捡网球机器人

篇一：智能网球拾取机器人的市场分析

智能网球拾取机器人的市场分析

作者：唐莹

来源：《职业·中旬》2012年第06期

日本机器人协会的调查报告显示，工业机器人未来的成长空间已经十分有限，反观服务机器人将有大幅成长。虽然各种统计数据对机器人的种类划分不是很统一，导致预测结果有差异，但都表明了服务机器人未来良好的发展态势。

近年来在机器人领域，一种全新的、有蓬勃生命力的自主机器人已经出现并且迅速发展起来，这便是智能服务机器人。智能服务机器人是一种半自主或全自主的机器人，按照应用环境的分类，它同军用机器人、娱乐机器人、水下机器人等共同划分到不同于工业机器人的特种机器人行列。

一、如何识别竞争者

智能捡球机器人的竞争者有两类：一类是替代品——球童，另一类是潜在竞争者——高校及国家科研机构、大型国有机械自动化公司、中小型智能机器人企业、外资机器人。表1为创睿智能网球机器人有限公司根据替代品竞争者与潜能竞争者的对比，对两者做出优劣分析。

二、应对策略

集中化策略：集中一切资源迅速占领“智能网球拾取机器人”细分市场，提升市场份额，满足该细分市场的需求，能够通过提供附加值而得到高利润和快速增长；产品差异化策略:不断提高技术创新，开发新产品，以差异化产品开拓新市场，提高企业市场占有率。

三、需求分析

目前，国内还没有专门从事智能网球拾取机器人的服务及产品，属于有待开发的市场。我国现有网球场约85475所，网球运动人口864万，且运动人口数量每年以10%～12%的速度增长，市场潜力巨大。目前市场上存在的专门从事网球捡球的球童数量较少，且人员素质较差，多为网球场临时雇佣工作。据调查，球童工资为7元／每小时，年收入约为6120元，而一般智能网球拾取机器人价格约5000元／台。网球场引进这种智能机器人产品，既节省开支，也满足了网球爱好者对时尚的追求。

四、影响顾客购买的因素

品牌是服务型公司的生命线，在网球行业也同样如此。由于网球相关服务行业属于服务性行业，服务质量直接影响企业的名声和经济效益。因此在选择其服务提供商时往往特别注重公司的品牌，并将公司的品牌看作衡量公司技术实力、服务水平的核心标准。

网球行业属于贵族消费，其提供的服务应该与时尚、潮流、新奇、相挂钩才能打动消费者。提供智能机器人服务的公司拥有的受到消费者较高认可的创新技术，是该公司免费的广告招牌。因此，公司技术背景雄厚的服务提供商往往是企业的首选合作对象。

五、SWOT分析及对策

运用SWOT对企业内部因素的优势和劣势按一定标准进行评价，并与环境中的机会和威胁结合起来权衡抉择，将促使内部环境与外部环境协调平衡，扬长避短，趋利避害，牢牢把握住对企业最适宜的机会。

六、市场选择及定位

1.市场细分

市场细分，即以顾客需求的特征为依据，区分具有不同需求的顾客群体。网球行业是一个高消费群体的服务行业。其客户追求的是时尚、新奇、舒适、高度社会认可的消费者感知价值。对于不同的实力的企业规模，提供的服务质量有所差距，客户的消费水平不同，获得的感知价值也不同。

2.目标市场

在最终确定目标市场选择之前，企业需要进行目标市场评估，以证明其市场可行。

第一阶段的目标市场：网球高消费场所。高消费场所，其客户属于高消费、高感知要求、高质量要求人群，他们对服务的要求及对新事物的接受能力及欲望较强，初期易于进入。智能机器人产品属于高科技产品，现有市场上的供应情况还处于空白，并且产品性价比极为突出，高消费场所购买这一产品后能有效的提高场所的服务创新能力，为客户带来高质量的消费享受。

