CN110433473B - 乒乓球发球机器人及发球方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种乒乓球发球机器人及发球方法，乒乓球发球机器人包括：送球系统和击球系统；所述送球系统用于提供自由落体的乒乓球；所述击球系统通过模拟人发球的动作击打所述自由落体的乒乓球，以打出上旋球、下旋球和无旋球。本申请能够辅助运动员准确判断来球的旋转和速度，对运动员的训练提供极大的帮助。

Description

乒乓球发球机器人及发球方法

技术领域

本申请属于机器人技术领域，具体涉及一种乒乓球发球机器人及发球方法。

背景技术

乒乓球作为中国的国球，有大量的业余和职业运动员在进行这项运动。为了更好的帮助运动员进行日常的练习和训练，需要有一款能够发球的机器人来辅助他们训练。对于乒乓球运动员来说，需要能够判断对手的发球情况，例如乒乓球的旋转和速度等。判断对手的发球情况时主要是通过观察对手的动作和球拍的运动。而现在市面上的乒乓球发球机，主要通过两个摩擦轮将乒乓球挤出。这种方式让运动员很难判断来球的旋转和速度，因而对运动员的训练帮助有限。

发明内容

为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种乒乓球发球机器人及发球方法。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供了一种乒乓球发球机器人，其包括：送球系统和击球系统；所述送球系统用于提供自由落体的乒乓球；所述击球系统通过模拟人发球的动作击打所述自由落体的乒乓球，以打出上旋球、下旋球和无旋球。

上述乒乓球发球机器人中，所述送球系统包括球框、送球通道、转轮和阻挡部件；所述球框与送球通道的进球口连接；在所述送球通道中设置有所述转轮，所述转轮用于为进入所述送球通道的乒乓球提供动力；所述阻挡部件设置在所述送球通道的出球口，其用于阻挡和放行乒乓球从出球口落下。

进一步地，所述转轮设置在所述送球通道靠近其进球口处，且位于所述送球通道的底端。

进一步地，所述阻挡部件采用电磁体，所述电磁体包括基体和拉杆，所述拉杆能够相对于所述基体运动；当所述电磁体处于初始状态时，所述拉杆相对于所述基体下降，挡在所述出球口，以阻挡乒乓球落下；当所述电磁体接收到发球控制信号时，所述拉杆相对于所述基体上拉，打开所述出球口，以使乒乓球能够从所述出球口落下。

进一步地，所述击球系统包括基座、腰部、躯干、肩部、手臂和球拍，所述腰部与躯干之间设置有第一曲柄摇杆机构，所述肩部与手臂之间设置有第二曲柄摇杆机构；

所述基座上设置有第一电机，所述第一电机用于驱动所述腰部转动；

所述腰部上设置有第二电机，所述第二电机用于驱动所述第一曲柄摇杆机构的曲柄转动，所述第一曲柄摇杆机构的摇杆与所述躯干固定连接；

所述躯干上设置有第三电机，所述第三电机用于驱动所述肩部转动；

所述肩部上设置有第四电机，所述第四电机用于驱动所述第二曲柄摇杆机构的曲柄转动，所述第二曲柄摇杆机构的摇杆与是手臂固定连接；

所述手臂上设置有第五电机，所述第五电机用于驱动所述球拍转动。

更进一步地，所述球拍的初始状态为：球拍面处于竖直状态，手柄处于水平状态。

更进一步地，所述第一电机位于所述球拍的正下方，且球拍面竖直方向的直径在所述第一电机的轴线上。

更进一步地，所述送球通道的出球口位于所述球拍的正上方，以使乒乓球从所述出球口送出后做自由落体运动正好经过所述球拍的中心。

更进一步地，所述第一曲柄摇杆机构的曲柄的长度与所述第二曲柄摇杆机构的曲柄的长度相等，所述第一曲柄摇杆机构的摇杆的长度与所述第二曲柄摇杆机构的摇杆的长度相等。

根据本申请实施例的第二方面，本申请还提供了一种发球方法，其应用上述任一项乒乓球发球机器人进行发球，其包括以下步骤：

对乒乓球发球机器人进行初始化，使得第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆均处于0°状态，使第一至第五电机均处于0°状态；球拍中心整好能够击打到从出球口自由落下的乒乓球；

