CN108939501A - 全向自旋发球机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于发球机械技术领域，涉及一种全向自旋发球机，用于训练，能够发射任意角度自旋球。该全向自旋发球机，主要由全向移动底盘和发球头组成；全向移动底盘主要由发球头支架、底盘和全向轮组成，用于支撑发球头，并使全向自旋发球机做平移及旋转运动；发球头主要由球传输通道、出射角调整机构、发球头固定爪和自旋方向及出射速度调整机构组成。本发明的装置可以实现向任意自旋方向发球，包括人类难以发出的弧线球，更接近实际对抗，提高训练能力。

Description

全向自旋发球机
技术领域
本发明属于发球机械技术领域，涉及一种全向自旋发球机，用于训练，能够发射任意角度自旋球。
背景技术
目前，市面上应用的大多数发球机为双滚轮发球机，其核心组件为两个间隔略大于网球直径的滚轮。工作时，两个滚轮高速反向旋转，网球经过两滚轮间隙时因受压与滚轮表面产生摩擦力，并在摩擦力的作用下从发球机构中被发出。这种设计结构简单，而且若控制双滚轮的转速不同，还可以实现网球的上旋，下旋。但是，实际比赛中，网球的自旋方向不唯一，传统双滚轮机构无法模拟真实情况，限制了训练能力的提升。
发明内容
为了克服传统发球机不能向任意自旋方向发球的不足，本发明提供了一种全向自旋发球机，可以在控制下向任意自旋方向发球。
本发明的技术方案是：
一种全向自旋发球机，可发三维自旋并以任意角度出射的网球，主要由全向移动底盘1和发球头组成；
所述的全向移动底盘1，主要由发球头支架、底盘和全向轮组成，用于支撑发球头，并使全向自旋发球机做平移及旋转运动；所述的全向轮有多个，对称安装在底盘上，使全向移动底盘1做全向的移动；所述的发球头支架为半球形框架结构，安装在底盘上，发球头支架的内部空间用于放置发球头；
所述的发球头，主要由球传输通道、出射角调整机构2、发球头固定爪3和自旋方向及出射速度调整机构4组成；
所述的发球头固定爪3，用于连接发球头和全向移动底盘1；发球头固定爪3共两个，对称焊接在全向移动底盘1的发球头支架上；两个发球头固定爪3上均焊接有轴，其中一个发球头固定爪3的轴上焊接有蜗轮，发球头固定爪3通过轴与出射角调整机构2相连接；
所述的出射角调整机构2，主要由仰俯角调整机构5、自旋机构支架6和轴向偏转角调整机构7组成；所述的自旋机构支架6为圆环形支架，分为外层A和内层D，内层D在轴向上的宽度比外层A窄，二者间设有轴承C；外层A的内壁上焊接有内齿B，内齿B与内层D在轴向上并排布置；外层A通过轴承与发球头固定爪3上的轴连接；外层A的外表面设有安装支架，用于安装仰俯角调整机构5；内层D的内壁上对称设有固定爪，用于安装球传输通道；内层D的侧面设有安装支架，用于安装轴向偏转角调整机构7；所述的仰俯角调整机构5安装在外层A上的安装支架，用于控制出射角调整机构2的仰俯角，仰俯角调整机构5的步进电机的输出轴上套有蜗杆，蜗杆与发球头固定爪3的轴上的蜗轮相啮合，从而改变仰俯角调整机构5与发球头固定爪3间的仰俯角，进而改变发球头与地面的仰俯角；所述的轴向偏转角调整机构7用于控制轴向偏转角，安装在内层D上的安装支架，轴向偏转角调整机构7的步进电机的正齿轮与内齿B啮合，使内层D相对外层A转动，从而调整轴向偏转角；
所述的球传输通道用于传输网球，其入口端为空心锥形台框架结构，出口端为空心圆柱筒框架结构，球传输通道固定安装在自旋机构支架6中心的固定爪上；
