CN202113572U

CN202113572U - 网球挥拍机械手

Info

Publication number: CN202113572U
Application number: CN2011202347564U
Authority: CN
Inventors: 韩良; 张晓坤; 刘鸣洲; 柳懿麟; 应弘辉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2021-07-06

Abstract

本实用新型公开了一种网球挥拍机械手，包括：球拍夹持机构，腰部转动机构，重心升降机构，肩部转动机构和肘部转动机构，在腰部转动机构上设有重心升降机构，在重心升降机构上设有肩部转动机构和肘部转动机构，在肘部转动机构上设有球拍夹持机构，腰部转动机构包括基座、腰部底板和设在基座上的第一转动机构，第一转动机构由腰部电动机、第一腰部同步带轮、腰部同步带、第二腰部同步带轮及腰部轴组成，第一腰部同步带轮连接于腰部电动机的输出轴，第二腰部同步带轮与腰部轴固定连接，腰部同步带分别与第一腰部同步带轮、第二腰部同步带轮分别啮合，所述腰部底板连接于腰部轴。

Description

网球挥拍机械手

技术领域

本实用新型是关于网球发球与挥拍击球的装置，具体的说，是关于网球发球和网球挥拍动作示范、教学与学习的装置，属体育用品领域；同时本实用新型还涉及一种教学用机器人装置，特别涉及一种用于教学科研用的机械手臂，属教学用品领域；本实用新型也涉及一种娱乐用机器人，特别涉及一种用于娱乐的机械手臂，属娱乐用品领域。

背景技术

随着经济、教育的发展，生活水平的迅速提高，人们从事各种体力劳动的机会和时间大大减少，而网球运动又不断升温，越来越多的人投入到了网球大军中，网球逐渐的大众化，喜爱网球的人越来越多，尤其深受广大青年人的喜爱。

而目前国内网球球馆的设备仍存在着较大的缺陷，所使用的网球训练设备，科技含量低，价格高，易损坏，更无法模拟网球挥拍击球的各种动作，在无人指导时初学者很难获得大量有用的挥拍击球动作的感性认识及经验从某种程度上影响了初学者技战术水平的极高；同时在网球的相关研究领域尚缺乏一种模拟人挥拍击球的机械手臂，从而影响了有关人员开展一系列的网球研究工作，如对网球运动中网球飞行路线、网球的各种受力、阻抗、击球能量优化设计等的网球运动深度分析。

如今机器人在社会生产与生活中的应用越来越广泛，各高校纷纷开设有关机器人的相关课程，然而在机器人特别是机械手臂的实践教学领域缺乏一种能够向人们直观的展示机械手臂运动过程、如何通过编程来改变机械手臂的运动过程以及如何显示机械手臂在一次运动过程中所消耗能量的教学用机械手臂，学习者不能够深刻的学习机器人的相关知识；同时在现有的各种机器人比赛中，尚无一项比赛以挥拍动作、击球消耗的能量和网球飞行距离三者间的关系、通过编程控制挥拍动作来实现最佳击球效果等为主题的机器人比赛，同时也缺乏参与该类比赛的相关机器人。

另外网球训练要双人对打，运动强度大，尤其是在接发球训练方面，工作量大而且枯燥无聊，急需一种发球机来代替，而市场上销售的网球发球机多是由电动机带动摩擦轮依靠摩擦力将球挤压出去，此类设备的缺点是网球易磨损，或者是采用气动装置将球推出发球管，此类设备的缺点是噪声大且网球的旋向不易控制。

实用新型内容

本实用新型提供一种能够模拟网球正手击球动作的网球挥拍机械手，该装置利用机械手臂的力矩大，快速反应及无疲劳重复动作能力，通过执行控制装置中的程序可模拟人类正手击打网球的动作，并且可在此机械手上开展一系列的网球研究工作。该机械手还能够向人们直观的展示机械手臂运动过程，并可显示机械手臂在一次运动过程中所消耗能量，可广泛的应用于机器人教学中。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种网球挥拍机械手，包括：球拍夹持机构，腰部转动机构，重心升降机构，肩部转动机构和肘部转动机构。其特征在于，在腰部转动机构上设有重心升降机构，在重心升降机构上设有肩部转动机构和肘部转动机构，在肘部转动机构上设有球拍夹持机构。