乒乓球发球机器人根据用户输入的发球方向、球速和频率计算第一至第五电机的运行参数，并根据该运行参数控制第一至第五电机的运行，具体包括：

控制第一电机、第三电机和第五电机绕着各自的轴线转动到计算得到的发球位置；所述第一电机用于驱动机器人的腰部绕第一电机的轴线转动，第三电机带动乒乓球发球机器人的肩部绕第三电机的轴线转动，第五电机带动球拍绕第五电机的轴线转动；

控制第二电机的转速和第四电机的转速保持相同，以使乒乓球发球机器人的躯干的往复转动的周期与乒乓球发球机器人的手臂的往复挥动的周期相同；第二电机通过第一曲柄摇杆机构带动乒乓球发球机器人的躯干往复运动，第四电机通过第二曲柄摇杆机构带动乒乓球发球机器人的手臂往复挥动；

控制第一电机、第三电机和第五电机保持不动，第二电机和第四电机转动，并对应驱动第一曲柄摇杆机构和第二曲柄摇杆机构转动；

控制阻挡部件在t₁-t₂时刻对乒乓球放行，使得乒乓球能够从出球口落下，其中，t₁表示第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆从发球位置到复位所用的时间，t₂表示乒乓球从出球口自由落体到球拍中心处的时间；

第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆击打到乒乓球后继续运动，经过一个往复摆动的运动过程后回到发球状态，继续进行下一个发球循环。

根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：本申请乒乓球发球机器人通过设置送球系统和击球系统，送球系统提供自由落体的乒乓球，击球系统通过模拟人发球的动作击打自由落体的乒乓球，能够根据实际需要打出上旋球、下旋球和无旋球等，从而辅助运动员准确判断来球的旋转和速度，对运动员的训练提供极大的帮助。

本申请乒乓球发球机器人通过在击球系统中设置基座、腰部、躯干、肩部、手臂和球拍，在腰部与躯干之间设置第一曲柄摇杆机构，在肩部与手臂之间设置第二曲柄摇杆机构，能够模拟人发球的动作，帮助运动员进行训练。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。

图1为本申请具体实施方式提供的一种乒乓球发球机器人的初始状态示意图。

图2为本申请具体实施方式提供的一种乒乓球发球机器人的整体结构示意图。

图3为本申请具体实施方式提供的一种乒乓球发球机器人中阻挡部件对乒乓球进行阻挡的状态示意图。

图4是本申请具体实施方式提供的一种乒乓球发球机器人中阻挡部件对乒乓球进行放行的状态示意图。

附图标记说明：

1、送球系统；11、球框；

12、送球通道；121、进球口；122、出球口；

13、转轮；

14、阻挡部件；141、基体；142、拉杆；

2、击球系统；

21、基座；211、第一电机；

22、腰部；221、第二电机；

23、躯干；231、第三电机；

24、肩部；241、第四电机；

25、手臂；251、第五电机；

26、球拍；

27、第一曲柄摇杆机构；

28、第二曲柄摇杆机构。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。

本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。

某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1是本申请实施例提供的一种乒乓球发球机器人的整体结构示意图。如图1所示，乒乓球发球机器人包括送球系统1和击球系统2。

其中，送球系统1用于提供自由落体的乒乓球，击球系统2通过模拟人发球的动作击打自由落体的乒乓球，以根据实际需要打出上旋球、下旋球和无旋球等。

在一具体的实施例中，如图1和图2所示，送球系统1包括球框11、送球通道12、转轮13和阻挡部件14。球框11与送球通道12的进球口121连接。在送球通道12中设置有转轮13，转轮13用于为进入送球通道12的乒乓球提供动力。阻挡部件14设置在送球通道12的出球口122，其用于阻挡和放行乒乓球从出球口122落下。