第二阶段目标市场：所有类别网球消费场所。企业不断地“开疆辟土”，影响力不断上升，产品线不断加长，为智能机器人产品打入网球消费市场做足准备。一方面，网球运动本身属于时尚、“贵族”体育项目，消费人群收入普遍较高；另一方面，随着技术的不断进步，产品的不断更新换代，存在价格差异，适合不同人群消费，产品可以在市场形成竞争力；而对于国内来说，网球的普及率越来越高，越来越快，国内市场将以惊人的速度增长，企业要想长久发展，就必须进入国内市场。因此，创睿智能网球机器人有限公司积极争取在第二阶段打入国内市场，应用差异化竞争策略来扩大市场份额。随着公司产品的更新换代，产品性能的提高和增强，通过在中小煤矿企业的的实践积累及改进，创睿智能网球机器人有限公司的产品逐渐走向尖端化和精准化，将扭转竞争者和替代品对大型煤矿企业供需稳定的局面。

3.不同阶段目标市场的选择

第一，市场导入期阶段(2012年)——立足湖北，开拓五大一线城市

创睿智能网球机器人有限公司将目标客户群定位于湖北及全国五大一线城市的网球高消费场所，同时在这几个省市开拓市场，推广产品，并且将湖北及全国五大一线城市（北京、上海、广州、天津、深圳）选为初期的目标市场，主要基于以下几方面的考虑：

一是五大一线城市，经济发达，人均收入及消费水平高，网球运动普及率高，高消费场所多。

二是湖北省是李娜的故乡，可以利用李娜效应，快速在湖北开拓市场。

第二，市场成长期阶段（2013—2015年）——“辐射全国”高级网球消费场所。

进入成长期以后，市场将从湖北及全国五大一线城市辐射到全国，公司的目的在于扩宽产品市场，挖掘潜在目标客户群，扩大产品适用范围、丰富产品型号、扩大产品兼容性，逐步将产品扩展到体育行业的各个层面。同时，加强技术研发升级力度，使产品能够运用于其他行业，如预警机器人等。

第三，市场成熟期阶段（2016—2021年）——抢占市场，在全国范围内全面进入。

进入成熟期后，公司产品准备在全国范围全面进入市场。随着公司市场份额的不断提升，公司产品的知名度不断提高，产品不断升级，公司的综合实力不断加大，并且增强了公司的竞争能力。

篇二：自动捡球机器人机械结构设计

目 录

1绪论.............................................................................................................1

1.1背景......................................................................................................2

1.2 本课题研究的内容..............................................................................2

1.3 论文的构成..........................................................................................

2 总体设计方案.............................................................................................2

2.1 行走方式..............................................................................................2

2.1.1 路线规划…………………………………………………………2

2.2 捡球方式..............................................................................................4

2.3 驱动和转向的方式.............................................................................4

2.4 主体材料的选择.................................................................................5

3 结构的设计................................................................................................5

3.1 驱动机构..............................................................................................5

3.1.1 电源的选择.......................................................................................5

3.1.2 电机的选择.......................................................................................6

3.1.3 车轮的确定......................................................................................7

3.1.4 驱动装置...........................................................................................8

3.2 捡球机构..............................................................................................8

3.2.1 捡球的总装置...................................................................................9

4 机器人的传感器.........................................................................................9

4.1 颜色传感器…………………………………………………………10

4.2 红外传感器（光分子探测器）…………………………………… 10

4.3 红外传感器（距离传感器）……………………………………….10

4.4 光电计数器…………………………………………………………………….10

5 设计的总效果与工作过程.........................................................................11

5.1 设计的总效果......................................................................................11

5.2 工作过程..............................................................................................12

6.经济分析报告………………………………………………………………13

1 绪论

1.1 背景

机器人是一个自动执行某种动作的机械装置，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编制的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。现在，机器人在各行各业中，都有着广泛的应用，例如制造业、建筑业，或是其它危险性的工作[1]。

要想设计出一个机器人，就必须要具备以下这些方面的能力。第一，电子学基础。这部分内容包括模拟电路和数字电路理论，要学习电阻、电容器、晶体管以及其他普通电子元器件等基础知识。第二，编程基础。先进的机器人都使用计算机或微处理器（例如单片机）来控制自己运动的，这就需要靠编程来实现。第三，机械基础。机器人也是一台机器，要靠运动来完成任务。要想设计一个机器人这就

需要设计一些相应运动的机械机构。

随着计算机技术和人工智能技术的高速发展，机器人在功能和技术上都取得了很大的提高。现在，即使在严峻的经济形势下，仍有很多面向各个新应用领域的机器人不断涌现出来。目前，机器人应用率的快速增长并非仅仅是一时的狂热，而是社会发展的必然趋势。许多枯燥、肮脏和危险的工作最终将由机器人代替人工来完成。随着机器人技术的高速发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起。社会在不断地发展，对机器人的要求也越来越高[2]。