所述的自旋方向及出射速度调整机构4共两个，对称安装在自旋机构支架6的内层D上，分别位于球传输通道的上、下空间内，并通过自旋机构支架6进行限位；自旋方向及出射速度调整机构4主要由滚轮、平行四边形转向机构和万向轴驱动机构组成；
所述的滚轮位于平行四边形转向机构的内部空间，滚轮的中心为球笼结构，为一体加工成型，滚轮限位于两个相对的轴瓦支架10上，滚轮的外层橡胶与网球相接触；
所述的平行四边形转向机构用于控制滚轮边缘的速度方向与出球方向的夹角，以实现不同自旋方向的球，主要由步进电机8、平行四边形连杆9、轴瓦支架10和转向滚轮机构支架11组成；所述的转向滚轮机构支架11为框架结构，用于固定安装步进电机8、平行四边形连杆9和轴瓦支架10；所述的平行四边形连杆9共两组，分别安装在转向滚轮机构支架11的上表面和下表面，平行四边形连杆9的两个对称的杆通过销b17固定安装在转向滚轮机构支架11上；所述的轴瓦支架10共两个，通过销a16对称安装在平行四边形连杆9的另两个对称的杆上，轴瓦支架10与滚轮同轴，轴瓦支架10与杆18相互平行；所述的步进电机8安装在两组平行四边形连杆9的杆18之间，杆18与滚轮的轴向相平行，杆18上焊接有齿轮，步进电机8的输出齿轮与杆18上的齿轮相互啮合，步进电机8驱动杆18旋转，从而带动滚轮旋转；
所述的万向轴驱动机构用于调节滚轮的转速，以实现不同出射速度的球，主要由直流电机12、传动锥齿轮13、传动轴14和球笼式万向轴15组成；所述的球笼式万向轴15穿过滚轮中心的球笼结构并通过轴承固定在转向滚轮机构支架11上，球笼式万向轴15的一端设有传动锥齿轮13；所述的传动轴14，通过轴承固定在转向滚轮机构支架11上，位于轴瓦支架10与平行四边形连杆9相连接的一侧，传动轴14的两端设有传动锥齿轮13；所述的直流电机12安装在转向滚轮机构支架11上，与步进电机8的位置相对称，直流电机12的输出端设有传动锥齿轮13，直流电机12的输出端的传动锥齿轮13与传动轴14一端的传动锥齿轮13相互啮合，传动轴14另一端的传动锥齿轮13与球笼式万向轴15一端的传动锥齿轮13相互啮合；驱动时，动力通过直流电机12产生，再通过传动锥齿轮13将动力依次传递给传动轴14和球笼式万向轴15，最终传递给滚轮。
本发明的有益效果：本发明的装置可以实现向任意自旋方向发球，包括人类难以发出的香蕉球(弧线球)，更接近实际对抗，提高训练能力。
附图说明
图1是发球机的整体结构图；
图2是全向移动底盘的示意图；
图3是出射角调整机构的示意图；
图4是自旋方向及出射速度调整机构的示意图；
图5是自旋方向及出射速度调整机构的俯视图
图6是实现任意角度自旋的原理示意图；
图7是球传输通道的示意图；
图8是平行四边形连杆的示意图；
图9是球笼式万向轴的示意图；
图10是转向滚轮机构支架的示意图；
图11是自旋机构支架的示意图；
图12是轴瓦支架的示意图；
图13是发球头固定爪的示意图。
图14是仰俯角调整机构与发球头固定爪的位置关系示意图；
图15是滚轮的示意图。
图中：1全向移动底盘；2出射角调整机构；3发球头固定爪；4自旋方向及出射速度调整机构；5仰俯角调整机构；6自旋机构支架；7轴向偏转角调整机构；8步进电机；9平行四边形连杆；10轴瓦支架；11转向滚轮机构支架；12直流电机；13传动锥齿轮；14传动轴；15球笼式万向轴；16销a；17销b；18杆；A外层；B内齿；C轴承；D内层。
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。
