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中國海洋大學
本科畢業(yè)設計
開題報告
題 目 網(wǎng)球自動撿球機設計
院、 系 工程學院機電工程系
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 (年級)2011
學生姓名 姜杰
學 號 080242011013
指導教師 謝迎春
教務處制表
2015 年 4 月 2 日
一、選題依據(jù)
課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學術價值或實際應用價值
1、課題來源、選題依據(jù)和背景情況。
本課題為教師自擬課題。
根據(jù)國際機器人聯(lián)合會 (International Federation of Rob otics, IFR)發(fā)布的2014年服務機器人研究報告，2013年個人和家用服務機器人銷量大約為四百萬臺，比2012年增長28%，市場規(guī)模約為17億美元。據(jù)估計，將有3100萬臺個人服務機器人于2014至2017年之間售出，這也就意味著服務機器人在這一領域將有持續(xù)而強勁的增長。
可見機器人將越來越多的走進日常生活當中，而網(wǎng)球運動正在全世界范圍內得到越來越多的關注和喜愛，但是網(wǎng)球愛好者，特別是運動員在進行網(wǎng)球訓練的時候，要頻繁撿起散落在很大范圍內的網(wǎng)球是一件耗時耗力的工作，每個人都不可能像專業(yè)運動員一樣擁有自己的球童，而具有高效、全自動撿球功能的機器可廣泛應用于各種類型的網(wǎng)球練習場地，為人們進行網(wǎng)球訓練提供便利和節(jié)省時間。因此網(wǎng)球訓練迫切地需求自動撿球機器人來輔助。
2、課題研究目的、實際應用價值
據(jù)中國網(wǎng)球協(xié)會官方最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2008 年，憑借鄭潔溫網(wǎng)殺入四強和李娜的奧運會四強，國人網(wǎng)球熱情空前高漲。中國網(wǎng)球人口已突破 800 萬。而隨著李娜法網(wǎng)捧杯，WTA官網(wǎng)甚至認為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加 3 億網(wǎng)球人口。由此可分析，我國的網(wǎng)球運動必將蒸蒸日上，市場上對網(wǎng)球撿球機的需求也會直線增加。
本課題的主要研究目的是本項設計主要目的是開發(fā)一種網(wǎng)球自動撿球機，解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并同時具有高效率和無遺漏的特點。
二、文獻綜述
國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻
國內外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動態(tài)
隨著網(wǎng)球這種高強度遠動的普及，越來越多的人參與其中，但對于普通運動者來說，不可能有球童負責為其撿球，遍布全場的網(wǎng)球揀起來實在是件累人、費時的事，針對這一現(xiàn)狀，網(wǎng)球場撿球機器人應運而生[1]。
目前網(wǎng)球撿球機構較少，較為經(jīng)濟的網(wǎng)球撿球機多以人工操作為主，又有圓筒式、滾筒網(wǎng)狀式和籃筐式等用彈性條狀材料制作，其間距略小于網(wǎng)球直徑，用力壓下或者滾過球身時將球壓進筒或筐中。
網(wǎng)球筐和網(wǎng)球筒是早期提出的方案，有的機構已經(jīng)做出了產(chǎn)品。這類機構一般都十分簡練實用，但效率一般較低，人工參與的比較多。市場上已經(jīng)存在不同種類的網(wǎng)球撿球籃(如圖1、圖2所示)和撿球筒(如圖3、圖4所示)，都是通過人工操作實現(xiàn)的。但是這種撿球機構不能適應網(wǎng)球的直徑變化；可能出現(xiàn)“卡球”現(xiàn)象；對網(wǎng)球的傷害較大，減少了網(wǎng)球的使用壽命；不能夠撿拾網(wǎng)球場邊緣的網(wǎng)球，而且對網(wǎng)球場地有一定的損傷。