目前，我国也正掀起一股机器人的热潮。我国机器人的技术也取得了很大的进步。我国的机器人技术大致有如下发展趋势：（1）智能化。智能化不仅是对机器人系统的要求，也是对工作环境的要求。智能化的发展趋势，有效地提高机器人工作的效率和使用性能。（2）标准化和模块化。我国还没有统一的机器人标准。统一的标准和平台能够大大减少应用软件厂商的成本，并能优化服务机器人领域的体系结构，规范中间件，实现模块化[3]。

1. 2 本课题研究的内容

置自动识别并接收到运动员发出的捡网球命令后，采用图像识别技术自动识别网球落下的方位。然后，对网球的位置分布作一个最优的行程判断，再走到每个球落下的地方。最后，将网球捡起来，放进存放腔中。当机器人接收到由运动员发出送球指令后，再自动地把网球送到指定点，完成自动捡网球的一个工作流程。 本论文，主要涉及到的是机械结构部分的设计，采用3D软件构建出机器人的模型，并且对各个设计出的运动机构进行分析说明。

1.3 论文的构成

本论文主要分为以下几部分。第一部分，总体方案的设计。主要介绍设计的自动捡球机器人的基本构造、捡球的方法、驱动方式和主体制造材料的选择。第二部分，各运动机构的详细设计和各部分机构的工作原理，并对各个设计的机构进行简单的分析。第三部分，主要简单地介绍安装在自动捡球机器人的传感器和导航系统。第四部分，主要是对这几个月以来，做毕业设计的一些总结和心得体会。

2 总体设计方案

2.1 行走方式 机器人行走机构的分类和各类的特点

行走方式 特点

轮式 最适合平地行走，安装简单，方便

履带式 可以在有些凸凹的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。

行走式 机器人的重心落在脚掌上，它一方面要取得准静态平衡，另一方面要稳定步行。因此，它的控制比较复杂。

由于网球赛场一般都比较宽敞，且地面比较平整，所以选择轮式会比较合理。并且，轮式的机器人设计和制作的过程相对其它类型的机器人较为简单，在控制系统的设计方面的处理也比较容易。

2.1.1 路径规划研究现状

路径规划方法有：可视图法、栅格法、人工势场法以及模糊逻辑控制方法等。随着研究的发展，路径规划系统的控制目标和控制方法都产生了很大变化。 研究初期，路径规划系统的控制目标为系统的最优性。例如行驶路程最短，耗时最少等。路径规划一般采用经典控制方法。经典控制方法基于系统状态方程，其算法表现出高度的精确性。这种路径规划方式有许多局限性。由于小车在行驶过程中，环境往往存在许多未知因素，因此很难用精确的数学模型来描述这一过程。即使拥有精确的环境地图能够规划出最优行驶轨迹，由于AGV运动系统和路面状况的复杂性等原因，也很难控制车辆按理想轨迹行驶。此外，基于状态方程的精确控制方法在面对复杂系统时计算量巨大，这会导致消耗大量系统软硬件资源，影响系统实时性。随着研究的深入，人们逐渐