一种全向自旋发球机，可发三维自旋并以任意角度出射的网球，主要由全向移动底盘1和发球头组成，如图1所示；所述的全向移动底盘1，主要由发球头支架、底盘和全向轮组成，如图2所示；所述的发球头，主要由球传输通道、出射角调整机构2、发球头固定爪3和自旋方向及出射速度调整机构4组成，如图3-5所示。球传输通道如图7所示。
全向移动底盘1采用全向轮，因全向轮已较为普及，故其机构在此不做赘述。全向移动底盘1起到了支撑发球头、在网球场内做平移及旋转运动的作用。
如图3和图13所示，发球头固定爪3用于连接发球头和全向移动底盘1，其上焊接有固定出射角调整机构2的轴。将发球头固定爪3固定在全向移动底盘1的发球头支架上后，发球头固定爪3相对全向移动底盘1静止，相对地面角度固定。
出射角调整机构2主要由仰俯角调整机构5、轴向偏转角调整机构7和自旋机构支架6三部分组成。如图3所示，出射角调整机构2以自旋机构支架6为主体。自旋机构支架6分为外层A和内层D，自旋机构支架6的外层A通过轴承与发球头固定爪3上的轴连接，外层A的内壁上设有内齿B，外层A的侧面上安装有控制仰俯角的仰俯角调整机构5，仰俯角调整机构5的步进电机上的蜗杆与发球头固定爪3的轴上的蜗轮啮合；仰俯角调整机构5与发球头固定爪3的位置关系如图14所示；自旋机构支架6的内层D上安装有轴向偏转角调整机构7，轴向偏转角调整机构7的步进电机上的正齿轮与内齿B啮合，自旋机构支架6的结构如图11所示；内层D通过轴承C安装在外层A的内壁上。调整出射角时，仰俯角调整机构5的步进电机通过与发球头固定爪3的轴上的齿轮啮合，改变其与发球头固定爪3间的仰俯角，进而改变整个发球头与地面的仰俯角，轴向偏转角调整机构7的步进电机通过与内齿B啮合使内层D相对外层A转动，从而调整轴向偏转角。
自旋方向及出射速度调整机构4主要由滚轮、平行四边形转向机构和万向轴驱动机构组成，如图4和图5所示，是其中一个自旋方向及出射速度调整机构4(为展示清楚，滚轮未画出)。安装时，两个自旋方向及出射速度调整机构4均固定于自旋机构支架6的内层D上。
滚轮位于平行四边形转向机构的内部空间，滚轮的中心为球笼结构，滚轮的轮毂两侧分别安装在两个轴瓦支架10上，滚轮的外层橡胶与网球相接触；滚轮的结构如图15所示。
平行四边形转向机构主要由步进电机8、平行四边形连杆9、轴瓦支架10、转向滚轮机构支架11及必要的连接固定零件构成，转向机构负责控制滚轮边缘的速度方向与出球方向的夹角，以实现不同自旋方向的球。平行四边形连杆9的结构如图8所示，轴瓦支架10的结构如图12所示，转向滚轮机构支架11的结构如图10所示。
如图4和图5所示(为展示清楚，滚轮未画出)，平行四边形连杆9通过销b17固定在转向滚轮机构支架11上，滚轮的轴瓦支架10通过销a16固定在平行四边形连杆9上。由于两个轴瓦支架10都与滚轮形成了同轴约束，故两个轴瓦支架10也是同轴约束关系。于是，整个平行四边形连杆机构9被分成了以滚轮轴线为公共边的左右两个同相位的平行四边形机构。转向时，由步进电机8驱动平行四边形连杆机构9右侧的杆18旋转一定角度，则根据平行四边形机构原理，滚轮轴线将转过相同角度。进而，滚轮也将随之转过相同角度。
