛球，实现了机体的稳定运行，能够有效完成使用者的训练任务。
附图说明
图1是本发明的立体结构图。
图2是本发明的内部结构图。
图3是击球机构的结构图。
图4是送球原理示意图。
图5是落球原理示意图。
图中：1固定铰接轴；2导杆；3伺服电机；4减速齿轮组；5曲柄a；6球拍；7曲柄b；8U型导管；9直导管；10机架上部；11球筒；12球面槽轮机构；13机架底部；14水平导轨；15剪叉杆；16顶部外壳；17主体外壳；18竖直导轨；19可折叠胶套；20减震弹簧；21底座；22下机械夹具；23麦克纳姆轮；24机架；25羽毛球；26密封圈；27顶块；28上机械夹具；29无杆气缸。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明提供一种基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机，参照图1-图5，该装置包括机架24、击球机构、升降机构、储球机构、送球机构、落球机构和移动机构。
移动机构如图1和图2所示，由四个麦克纳姆轮23实现水平位置的移动。通过轮间差速关系，控制机器完成前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式，并实现发球方向的控制。移动机构与击球机构共同完成不同的发球动作。
升降机构如图1和图2所示，由竖直导轨18、水平导轨14和剪叉杆15组成的剪叉机构完成装置的高度调整，外层包裹可折叠胶套19。
送球机构如图1和图2所示，包括U型导管8和直导管9；所述的直导管9，其一端安装在U型导管8的入口端，直导管9的另一端与球筒11相对应，直导管9位于球筒11的上方。
储球机构如图4所示，含有多个球筒11，安装在机架24内部，以减小所占空间。球筒11d的球筒基座底部采用球面槽轮机构12，间歇地拨动旋转球筒基座，将球筒11的出球口准确对准直导管9。如图4所示，球筒11下方通过气泵供入高压气体，推动顶块27带动上方羽毛球25向上推入U型导管8中，到达落球机构处等待下落。通过溢流阀控制无杆气缸29压力，保证羽毛球不会挤坏。
落球机构的原理如图5所示，机械夹具已简化表示。完整的机构工作过程为：当送球机构将羽毛球25输送至出球口的机械夹具的上方，上机械夹具28和下机械夹具22均闭合使球存放于出球口，下机械夹具22张开而上机械夹具28闭合时，最下方羽毛球25落下；下机械夹具22闭合而上机械夹具28张开时，U型导管8中下一个羽毛球25落入出球口；在电机的带动下依次落球。
击球机构如图3所示，由固定铰接轴1、导杆2、伺服电机3、减速齿轮组4、曲柄a5、曲柄b7(含质量块以平衡往复惯性力)、球拍6和活动滑块组成。伺服电机3带动减速齿轮组4，使曲柄a5和曲柄b7间歇转动，带动安装有球拍6的导杆2往复摆动。在羽毛球下落的不同时间挥出球拍6，可在不同的位置以不同的速度击打羽毛球，结合麦克纳姆轮23对发球方向和水平位置的调整、剪叉升降机构对高度的调整，可以模拟出多种发球动作和效果。

Claims (1)

1.一种基于曲柄导杆机构的智能羽毛球发球机，其特征在于，所述的发球机包括机架(24)、移动机构、升降机构、击球机构、储球机构、送球机构和落球机构；
所述的机架(24)，包括机架上部(10)和机架底部(13)，机架上部(10)和机架底部(13)通过多根支架固定连接，形成的内部空间用于放置击球机构和储球机构；机架上部(10)和机架底部(13)所形成的内部空间外套有主体外壳(17)，机架上部(10)空间外套有顶部外壳(16)；机架上部(10)上设有支架，用于固定击球机构和落球机构；
所述的移动机构采用轮系机构控制发球机在场地内部自由运动，包括多个麦克纳姆轮(23)和底座(21)；所述的麦克纳姆轮(23)为四个，安装在底座(21)底部，使发球机进行全向运动；麦克纳姆轮(23)与底座(21)之间设有弹簧减震装置(20)，以减少发球机运动时产生的震动对落球机构和击球机构的影响；