具体地，转轮13设置在送球通道12靠近其进球口121处，且位于送球通道12的底端。可以理解的是，球框11中的乒乓球通过进球口121进入送球通道12，当到达送球通道12的底端时，转轮13通过旋转为乒乓球提供动力，并改变乒乓球的方向，使其经过送球通道12从出球口122落下。

阻挡部件14可以采用电磁体，如图3和图4所示，电磁体包括基体141和拉杆142，拉杆142能够相对于基体141运动。当电磁体处于初始状态时，拉杆142相对于基体141下降，挡在出球口122，阻挡住乒乓球，使乒乓球无法从出球口122落下。当电磁体接收到发球控制信号时，拉杆142相对于基体141上拉，此时乒乓球能够从出球口122落下。落下一个乒乓球之后，电磁体又恢复到初始状态，从而阻止乒乓球从出球口122落下。

需要说明的是，阻挡部件14不限于采用电磁体形式，其他能够实现阻挡和放行乒乓球的阻挡部件14都可以应用于本申请中。

在一具体的实施例中，如图1和图2所示，击球系统2包括基座21、腰部22、躯干23、肩部24、手臂25和球拍26，腰部22与躯干23之间设置有第一曲柄摇杆机构27，肩部24与手臂25之间设置有第二曲柄摇杆机构28。

基座21上设置有第一电机211，第一电机211用于驱动腰部22转动。

腰部22上设置有第二电机221，第二电机221用于驱动第一曲柄摇杆机构27的曲柄转动。第一曲柄摇杆机构27的摇杆与躯干23固定连接。

躯干23上设置有第三电机231，第三电机231用于驱动肩部24转动。

肩部24上设置有第四电机241，第四电机241用于驱动第二曲柄摇杆机构28的曲柄转动。第二曲柄摇杆机构28的摇杆与手臂25固定连接。

手臂25上设置有第五电机251，第五电机251用于驱动球拍26转动。

球拍26的初始状态为：球拍面处于竖直状态，手柄处于水平状态。第一电机211位于球拍26的正下方，且球拍面竖直方向的直径在第一电机211的轴线上。

其中，第一曲柄摇杆机构27的曲柄的长度与第二曲柄摇杆机构28的曲柄的长度相等，第一曲柄摇杆机构27的摇杆的长度与第二曲柄摇杆机构28的摇杆的长度相等。

在第二电机221的驱动下，第一曲柄摇杆机构27的曲柄做单方向的旋转运动，第一曲柄摇杆机构27的摇杆则在预定角度范围内往复摆动。

在第四电机241的驱动下，第二曲柄摇杆机构28的曲柄做单方向的旋转运动，第二曲柄摇杆机构28的摇杆则在预定角度范围内往复摆动。

由于第一曲柄摇杆机构27的曲柄的长度与第二曲柄摇杆机构28的曲柄的长度相等，第一曲柄摇杆机构27的摇杆的长度与第二曲柄摇杆机构28的摇杆的长度相等，因此，当第二电机221的输入转速和第四电机241的输入转速相等时，第一曲柄摇杆机构27的摇杆与第二曲柄摇杆机构28的摇杆的摆动角度、运动转速和运动周期均相等。

送球通道12的出球口122位于球拍26的正上方，以使乒乓球从出球口122送出后做自由落体运动正好经过球拍26的中心。

基于本申请实施例提供的乒乓球发球机器人，本申请还提供了一种发球方法，其具体过程为：

首先，对乒乓球发球机器人进行初始化，其包括使第一曲柄摇杆机构27的摇杆和第二曲柄摇杆机构28的摇杆均处于0°状态，使第一电机211、第二电机221、第三电机231、第四电机241和第五电机251均处于0°状态。球拍26中心整好能够击打到从出球口122自由落下的乒乓球。

其次，乒乓球发球机器人根据用户输入的发球方向、球速和频率计算第一电机211、第二电机221、第三电机231、第四电机241和第五电机251的运行参数，并根据该运行参数控制第一电机211、第二电机221、第三电机231、第四电机241和第五电机251的运行，其具体过程为：