认识到机器人对环境的“适应性”相对“最优性”而言是更为基础， 规划目标：

控制方法：

经典控制方法

最优性

人工智能 实时性，智能性，自适应性

更为重要的指标。因此系统的设计目标开始朝着实时性、智能性、自适应性方向发展。系统的控制方法则朝着人工智能方向发展。人工智能技术涵盖面很广，它的研究目标是使机器能拥有类人的智能。目前，AGV路径规划问题上涉及最多人工智能技术是遗传算法、神经网络和模糊控制技术。 遗传算法以自然遗传机制和自然选择等生物进化理论为基础,构造一类随机化搜索算法。它利用选择、交叉和变异来培养控制机构的计算程序,在某种程度上对生物进化过程做数学方式的模拟。它不要求适应度函数是可导或连续的,而只要求适应度函数为正,同时作为并行算法,它的隐并行性适用于全局搜索。多数优化算法都是单点搜索算法,很容易陷入局部最优。而遗传算法却是一种多点搜索算法,因而更有可能搜索到全局最优解。由于遗传算法的整体搜索策略和优化计算不依赖于梯度信息,所以解决了一些其它优化算法无法解决的问题。遗传算法的缺点是运算速度不快,进化众多的规划要占据较大的存储空间和运算时间。 神经网络和模糊技术都是模拟人类智能的技术。但是它们分属两个截然不同的研究领域。模糊技术从人的思维外特性，即语言和对世界认识的概念上去模仿人类智能，而神经网络则是从人脑的物理结构上去研究人类智慧的产生和形成。两者机理不同，特点不同，但殊途同归都从不同程度上构造了具有一定人类智能特性的控制系统。 神经网络模拟了人脑神经元活动的过程，它具有并行化、自组织、自学习等特点。利用神经网络可对小车的行驶行为和环境进行学

习，从而使得小车具有自主行驶能力。模糊技术具有人类智能的模糊性和推理能力。 它可将人的经验融入控制中，从而提高系统的鲁棒性和自适应性。在路径规划中，模糊推理的应用主要体现在基于行为的导航方式上。所谓基于行为的导航，就是将机器人的运动过程分解为避障、边界跟踪、调速、目标制导等基

本行为,各基本行为的激活由不同的机构分别控制，机器人的最终操作由高层控制机构对基本行为进行平衡后作出综合反应。传感器数据用模糊逻辑进行融合后，可以确定是否激发低层行为，然后再利用模糊推理对存在冲突的低层行为进行优先权判别，从而决定实际操作。模糊控制方法将信息获取和模糊推理过程有机结合，从控制目标上看，它以自适应性取代最优性，从控制手法上看它以模糊性取代精确性。这种控制方法的优点在于不依赖机器人的动力学、运动学模型，系统控制融入了人类经验，同时计算量小，构成方法较为简单，节省系统资源，实时性好。

2.2 捡球方式 对于捡球方式有两种方案。

第一种方法就是设计一个机械手，直接将乒乓球抓取，并且将乒乓球放到存放腔中，比较复杂而且效力太低了。

另一种方法就是扫入机器人身上，特点简单快捷高效。因此，捡球的方式选用这个方式。

2.3 驱动和转向的方式 机器人采用24V/380转 60瓦 RE30 瑞士大功率空心杯电机/伺服电机/马达，并且用前轮驱动、后轮导向方式。导向采用的是万向轮，万向轮可以由厂家直接生产制造出来，不必另外设计，而且比较容易获得，使用起来也比较方便。导向轮安装在脚轮轮子的支架能在动载或者静载中水平360度旋转，起到导向的作用

用以实现机器人转向的方法有很多。常用到的有以下几种：

（1）差动型转向。对于轮式和履带式机器人的转向来说，差动法是最为常用的方法。当转向时，机器人一侧的轮子或履带停止前进或反向运动，另一侧的则继续向前运动，从而使机器人向轮子或履带停止或反向运动的一侧转向。

（2）汽车型转向。汽车型转向虽然没有差动型转向的机动性好，但它适用于室外路况，特别是不平坦的路面。采用此种转向方式的机器人转向圆圆心是在轮子的外侧，而不是在两轮之间，因此可以获得更大一些的牵引力。

（3）三轮车型转向。差动型转向的最大缺点就是当驱动机器人两侧车轮的电机中一个速度略微慢一点，机器人所行进的路径就会变成曲线。使用三轮车型转向的机器人，必须合格证其用于转向的电机定位，否则无法保证机器人能进行直线运动。

（4）全方位型转向。这种方式要求机器人具备三个具备转向功能的驱动轮，而这些车轮需要两个电机，一个用于转向，另一个用于驱动车轮运转。全方位机器人有很强的灵活性，并且转向准确，但技术实现比较困难[2]。

本设计主要采用差动方式进行转向。在机器人的两侧在相对应位置各安装一个相同的电机，分别驱动两个车轮，并且实现差动驱动。机器人的两个轮子以相等的速度和相同的方向转动时，可以实现机器人的向前和向后的运动；当左轮停转或者反转时，可以实现机器人的左转向；当右轮停转或者反转时，可实现机器人的右转向；当两轮以相同速率地正转或者反向转动时，机器人将会原地转向，从而实现机器人的原地左转或者原地右转。