所述的腰部转动机构包括基座、腰部底板和设在基座上的第一转动机构。所述的第一转动机构由腰部电动机、第一腰部同步带轮、腰部同步带、第二腰部同步带轮及腰部轴组成，第一腰部同步带轮连接于腰部电动机的输出轴，第二腰部同步带轮与腰部轴固定连接，腰部同步带分别与第一腰部同步带轮、第二腰部同步带轮分别啮合，所述腰部底板连接于腰部轴。

所述的重心升降机构包括升降机构和肩部底板，升降机构由直线导杆、升降电动机、第一升降同步带轮、升降同步带、第二升降同步带轮组成。升降同步带与第一升降同步带轮、第二升降同步带轮啮合，升降同步带连接于肩部底板，升降电动机设在腰部底板上，第一升降同步带轮连接于升降电动机的输出轴上，第二升降同步带轮连接于由相互连接的直线导杆、腰部底板及重心升降部上固定板构成的框架上，所述的肩部底板与直线导杆滑动连接并可沿直线导杆上下滑动。

所述的肩部转动机构包括大臂和第二转动机构，第二转动机构由肩部电动机、第一肩部同步带轮、第二肩部同步带轮、肩部同步带及肩部轴组成。肩部同步带与第一肩部同步带轮、第二肩部同步带轮啮合，第一肩部同步带轮连接于肩部电动机的输出轴上，第二肩部同步带轮固定连接于肩部轴上，所述大臂连接于肩部轴上，所述的肩部电动机设在肩部底板上。

所述的肘部转动机构包括小臂和第三转动机构，第三转动机构由肘部电动机、第一肘部同步带轮、第二肘部同步带轮、第三肘部同步带轮、第四肘部同步带轮、二级传动轴、第一肘部同步带、第二肘部同步带、肘部轴组成。第一肘部同步带与第一肘部同步带轮、第二肘部同步带轮啮合，第一肘部同步带轮连接于肘部电动机输出轴上，第二肘部同步带轮和第三肘部同步带轮均固定连接于二级传动轴上，第二肘部同步带与第三肘部同步带轮、第四肘部同步带轮啮合，第四肘部同步带轮固定连接于肘部轴上，所述的小臂连接于肘部轴上，所述的肘部电动机设在肩部底板上。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1. 该机械手可以模拟网球正手击球动作，实现不同的挥拍动作，让人们充分认识到不同挥拍动作所产生的不同效果，这样人们在练习网球时就会主动练习标准挥拍动作，初学者在观看模拟动作之后可有效避免在学习过程中走弯路，较为迅速提高初学者的技战术水平。

2. 可在此机械手上开展一系列的网球研究工作，如对网球运动中网球飞行路线、网球的各种受力、阻抗、击球能量优化设计等的网球运动深度分析。

3. 该机械手能够向人们直观的展示机械手臂运动过程，也可通过编程来改变机械手臂的运动过程，还可显示机械手臂在一次运动过程中所消耗能量，可广泛的应用于机器人教学中，学习者能够深刻的学习机器人的相关知识。

4. 通过举办一系列的机器人比赛，例如以挥拍动作、击球消耗的能量和网球飞行距离三者间的关系、通过编程控制挥拍动作来实现最佳击球效果等为主题的比赛，可以激发广大同学积极参与机器人实践的热情，同时在比赛的过程中也大力普及了机器人、编程等方面的相关知识。

5. 该机械手提供了一种新的网球发球方法即通过机械手臂夹持网球拍击打释球装置释放出的网球来实现发球，通过编程控制机械手臂的运行速度进而可以改变网球的发球速度，通过调整球拍的姿势进而可以改变网球的飞行方向和旋向（如上旋球、下旋球）。