控制第一电机211、第三电机231和第五电机251绕着各自的轴线转动到计算得到的发球位置。

第一电机211用于驱动乒乓球发球机器人的腰部22绕第一电机211的轴线转动，从而实现对发球方向的调整。

第二电机221通过第一曲柄摇杆机构27带动乒乓球发球机器人的躯干23往复运动，从而模拟人发球时人的腰部22的转动。

第三电机231带动乒乓球发球机器人的肩部24绕第三电机231的轴线转动，从而能够调整手臂25的倾斜角度，也就是说控制手臂25的挥动方向。

第四电机241通过第二曲柄摇杆机构28带动乒乓球发球机器人的手臂25往复挥动，模拟人发球时人的手臂25的挥动动作。

第五电机251带动球拍26绕第五电机251的轴线转动，从而调整球拍26的倾斜角度。在第三电机231与第五电机251的共同带动下，球拍26可以打出上旋球、下旋球和无旋球。

控制第二电机221的转速和第四电机241的转速保持相同，以使乒乓球发球机器人的躯干23的往复转动的周期与乒乓球发球机器人的手臂25的往复挥动的周期保持相同，从而模拟人发球时人的腰部22与手臂25的协同作用。

另外，通过调整第二电机221的转速和第四电机241的转速能够调整发球的频率和发球的速度。可以理解的是，第二电机221和第四电机241的转速越高，第一曲柄摇杆机构27和第二曲柄摇杆机构28的转动周期越短，机器人的躯干23的转动频率和手臂25的挥动频率也就越高，单位时间内的发球频率也就越高。

第二电机221的转动能够通过第一曲柄摇杆机构27带动躯干23在水平方向的转动，第四电机241的转动能够通过第二曲柄摇杆机构28带动手臂25在水平方向的转动，进而为发球做好准备动作。

再次，控制第一电机211、第三电机231和第五电机251保持不动，第二电机221和第四电机241转动，并对应驱动第一曲柄摇杆机构27和第二曲柄摇杆机构28转动。

根据计算得到的运行参数，可以得到第一曲柄摇杆机构27的摇杆和第二曲柄摇杆机构28的摇杆从发球位置到复位所用的时间t₁；根据出球口122与球拍26中心的高度差，能够计算得到乒乓球从出球口122自由落体到球拍26中心处的时间t₂。

为了使球拍26能够击打到乒乓球，需要使得第一曲柄摇杆机构27的摇杆和第二曲柄摇杆机构28的摇杆复位时，乒乓球恰好自由落体到球拍26正中心的位置。因此，控制电磁体在t₁-t₂时刻对乒乓球放行，使得乒乓球能够从出球口122落下。

第一曲柄摇杆机构27的摇杆和第二曲柄摇杆机构28的摇杆击打到乒乓球后继续运动，经过一个往复摆动的运动过程后回到发球状态，继续进行下一个发球循环。

采用本申请乒乓球发球机器人，通过协调控制送球系统1的出球时间以及击球系统2中球拍26的位置和挥动速度，能够实现自动发球；击球系统2通过使用球拍26模拟人发球的动作，能够让对方运动员很容易地判断来球的旋转和速度，从而为运动员的训练提供极大的帮助。

以上所述仅为本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (7)