综上可知，设计的整个机器人总共需要三个轮子。装在前面的两个车轮是驱动轮，起到驱动的作用，并且两轮独立驱动。装在后面一个轮是万向轮，起到导向的作用。

2.4 主体材料的选择 制作机器人常用的材料主要有以下几种。

(来自:WWw.SmhaiDa.com 海达范文网:捡网球机器人)

（1）木材。选用木材的最大优点是它的价格低廉，加工方便，可直接用手工锯进行加工。但是，它在零件接头的地方比较容易损坏，而且比较容易磨损。

（2）塑料。塑料的种类较多，可以根据机器人不同的功能，选择出不同的塑料。这主要有以下三种塑料可以选择。第一，热固性塑料。这种塑料较坚硬。它只能通过切削来定型，它一般用于硬塑料玩具、电器产品和其他对结构强度有一定要求的产品中。第二，弹性塑料。它具有很高的弹性，它和热固性塑料一样，不能通过加热的方法来定型。第三，热塑性塑料。它可以作不同用途、不同厚度的材料使用。常用的塑料材料有ABS（丙烯腈-丁二烯）、丙烯酸塑料、纤维素塑料、环氧树脂、尼龙、酚醛塑料、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚亚氨酯、PVC（聚氯乙烯）、硅树脂。

（3）金属材料。这种材料的强度较大，而且来源广泛，通常选用碳钢和铝合金。选用这种材料一个是加工简单，便宜，本设计中只要用到了钣金加工，CNC加工。

（4）有机玻璃。这种材料比较难获得，而且价格相对其它材料也比较昂贵[1]。 由于制作的自动捡球机器人体积较小，要求的重量也较轻。因此，主体的制造材料选为环氧树脂塑料。该材料是一种非常耐用而且干净的塑料，通常用作玻璃纤维的黏合剂。它在大多数情况下成液态，被用于灌注到别的零件或者玻璃纤维基体上。干燥后，环氧树脂可以切割、钻孔和抛光。

因此，选该塑料和钣金作为机器人的主体材料比较合适。

3 结构的设计

3.1 驱动机构

3.1.1 电源的选择

机器人常用的电池有以下几种类型。

（1）干电池。由于干电池属于一次性使用的，成本也相对较高，并且干电池的内阻一般都比较大。因此，当负载比较大的时候，电压会下降得很厉害，无法实现大电流的连续工作。因此，干电池并不是机器人系统的理想电源。

（2）铅酸蓄电池。它的最大的特点是价格较低、过充电的承受能力受强，大电流放电能力和可靠性高。但是，它的质量比较大，维护起来相对比较困难。

（3）镍镉/镍氢电池。它具有良好的大电流放电特性、耐过充和放电的能力强、维护简单等优势。但是，其最致命的缺点是：在充放电过程中，如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得电池容量和使用寿命大大地缩短。此外，镉是

篇三：捡球机器人开题报告

** 学 院

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目： 捡球机器人系统设计及分析

系 别：______机电工程系_________ 专 业：_____测控技术与仪器______ 姓 名：______ _****** _______ 指 导 教 师：________AAA___________ 辅 导 教 师：________$$$$$%$___________

2013年

3月31日

篇四：智能网球捡球机的研制

智能网球捡球机的研制

作者：吕腾飞等

来源：《电子世界》2013年第12期

【摘要】综述了目前国内外市面上主要网球捡球机的原理与特点，同时针对现有捡球机的不足之处设计了一款新型的智能网球捡球机。智能网球捡球机由视觉系统、驱动装置、捡球装置和中央处理器组成，以蓄电池供电，并用单片机作为控制核心对寻球机构、捡球装置进行高效集中的控制。智能网球捡球机能够完成网球的搜寻与捡取，可以方便捡拾网球场上散落的网球。它体积小，自动化程度高，能实现自动智能捡球，节省人力资源。

【关键词】捡球机；自动化；超声波；单片机；运动控制

1.引言

为了方便捡球，目前市场上出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要有人操作。人把捡球车推到需要捡起的球前，然后捡球车把球拨入车中。此类捡球机相对纯粹的人工捡球在效率上有一定的提高。