万向轴驱动机构主要由直流电机12、传动锥齿轮13、传动轴14、球笼式万向轴15及必要的连接固定零件构成，万向轴驱动机构负责调节滚轮的转速，以实现不同出射速度的球。如图4和图5所示，球笼结构位于滚轮的中心(图中未画出)，球笼式万向轴15穿过球笼的中心，球笼式万向轴15通过轴承固定在转向滚轮机构支架11上，传动轴14通过轴承固定在转向滚轮机构支架上11。直流电机12的一端、万向轴15的一端和传动轴14的两端均固定有传动锥齿轮13。驱动时，动力通过直流电机12产生，通过传动锥齿轮13将动力传给传动轴14和万向轴15，最终传给滚轮。球笼式万向轴15的结构如图9所示。
一种全向自旋发球机实现任意角度自旋的原理如图6所示。通过两个滚轮中心点连线中点作与该线垂直的平面σ。则上下两滚轮边缘与该线交点处的速度v1、v2均在该平面内，即网球受到两个滚轮的摩擦力均在平面σ内。设网球沿出射方向的速度是v，v与v1的夹角为θ1，与v2的夹角为θ2。
网球沿出射方向的速度v见公式(1)：
相应正旋角速度ω正见公式(2)：
其中，R为网球半径；
为保证网球沿出射方向的垂直方向只有侧旋而没有速度，则v1与v2的关系见公式(3)：
Δ1·sinθ1＝v2·sinθ2 (3)
相应侧旋角速度ω侧见公式(4)：
将约束条件公式(3)代入公式(1)、(2)、(4)中，注意到，公式(1)、(2)、(4)中任意一个都不能由另外两个线性表出(可由反证法证明)，故(1)、(2)、(4)线性无关，即出射速度、侧旋角速度与正旋角速度可任意调节。
以上是网球绕x、y轴自旋的原理，通过上述轴向偏转角调整机构7可以将图6中的平面σ绕y轴旋转90度，从而实现绕z、y轴的自旋。根据矢量投影关系，容易证明，当σ绕y轴旋转的角度为一般角度时，网球能实现任意角度自旋。
使用本发明的全向自旋发球机实现发球功能时，首先根据训练所需的网球自旋方向、出射角度及速度算出两个平行四边形转向机构所需的转角、滚轮所需的转速；再算出仰俯角电机、轴向偏转角电机以及全向轮机构(水平面内转角)所需的转角。然后，将各个电机调整到相应的转速或转角，待运行稳定后，人为将网球放入球传输通道的入口端。在滚轮的挤压和球传输通道的导向下，即可发出所需自旋方向、出射角度及速度的球。

Claims (1)

1.一种全向自旋发球机，可发三维自旋并以任意角度出射的网球，其特征在于，所述的全向自旋发球机主要由全向移动底盘(1)和发球头组成；
所述的全向移动底盘(1)，主要由发球头支架、底盘和全向轮组成，用于支撑发球头，并使全向自旋发球机做平移及旋转运动；所述的全向轮有多个，对称安装在底盘上，使全向移动底盘(1)做全向的移动；所述的发球头支架为半球形框架结构，安装在底盘上，发球头支架的内部空间用于放置发球头；
所述的发球头，主要由球传输通道、出射角调整机构(2)、发球头固定爪(3)和自旋方向及出射速度调整机构(4)组成；
所述的发球头固定爪(3)，用于连接发球头和全向移动底盘(1)；发球头固定爪(3)共两个，对称焊接在全向移动底盘(1)的发球头支架上；两个发球头固定爪(3)上均焊接有轴，其中一个发球头固定爪(3)的轴上焊接有蜗轮，发球头固定爪(3)通过轴与出射角调整机构(2)相连接；
所述的出射角调整机构(2)，主要由仰俯角调整机构(5)、自旋机构支架(6)和轴向偏转角调整机构(7)组成；所述的自旋机构支架(6)为圆环形支架，分为外层(A)和内层(D)，内层(D)在轴向上的宽度比外层(A)窄，二者间设有轴承(C)；外层(A)的内壁上焊接有内齿(B)，内齿(B)与内层(D)在轴向上并排布置；外层(A)通过轴承与发球头固定爪(3)上的轴连接；外层(A)的外表面设有安装支架，用于安装仰俯角调整机构(5)；内层(D)的内壁上对称设有固定爪，用于安装球传输通道；