1.一种乒乓球发球机器人，其特征在于，包括：

送球系统；

和击球系统；

所述送球系统用于提供自由落体的乒乓球；

所述击球系统通过模拟人发球的动作击打所述自由落体的乒乓球，以打出上旋球、下旋球和无旋球；

所述击球系统包括基座、腰部、躯干、肩部、手臂和球拍，所述腰部与躯干之间设置有第一曲柄摇杆机构，所述肩部与手臂之间设置有第二曲柄摇杆机构；

所述基座上设置有第一电机，所述第一电机用于驱动所述腰部转动；

所述腰部上设置有第二电机，所述第二电机用于驱动所述第一曲柄摇杆机构的曲柄转动，所述第一曲柄摇杆机构的摇杆与所述躯干固定连接；

所述躯干上设置有第三电机，所述第三电机用于驱动所述肩部转动；

所述肩部上设置有第四电机，所述第四电机用于驱动所述第二曲柄摇杆机构的曲柄转动，所述第二曲柄摇杆机构的摇杆与手臂固定连接；

所述手臂上设置有第五电机，所述第五电机用于驱动所述球拍转动；

所述第一电机位于所述球拍的正下方，且球拍面竖直方向的直径在所述第一电机的轴线上；

所述送球系统包括送球通道，所述送球通道的出球口位于所述球拍的正上方，以使乒乓球从所述出球口送出后做自由落体运动正好经过所述球拍的中心。

2.根据权利要求1所述的乒乓球发球机器人，其特征在于，所述送球系统还包括球框、转轮和阻挡部件；所述球框与送球通道的进球口连接；在所述送球通道中设置有所述转轮，所述转轮用于为进入所述送球通道的乒乓球提供动力；所述阻挡部件设置在所述送球通道的出球口，其用于阻挡和放行乒乓球从出球口落下。

3.根据权利要求2所述的乒乓球发球机器人，其特征在于，所述转轮设置在所述送球通道靠近其进球口处，且位于所述送球通道的底端。

4.根据权利要求2所述的乒乓球发球机器人，其特征在于，所述阻挡部件采用电磁体，所述电磁体包括基体和拉杆，所述拉杆能够相对于所述基体运动；当所述电磁体处于初始状态时，所述拉杆相对于所述基体下降，挡在所述出球口，以阻挡乒乓球落下；当所述电磁体接收到发球控制信号时，所述拉杆相对于所述基体上拉，打开所述出球口，以使乒乓球能够从所述出球口落下。

5.根据权利要求1所述的乒乓球发球机器人，其特征在于，所述球拍的初始状态为：球拍面处于竖直状态，手柄处于水平状态。

6.根据权利要求1所述的乒乓球发球机器人，其特征在于，所述第一曲柄摇杆机构的曲柄的长度与所述第二曲柄摇杆机构的曲柄的长度相等，所述第一曲柄摇杆机构的摇杆的长度与所述第二曲柄摇杆机构的摇杆的长度相等。

7.一种发球方法，其特征在于，应用如权利要求1～6任一项所述的乒乓球发球机器人进行发球，其包括以下步骤：

对乒乓球发球机器人进行初始化，使得第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆均处于0°状态，使第一至第五电机均处于0°状态；球拍中心整好能够击打到从出球口自由落下的乒乓球；

乒乓球发球机器人根据用户输入的发球方向、球速和频率计算第一至第五电机的运行参数，并根据该运行参数控制第一至第五电机的运行，具体包括：

控制第一电机、第三电机和第五电机绕着各自的轴线转动到计算得到的发球位置；所述第一电机用于驱动机器人的腰部绕第一电机的轴线转动，第三电机带动乒乓球发球机器人的肩部绕第三电机的轴线转动，第五电机带动球拍绕第五电机的轴线转动；

控制第二电机的转速和第四电机的转速保持相同，以使乒乓球发球机器人的躯干的往复转动的周期与乒乓球发球机器人的手臂的往复挥动的周期相同；第二电机通过第一曲柄摇杆机构带动乒乓球发球机器人的躯干往复运动，第四电机通过第二曲柄摇杆机构带动乒乓球发球机器人的手臂往复挥动；

控制第一电机、第三电机和第五电机保持不动，第二电机和第四电机转动，并对应驱动第一曲柄摇杆机构和第二曲柄摇杆机构转动；

控制阻挡部件在t₁-t₂时刻对乒乓球放行，使得乒乓球能够从出球口落下，其中，t₁表示第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆从发球位置到复位所用的时间，t₂表示乒乓球从出球口自由落体到球拍中心处的时间；

第一曲柄摇杆机构的摇杆和第二曲柄摇杆机构的摇杆击打到乒乓球后继续运动，经过一个往复摆动的运动过程后回到发球状态，继续进行下一个发球循环。

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