但是，这种半自动的网球捡球工具仍有不足之处。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙。既浪费空间，又影响训练人员打球，因为在它捡球的过程中运动员不方便打球。还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。如若配置专门的捡球人员则浪费了人力资源。而且，它只适用于地上球较多的情况，但是地上球多会影响运动员打球。地上球少时则没有必要用上述捡球车。因此，它的适用环境较局限，未实现捡球过程的完全自动化、智能化。

为了克服以上半自动网球捡球机的不足之处，作者研制了能够实现网球捡球过程的自动化、智能化、高效化的智能网球捡球机。智能网球捡球机由视觉系统、运动系统，捡球系统和中央处理器组成，能够检测到掉落的网球，对网球进行准确的定位，并能够准确走到网球的位置，完成捡球动作。在整个捡球过程中，智能网球捡球机独立完成寻球、行走、捡球动作，不需要人的参与。既节省了运动员的时间、体力与不必要的人力资源，又实现了捡球过程的高效、快捷。符合当今各领域产品智能化、自动化的趋势[1]。

2.智能网球捡球机的工作原理

2.1 智能网球捡球机的组成部分

智能网球捡球机设计的关键是实用性及可靠性，因而结构稳定、操作简便、维修方便、适应性强成为主要的设计口标[2]。为了满足实用性的要求，智能网球捡球机在结构上由运动系统、视觉系统、捡球部分组成，如图1所示。

该部分保证机器人在场地内自由运动，主要为框架结构，保证结构强度，在框架的两侧分别安装四个直流电动机驱动的运动轮，在同一侧的两个轮子由相同的信号控制，可实现灵活转弯且转弯半径小。每台电动机驱动一个轮子，保证了足够的动力和运动速度[3]。

2.1.2 视觉系统

本课题用超声波测距技术寻找落地的网球[4]。主要有安装捡球机两个侧方超声波测距系统，一个安装在捡球机前方的超声波测距系统，一个安装在捡球机前方较高位置的红外线测距传感器组成。其中，安装捡球机两个侧方超声波测距系统分别检测场内与场外是否有掉落的网球。当捡球机走向目标时，前方超声波测距系统用来判断捡球机是否沿正确的方向前进。当捡球机到达目标时，前方超声波测距系统与捡球机前方较高位置的红外线传感器一起用来判断目标是否为网球。

2.1.3 捡球部分

本课题用在捡球机距离球一定范围时机械手把球夹到容球装置。当小车走到距离网球预定距离是停止。此时，机械臂伸到极限位置恰好能够夹取网球。夹取网球之后，机械臂收回到极限位置，松开机械爪后，网球恰好能掉落到容球装置中。

2.2 智能网球捡球机的捡球过程综述

网球场边沿的白色界线是智能网球捡球机的巡逻线，捡球机每隔一定时间会沿着巡逻线走一圈。在巡逻过程中，位于捡球机两侧的超声波系统用来检测网球场内外是否掉落的物体。若检测到网球场上有掉落的物体，则捡球机旋转90度走向物体[5]。在走向物体的过程中，位于捡球机前方的超声波测距系统实时探测目标是否始终在其正前方，以此来修正前进路线。当捡球机到达目标位置时，若捡球机前方的超声波测距系统与捡球机前方较高位置的红外线测距传感器同时检测到目标且距离相等，则目标不是网球，捡球机回到巡逻线；若只有超声波测距系统检测到物体或两者检测到的物体距离不相等，则目标时网球，捡球机执行捡球动作后，回到巡逻线。之后，捡球机进行沿巡逻线寻球[6]。当捡球机捡球个数达到预定值时，它会到达放球地点，把已捡取的网球放下。

3.机器人的控制系统

整套系统的动力部分共有六个电动机，其中四台电动机分别驱动四个行走轮，两台电动机驱动二自由度机械臂，为了协调这几个部分，需要有一套严谨的控制系统，以此实现在行进中捡球并将球放置在指定位置[7]。

3.1 硬件系统设计

控制器的核心部分中央控制器，包含了处理器、程序下载器和电源[8]。处理器采用AT89C51。外围电路包括电机驱动电路，机械臂驱动电路，超声波模块[9]。控制系统结构如图2。