所述的升降机构，为剪叉式升降机构，包括竖直导轨(18)、水平导轨(14)和剪叉杆(15)；所述的水平导轨(14)共两对，对称固定安装在底座(21)的上表面和机架底部(13)的下表面；所述的剪叉杆(15)共两组，每组中，一根剪叉杆(15)一端固定安装在机架底部(13)上，另一端固定安装在底座(21)的水平导轨(14)上；另一根剪叉杆(15)一端固定安装在机架底部(13)的水平导轨(14)上，另一端固定安装在底座(21)上；所述的竖直导轨(18)垂直安装在底座(21)上，竖直导轨(18)控制机架底部(13)做上下移动；通过电动推杆的驱动完成机架(24)的升降，从而调节发球高度；所述的升降机构的外部包裹可折叠胶套(19)，起保护和美观作用；
所述的击球机构，安装在机架(24)内部空间，用于实现变频和变速发球，包括固定铰接轴(1)、导杆(2)、伺服电机(3)、减速齿轮组(4)、曲柄a(5)、球拍(6)、曲柄b(7)和活动滑块；所述的导杆(2)，其一端设有固定铰接轴(1)，通过固定铰接轴(1)与机架上部(10)相连，导杆(2)绕固定铰接轴(1)摆动，导杆(2)的另一端安装有球拍(6)；导杆(2)的中部设有长条滑孔，与活动滑块相配合；所述的曲柄a(5)与减速齿轮组(4)的从动轮通过轴相连，减速齿轮组(4)的主动轮与伺服电机(3)相连，伺服电机(3)驱动减速齿轮组(4)转动，从而带动曲柄a(5)转动并改变曲柄a(5)的移动速度；所述的活动滑块安装在导杆(2)的长条滑孔内，活动滑块的两端分别与曲柄a(5)和曲柄b(7)的两端相铰接，曲柄a(5)和曲柄b(7)带动活动滑块沿导杆(2)的长条滑孔往复移动，从而带动导杆(2)往复摆动，通过摆动的球拍(6)将球击出；伺服电机(3)每次启动完成一次击球动作，改变伺服电机(3)两次启动的间隔时间完成对击球频率的控制，改变一次启动过程中伺服电机(3)的转速完成对击球速度的控制；
所述的储球机构，安装在机架(24)的内部空间，以减小所占空间，包括多个球筒(11)和球面槽轮机构(12)；所述的球筒(11)置于球筒基座上，球筒(11)为透明圆柱桶，便于观察球筒(11)内剩余羽毛球数量，球筒(11)的底部为无杆气缸(29)，无杆气缸(29)的上方设有顶块(27)，顶块(27)外套有密封圈(26)，顶块(27)上方为放置羽毛球(25)的空间，顶块(27)用于顶住羽毛球(25)的尾部并施加压力；球筒(11)的底部下方设有气泵，用于为无杆气缸(29)提供高压气体，推动顶块(27)带动上方羽毛球(25)向上推入U型导管(8)中，最终到达落球机构等待下落；通过溢流阀控制无杆气缸(29)的压力，保证羽毛球不会挤坏；所述的球面槽轮机构(12)安装在机架底部(13)上，并与球筒(11)的位置相对应，通过电机带动球面槽轮机构(12)进行驱动，间歇地拨动旋转球筒基座，确保球筒(11)将球准确推入上方的直导管(9)中；
所述的送球机构，包括U型导管(8)和直导管(9)；所述的直导管(9)，其一端安装在U型导管(8)的入口端，另一端与球筒(11)相对应，直导管(9)位于球筒(11)的上方；当无杆气缸(29)向上推动时，羽毛球垛中最上方的羽毛球(25)被推开，依次送入直导管(9)和U型导管(8)中，最终到达落球机构等待下落；
所述的落球机构，安装在U型导管(8)的出口端，包括环状的上机械夹具(28)和下机械夹具(22)；所述的上机械夹具(28)固定在U型导管(8)出口端，下机械夹具(22)安装在机架上部(10)上，位于U型导管(8)出口端的下方；下机械夹具(22)用于夹住羽毛球的头部，上机械夹具(28)用于夹住羽毛球的尾部；上机械夹具(28)和下机械夹具(22)分别与两个电机相连，通过电机控制两个机械夹具的张合；通过上机械夹具(28)和下机械夹具(22)交替张合实现出球口处相邻羽毛球的分离和下落；通过控制两个机械夹具的张合频率和击球机构的击球频率产生的相位差，从而改变羽毛球在球拍(6)上的落点，相应的改变发球角，模拟实现不同的发球动作。
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