附图说明

图1是网球挥拍机械手的整体外形图；

图2是图1中夹持部分的放大图；

图3是图1中肘部和肩部的放大图；

图4是图1中肩部剖视图；

图5是图1中肘部剖视图；

图6是图1中重心升降部放大图；

图7是图1中腰部放大图；

图8是图6和图7中的结构的连接方式剖视图；

图9是图6中重心升降部的上部剖视图；

图中：1.控制箱 2.电源箱 3.重心升降部上固定板 4.直线导杆 5.重心升降部同步带 6.信号电源线 7.网球 8.抛球勺 9.抛球装置底板 10.套筒 11.旋转电磁铁 12.法兰盘 13.第一肘部同步带 14.第二肘部同步带 15.大臂 16.小臂 17.圆柱销 18.紧固手柄 19.螺钉 20.锁紧环 21.夹持套筒 22.肘部编码器 23. 肩部轴 24.肩部编码器 25.腰部编码器 26.肩部同步带 27.肩部电动机 28.腰部电动机 29.腰部同步带 30.腰部底板 31.机架 32.肘部电动机 33.重心升降部编码器 34.缓冲弹簧 35.重心升降部电动机 36.腰部轴 37. 第二肩部同步带轮 38.第三肘部同步带轮 39.第二肘部同步带轮 40.肩部底板 41.二级传动轴 42.大臂连接凸台 43. 肘部轴 44.小臂连接凸台 45.第四肘部同步带轮 46.第一腰部同步带轮 47.第二腰部同步带轮 48.腰部法兰盘 49.腰部轴端盖 50.螺栓 51.第二重心升降部同步带轮 52.重心升降部轴 53.第一重心升降部同步带轮 54.第一肩部同步带轮 55.第一肘部同步带轮。

具体实施方式

所述的腰部转动机构包括基座、腰部底板30和设在基座上的第一转动机构。所述的第一转动机构由腰部电动机29、第一腰部同步带轮46、腰部同步带28、第二腰部同步带轮47及腰部轴36组成，第一腰部同步带轮46连接于腰部电动机29的输出轴，第二腰部同步带轮47与腰部轴36固定连接，腰部同步带28分别与第一腰部同步带轮46、第二腰部同步带轮47分别啮合，所述腰部底板30连接于腰部轴36。

所述的重心升降机构包括升降机构和肩部底板40，升降机构由直线导杆4、升降电动机35、第一升降同步带轮53、升降同步带5、第二升降同步带轮51组成。升降同步带5与第一升降同步带轮53、第二升降同步带轮51啮合，升降同步带5连接于肩部底板40，升降电动机35设在腰部底板30上，第一升降同步带轮53连接于升降电动机35的输出轴上，第二升降同步带轮51连接于由相互连接的直线导杆4、腰部底板30及重心升降部上固定板3构成的框架上，所述的肩部底板40与直线导杆4滑动连接并可沿直线导杆4上下滑动。

所述的肩部转动机构包括大臂15和第二转动机构，第二转动机构由肩部电动机27、第一肩部同步带轮54、第二肩部同步带轮37、肩部同步带26及肩部轴23组成。肩部同步带26与第一肩部同步带轮54、第二肩部同步带轮37啮合，第一肩部同步带轮54连接于肩部电动机27的输出轴上，第二肩部同步带轮37固定连接于肩部轴23上，所述大臂15连接于肩部轴23上，所述的肩部电动机27设在肩部底板40上。

所述的肘部转动机构包括小臂16和第三转动机构，第三转动机构由肘部电动机32、第一肘部同步带轮55、第二肘部同步带轮39、第三肘部同步带轮38、第四肘部同步带轮45、二级传动轴41、第一肘部同步带13、第二肘部同步带14、肘部轴43组成。第一肘部同步带13与第一肘部同步带轮55、第二肘部同步带轮39啮合，第一肘部同步带轮55连接于肘部电动机32输出轴上，第二肘部同步带轮39和第三肘部同步带轮38均固定连接于二级传动轴41上，第二肘部同步带14与第三肘部同步带轮38、第四肘部同步带轮45啮合，第四肘部同步带轮45固定连接于肘部轴42上，所述的小臂16连接于肘部轴43上，所述的肘部电动机32设在肩部底板40上。

所述的网球挥拍机械手的整体机构还包括机架、抛球装置、控制装置和电源装置，其特征在于：机械手臂安装在机架上，具有四个自由度（腰部转动机构、重心升降机构、肩部转动机构、肘部转动机构）；控制装置和电源装置固定于机架上；抛球装置从整体装置中分离出来，仅通过电源线和信号线与整体装置相连接，抛球装置采用抛射方式抛出网球。