则电动机加到负载上的输出力知为，其电动机输出转速为，扭力为，可以满足要求[10]。

3.2 控制程序设计

3.2.1 捡球方案

1）路线的设定

网球场的白色边界设定为基本路线，作为巡逻线。捡球机会沿着基本路线进行寻球。当捡球机发现目标时，离开基本路线，走向目标，接近所探测到的物体。执行完捡球动作后，按原路线回到基本路线，继续寻球。

2）行走过程

作者用红外巡线传感器追踪白色界线的方法，使捡球机沿基本路线行走。当捡球机离开基本路线进行捡球工作时，电子罗盘确定捡球机前进的方向。完成捡球动作后捡球机能够根据电子罗盘的信号回到基本路线[11]。

3）网球的寻找与判断

当捡球机在基本路线行走时，安装捡球机两个侧方超声波测距系统分别检测场内与场外是否有掉落的网球。当捡球机离开基本路线，走向目标时，前方超声波测距系统用来判断捡球机是否沿正确的方向前进[12]。当捡球机到达目标时，前方超声波测距系统与捡球机前方较高位置的红外线测距传感器一起用来判断目标是否为网球[13]。

4）网球的准确定位与捡取

若目标为网球，则捡球机沿直线走向网球并在距网球适当的距离停下。同时，超声波测距传感器两侧的两个红外线测距传感器开始工作，判断网球是否位于其前方[14]。若其中一个红外线传感器检测到网球，则说明网球在捡球机前方偏左或偏右的位置，此时，机械臂伸到极限位置时，不能成功夹球。故捡球机会调整自身位置，是两个红外线测距传感器都检测不到网球，此时，网球位于捡球机正前方，机械臂伸到极限位置可以成功夹球。夹取网球之后，机械臂收回到极限位置，松开机械爪后，网球恰好能掉落到容球装置中。

3.2.2 程序流程图

4.实验

4.1 实验设计

在长23.77米（78英尺），宽8.23米（27英尺）的网球场中以及场外，随机掉落10个网球，并放置两个非网球的干扰物体。在智能网球捡球机工作过程中，观察捡球机是否能够检测到掉落的网球，是否能够准确到达目标位置，是否能够辨识出网球和非网球物体，是否能够准确地完成捡球动作，在执行完捡球动作后是否能够回到巡逻线，并记录捡球机的运行速度以及沿巡逻线行走一周所需的时间。在智能网球捡球机沿巡逻线走一圈之后，统计捡球机的捡球个数[15]。

4.2 实验结果

通过实验得出捡球机能够沿巡逻线行走，并独立的完成网球的寻找、定位、捡拾动作。经测量，捡球机的运行速度为0.5m/s，可实现原地旋转。一次装球量为10个，球场内球数少于10个时，一次运行时间约为5min。在实验过程中，捡球机成功捡拾了9个网球，准确率为90%。并且，成功辨识出了网球和非网球物体。

但在实验过程中也发现了捡球机的一些不足之处，比如，在执行捡球动作时，捡球机调整自身相对于网球的位置所需时间较长。

5.结论

本课题的研究内容是以现有网球捡球机为背景，对其进行改进和创新，对其总体设计做了相应的理论分析，使其结构尽可能简单且方便控制，为网球爱好者提供便利，满足中国市场的需要。整个捡球过程中不需要人的参与，节省了时间、体力与不必要的人力资源，实现了捡球过程的高效、快捷。符合当今各领域产品智能化、自动化的趋势。

通过以上的工作，证明智能网球捡球机的设计是完全可行的。当然，要提高捡球机的各项性能指标，解决实验中发现的不足之处，还有待于以后更深入的探讨与研究。

参考文献

[1]李学军.如何用MCS-51单片机扩展串口进行通讯[J].宁夏机械，2003（2）.

[2]周航慈.单片机应用程序设计技术（修订版）[M].北京航空航天大学出版社.

[3]宋青松，张旭东，王立贤，眭众国.MCS-96系列单片机与IBM-PC系列微机之间通讯的实现[J].电站设备自动化，2001（1）.

[4]胡萍.超声波测距仪的研制[J].计算机与现代化，2003， 7（10）：21-23.

[5]杨振江，蔡德芳.新型集成电路：使用指南与典型应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[6]张谦琳.超声波检测原理和方法[M].北京：中国科技大学出版社，1993，10.

[7]中国集成电路大全编委会.中国集成电路大全-集成运算放大器[M].北京：国防工业出版社，1985.