内层(D)的侧面设有安装支架，用于安装轴向偏转角调整机构(7)；所述的仰俯角调整机构(5)安装在外层(A)上的安装支架，用于控制出射角调整机构(2)的仰俯角，仰俯角调整机构(5)的步进电机的输出轴上套有蜗杆，蜗杆与发球头固定爪(3)的轴上的蜗轮相啮合，从而改变仰俯角调整机构(5)与发球头固定爪(3)间的仰俯角，进而改变发球头与地面的仰俯角；所述的轴向偏转角调整机构(7)用于控制轴向偏转角，安装在内层(D)上的安装支架，轴向偏转角调整机构(7)的步进电机的正齿轮与内齿(B)啮合，使内层(D)相对外层(A)转动，从而调整轴向偏转角；
所述的球传输通道用于传输网球，其入口端为空心锥形台框架结构，出口端为空心圆柱筒框架结构，球传输通道固定安装在自旋机构支架(6)中心的固定爪上；
所述的自旋方向及出射速度调整机构(4)共两个，对称安装在自旋机构支架(6)的内层(D)上，分别位于球传输通道的上、下空间内，并通过自旋机构支架(6)进行限位；自旋方向及出射速度调整机构(4)主要由滚轮、平行四边形转向机构和万向轴驱动机构组成；
所述的滚轮位于平行四边形转向机构的内部空间，滚轮的中心为球笼结构，为一体加工成型，滚轮限位于两个相对的轴瓦支架(10)上，滚轮的外层橡胶与网球相接触；
所述的平行四边形转向机构用于控制滚轮边缘的速度方向与出球方向的夹角，以实现不同自旋方向的球，主要由步进电机(8)、平行四边形连杆(9)、轴瓦支架(10)和转向滚轮机构支架(11)组成；所述的转向滚轮机构支架(11)为框架结构，用于固定安装步进电机(8)、平行四边形连杆(9)和轴瓦支架(10)；所述的平行四边形连杆(9)共两组，分别安装在转向滚轮机构支架(11)的上表面和下表面，平行四边形连杆(9)的两个对称的杆通过销b(17)固定安装在转向滚轮机构支架(11)上；所述的轴瓦支架(10)共两个，通过销a(16)对称安装在平行四边形连杆(9)的另两个对称的杆上，轴瓦支架(10)与滚轮同轴，轴瓦支架(10)与杆(18)相互平行；所述的步进电机(8)安装在两组平行四边形连杆(9)的杆(18)之间，杆(18)与滚轮的轴向相平行，杆(18)上焊接有齿轮，步进电机(8)的输出齿轮与杆(18)上的齿轮相互啮合，步进电机(8)驱动杆(18)旋转，从而带动滚轮旋转；
所述的万向轴驱动机构用于调节滚轮的转速，以实现不同出射速度的球，主要由直流电机(12)、传动锥齿轮(13)、传动轴(14)和球笼式万向轴(15)组成；所述的球笼式万向轴(15)穿过滚轮中心的球笼结构并通过轴承固定在转向滚轮机构支架(11)上，球笼式万向轴(15)的一端设有传动锥齿轮(13)；所述的传动轴(14)，通过轴承固定在转向滚轮机构支架(11)上，位于轴瓦支架(10)与平行四边形连杆(9)相连接的一侧，传动轴(14)的两端设有传动锥齿轮(13)；所述的直流电机(12)安装在转向滚轮机构支架(11)上，与步进电机(8)的位置相对称，直流电机(12)的输出端设有传动锥齿轮(13)，直流电机(12)的输出端的传动锥齿轮(13)与传动轴(14)一端的传动锥齿轮(13)相互啮合，传动轴(14)另一端的传动锥齿轮(13)与球笼式万向轴(15)一端的传动锥齿轮(13)相互啮合；驱动时，动力通过直流电机(12)产生，再通过传动锥齿轮(13)将动力依次传递给传动轴(14)和球笼式万向轴(15)，最终传递给滚轮。
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