所述的网球挥拍机械手，检测部分由角度传感器或位置传感器组成，既可通过支架或联轴器与机械手臂的各个运动关节相连接，也可通过支架或联轴器与电动机轴相连接。

所述机械手臂的球拍夹持机构通过凸轮夹紧机构夹持球拍。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

网球挥拍机械手主要由机架、机械手臂、抛球装置、控制装置和电源装置五大部分组成，机械手臂安装在机架上，具有四个自由度（腰部转动机构、重心升降机构、肩部转动机构、肘部转动机构），控制装置和电源装置固定于机架上，抛球装置从整体装置中分离出来，仅通过电源线信号线与整体装置相连接。

腰部安装在机架上，由腰部电动机28通过腰部同步带29带动腰部轴36旋转，重心升降部通过腰部底板30安装在腰部轴36上，腰部底板30通过腰部法兰盘48、腰部轴端盖49、螺栓50连接于第二腰部同步带轮47。进而带动重心升降部、肩部、肘部和夹持机构绕腰部转动，腰部下方安装有腰部编码器25可检测腰部的位置和速度；肩部底板40安装在直线导杆4上，并放置在套在直线导杆4上的缓冲弹簧34上。重心升降部电动机35通过重心升降部同步带5带动肩部、肘部和夹持机构沿直线导杆4做上下运动，缓冲弹簧34可起缓冲作用。重心升降部的顶部安装有重心升降部编码器33，可检测重心升降部的位置和速度。肩部安装在肩部底板40上，而大臂15一端连接大臂连接凸台42上，一端连接肘部，肩部电动机27安装在肩部底板40上，通过肩部同步带26带动第二肩部同步带轮 37转动，进而带动肩部轴23转动，进而带动大臂连接凸台42绕肩部轴23转动，从而驱动大臂15绕肩部轴23转动；大臂15的另一端连接肘部，肘部电动机32安装在肩部底板40上，通过第一肩部同步带13带动第二肩部同步带轮39转动，进而带动二级传动轴41转动，从而带动带轮第三肩部同步带轮38转动，再通过第二肩部同步带14带动第四肩部同步带轮45转动，进而带动肘部轴43转动，进而带动小臂连接凸台44绕肘部轴43转动，从而驱动小臂16绕肘部轴43转动；小臂16的另一端连接夹持部分；肩部和肘部分别安装有肩部编码器24和肘部编码器22，可检测肩部、肘部的位置和速度。腰部编码器25、肩部编码器24、肘部编码器22和重心升降部编码器33通过安装板固定在腰部、肩部、肘部和重心升降部，然后采用联轴器分别与腰部轴36、肩部轴23、肘部轴43和第二重心升降部同步带轮51的轴连接。所有电动机和编码器分别通过电源信号线与控制箱1和电源箱2连接。

夹持部分安装在腕部，作用是夹持网球拍。夹持部分主要由圆柱销17、紧固手柄18、螺钉19、锁紧环20和夹持套筒21组成。夹持套筒21用来安装网球拍手柄，其双侧开有缝隙，锁紧环套20在夹持套筒21上，螺钉19穿过锁紧环20上的小孔与圆柱销17连接在一起，圆柱销17又与紧固手柄18连接在一起，紧固手柄18与圆柱销17相连接的部分是一个凸轮，通过向下扳动紧固手柄18，致使锁紧环20的开口间隙减小，进而压紧夹持套筒21，使夹持套筒21紧紧的夹住球拍。

抛球机构从整体装置中分离出，主要由抛球装置底板9、旋转电磁铁11、法兰盘12、套筒10、抛球勺8和一根旋转轴构成，旋转电磁铁11通过安装板安装在抛球装置底板9上，再通过法兰盘12与旋转轴相连，套筒10固定在旋转轴上，抛球勺8固定在套筒10上，旋转电磁铁11通过信号电源线6与控制箱1和电源箱2连接。通电后旋转电磁铁11转动，从而带动抛球勺8将网球7抛到机械手臂所能触及的范围内，供机械手臂击打。

控制箱1主要用于装设控制装置，用于控制网球挥拍机械手的运行和显示击球过程中机械手消耗的能量。

电源箱2用于供电，可通过信号电源线与控制箱1连接。

网球挥拍机械手的整个运动过程为：

在该机械手开始运动之前先编写一个模拟人击打网球动作的程序，预先规划好机械手臂的运动轨迹和运动速度，然后将编写好的程序输入到计算机模块中。机械手开机后计算机模块开始执行程序，并依据程序中的指令并通过信号输出模块、驱动模块分别向电动机发出驱动信号，电动机开始运动后带动机械手臂按照程序预先设定的轨迹和运动速度运动，同时计算机模块不断的接收编码器传送的反馈信号，根据这些反馈信号计算机模块不断的改变驱动信号，从而改变机械手臂的运动轨迹和运动速度，从而完成挥拍的动作。