[8]苑洁.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计[D].华北电力大学，2012.

[9]李戈，孟祥杰，王晓华，王重秋.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学，2011，04：60-62.

[10]韩丽茹.提高超声波测距精度方法综述[J].电讯技术，2010，09：132-136.

[11]赵小强.简易的超声波测距系统[J].天津理工大学学报，2010，01：49-52.

[12]沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计[J].电子科技，2009，11：57-61.

[13]刘升平，王剑，葛红.超声波测距系统的开发与研究[J].计算机工程与应用，2009，25：78-81.

[14]刘增辉.颜色传感器技术研究进展[J].传感器技术， 2003，04（40）：55-57.

[15]Rtori S，ZHANG G X.Geometric Error Measurement and Compensation of

Machines.Annals of the CIRP.1995：599-609.

作者简介：

吕腾飞（1990—），男，河南许昌人，大学本科，现就读于上海电机学院，研究方向：自动化。

陆丽（1974—），女，上海人，博士，上海电机学院讲师，研究方向：模式识别与智能控制。

何炳林（1991—），男，四川绵阳人，大学本科，现就读于上海电机学院，研究方向：自动化。

朱晓璇（1991—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院，研究方向：自动化。

陈涛（1991—），男，上海人，大学本科，现就读于上海电机学院，研究方向：自动化。

篇五：机械原理课程设计网球自动捡球机

10360

机械原理课程设计

说明书

设计题目 网球捡球机

系 别 ：

专业（班级）：

作者（学号）：

指导教师：

完成日期：

机械与电子工程系 机械设计制造及自动化(二班) 李祥(512010120005) 张春燕 2014年 6月10日

蚌埠学院教务处制

目 录

1 设计题目···················································3

2 设计要求···················································3 3 相关产品专利与技术发展现状······························4 4 网球捡球机的工艺动作及功能分解

5 运动方案及选择

5.1 ········································6

5.2······································6

5.3

5.4 优缺点的比较及最终方案··································7 6 传动方案设计·············································8

七 机构组合 ﹑参数及运动协调设计

1 机构选用···············································8 2 机构组合···············································9 3 运动协调设计···········································9 4 设计计算···············································9 5 运动循环图·············································13

八 设计图纸················································13 久 心得体会················································13

1 设计题目

网球是一项优美而激烈的运送，盛行于全世界，内称为世界第二大球类运动。但是网球爱好者，特别是运动员在进行网球训练是时候，要平频繁捡起散落在很大范围内的网球就成为一件耗时耗力的工作。具有高效全自动捡球功能的机器可广泛用于各种类型的网球练习场地，为人们进行网球训练提供便利和节省时间。因此这次设计题目为网球自动捡球机。

2 设计要求

为了方便捡球，目前市场上出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要有人操作。人把捡球车推到需要捡起的球前，然后捡球车把球拨入车中。此类捡球机相对纯粹的人工捡球在效率上有一定的提高。

但是，这种半自动的网球捡球工具仍有不足之处。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙。既浪费空间，又影响训练人员打球，因为在它捡球的过程中运动员不方便打球。还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。如若配置专门的捡球人员则浪费了人力资源。而且，它只适用于地上球较多的情况，但是地上球多会影响运动员打球。地上球少时则没有必要用上述捡球车。因此，它的适用环境较局限，未实现捡球过程的完全自动化、智能化。

为了克服以上半自动网球捡球机的不足之处，构思一种捡球机，使其具有很高的捡球效率和多重自动控制模式，无卡求现象，无盲点等。该网球捡球机可以使网球参与者拥有更多的练球时间和休息时间

3 相关产品专利与技术发展现状

经过图书馆和网络资源查询已知，获得的有关专利与产品如下表3-1所示。

表3-1

4 网球捡球机的工艺动作及功能分解

4.1网球捡球机的工艺动作可分解为：

（1） 收到球如图（a）；

（2） 带球向上运动如图(b)；

（3） 使球进入球篮如图(c).

图（a）

图（b）

图（c）

4.2网球捡球机的功能可分解为：

（1）捡球系统；

（2）行走系统。

5 运动方案及选择

5.1 捡球系统设计

5.1.1 方案一

此方案是靠摩擦力来实现捡球收球,捡球步骤为:

(1)接触到球,如图5.1.1(a)所示。

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