在机械手臂运行到一定位置时，计算机模块根据程序向抛球装置发出驱动信号驱动旋转电磁铁11转动，从而将网球7抛出，使网球7在空中与球拍相遇，保证机械手臂将网球7击打出去，从而完成挥拍击球的整个动作。在机械手第一次模拟时，由于初次设定的抛球时间不能保证网球7和球拍一定能够在空中相遇，机械手臂无法击打到网球7，因此抛球时间需要反复的调整，确保网球7和球拍在空中可以相遇，机械手臂可以准确无误的将网球7击打出去。

在控制装置中还可以加入测量电动机、旋转电磁铁11工作电流和工作时间的模块，可测出电动机、旋转电磁铁11工作电流和工作时间，从而计算出机械手在整个运动过程中消耗的能量。

Claims

1.一种网球挥拍机械手，包括：球拍夹持机构，腰部转动机构，重心升降机构，肩部转动机构和肘部转动机构，其特征在于，在腰部转动机构上设有重心升降机构，在重心升降机构上设有肩部转动机构和肘部转动机构，在肘部转动机构上设有球拍夹持机构，

所述的腰部转动机构包括基座、腰部底板（30）和设在基座上的第一转动机构，所述的第一转动机构由腰部电动机（29）、第一腰部同步带轮（46）、腰部同步带（28）、第二腰部同步带轮（47）及腰部轴（36）组成，第一腰部同步带轮（46）连接于腰部电动机（29）的输出轴，第二腰部同步带轮（47）与腰部轴（36）固定连接，腰部同步带（28）分别与第一腰部同步带轮（46）、第二腰部同步带轮（47）分别啮合，所述腰部底板（30）连接于腰部轴（36），

所述的重心升降机构包括升降机构和肩部底板（40），升降机构由直线导杆（4）、升降电动机（35）、第一升降同步带轮（53）、升降同步带（5）、第二升降同步带轮（51）组成，升降同步带（5）与第一升降同步带轮（53）、第二升降同步带轮（51）啮合，升降同步带（5）连接于肩部底板（40），升降电动机（35）设在腰部底板（30）上，第一升降同步带轮（53）连接于升降电动机（35）的输出轴上，第二升降同步带轮（51）连接于由相互连接的直线导杆（4）、腰部底板（30）及重心升降部上固定板（3）构成的框架上，所述的肩部底板（40）与直线导杆（4）滑动连接并可沿直线导杆（4）上下滑动，

所述的肩部转动机构包括大臂（15）和第二转动机构，第二转动机构由肩部电动机（27）、第一肩部同步带轮（54）、第二肩部同步带轮（37）、肩部同步带（26）及肩部轴（23）组成，

肩部同步带（26）与第一肩部同步带轮（54）、第二肩部同步带轮（37）啮合，第一肩部同步带轮（54）连接于肩部电动机（27）的输出轴上，第二肩部同步带轮（37）固定连接于肩部轴（23）上，所述大臂（15）连接于肩部轴（23）上，所述的肩部电动机（27）设在肩部底板（40）上，

所述的肘部转动机构包括小臂（16）和第三转动机构，第三转动机构由肘部电动机（32）、第一肘部同步带轮（55）、第二肘部同步带轮（39）、第三肘部同步带轮（38）、第四肘部同步带轮（45）、二级传动轴（41）、第一肘部同步带（13）、第二肘部同步带（14）、肘部轴（43）组成，第一肘部同步带（13）与第一肘部同步带轮（55）、第二肘部同步带轮（39）啮合，第一肘部同步带轮（55）连接于肘部电动机（32）输出轴上，第二肘部同步带轮（39）和第三肘部同步带轮（38）均固定连接于二级传动轴（41）上，第二肘部同步带（14）与第三肘部同步带轮（38）、第四肘部同步带轮（45）啮合，第四肘部同步带轮（45）固定连接于肘部轴（42）上，所述的小臂（16）连接于肘部轴（43）上，所述的肘部电动机（32）设在肩部底板（40）上。