圖2 網(wǎng)球筐2
圖1 網(wǎng)球筐1
圖4 撿球筒2
圖3 撿球筒1
網(wǎng)球撿球筒的結構更為簡單， 主要由收集筒、手柄和進口閥彈簧組成。收集筒用于存儲收集到的網(wǎng)球；手柄便于操作；而進口閥彈簧保證了網(wǎng)球的單向通過，使已經(jīng)撿起的網(wǎng)球不會掉落。這種撿球機構簡單方便，成本低，但存在不少缺點。與網(wǎng)球筐一樣，對網(wǎng)球傷害較大；撿球時作用相對較少，需要人工尋找對準網(wǎng)球，實際上只是減少一個彎腰的動作；效率極低，一次只能撿一個球，存儲球的數(shù)量也十分有限；隨著撿球數(shù)量的增加，撿球難度也增大[2]。
目前市場上還出現(xiàn)了一類手推式網(wǎng)球撿球車。此類撿球車為半自動式，需要有人操作。它體積大且重，相對于智能化撿球機比較笨拙，既浪費空間，又影響訓練人員打球，還需要人工操作，相對于智能化撿球機浪費了不必要的時間與體力。而且，此類撿球車只適用于地上球較多的情況，它的適用環(huán)境較局限[4]。
圖5 自動網(wǎng)球撿球機
圖5是一種自動網(wǎng)球撿球機，該遙控自動網(wǎng)球拾球機主要組成包括車體、拾球滾筒、儲球箱、驅動輪、萬向輪、傳動齒輪組、傳感器、電路板、電池和拉桿式推把等部件。其工作原理為：采用后輪驅動，左、右驅動輪由兩個電動機分別帶動，前輪是萬向輪， 起支撐的作用，共同實現(xiàn)拾球機前進、轉彎及后退等動作。萬向輪轉動時通過傳動齒輪組帶動拾球滾筒[5]，傳動齒輪組與萬向輪之間是采用單向推力軸承聯(lián)接， 保證了拾球滾筒在前進時轉動而自動拾球, 而在后退時停轉以防止?jié)L 筒反轉將網(wǎng)球帶出箱外[6]。 拾到的網(wǎng)球暫時存放在儲球箱中，儲球箱設計為抽屜式結構，可隨時安放和取出。拉桿式推把可根據(jù)拾球人員身高的變化而相應地調節(jié)長度，推把長度的范圍在70～120cm，該結構非常靈活。結構設計考慮到傳感器的安裝， 用于避障檢測用的兩對紅外反射式傳感器分別安裝在前面左、右兩端，三對紅外對射式傳感 器安裝在儲球箱的上部內側。電路板和電池是拾球機的控制系統(tǒng)，控制著其他部件的動作[4]。
目前較先進的拾球器是全自動拾球機，采用機械臂和圖象識別等高科技，不需人工操作，可以完全自動拾球，但效率低，每次只能拾起一個球，且結構非常復雜， 成本相當高，不容易推廣[3]。
國外的自動撿球機構也較少,大部分常見的都是半自動人工參與的,如圖6,7均為手動式撿球機[7,8]，這兩款撿球機與上述國內撿球機比較類似，純手動操控，機構簡單，操作方便，價格低廉，但人性化不足。
圖7 國外撿球機2
圖6 國外撿球機1
圖9 國外撿球機4
圖8 國外撿球機3
圖8和圖9為國外的半自動撿球機[10,11]，其結構復雜，造價成本高，體積較大，占空間，操作簡單，撿球效率高，但不能自主完成撿球過程，需要人的輔助，綜合來說需要改進的部分較多。
除此之外，關于乒乓球撿球機的研究也比較多，由于乒乓球與網(wǎng)球結構上比較相似，同時為了拓展視野，我也對乒乓球撿球機進行了相關的調研。
乒乓球的直徑為40mm，質量為2.7g，具有體積小、質量輕的特點，特別適合吸力裝置吸取。風扇在轉動時，抽風的一端會形成負壓;如果將一個管道與風扇的抽風面相連接，則在風扇的作用下，管道內的氣壓將小于管道外的大氣壓， 管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進管道里[11]。利用這個原理制作的撿乒乓球機如圖10所示。
圖10 乒乓球撿球機器人1
再有一種就是“收割式”撿球機，該方案撿球效果好且設計與制造方便，機械傳動鏈少，造價低。其設計圖如圖11所示。其工作原理為：人手握可調節(jié)的推桿以正常行走速度向有散落乒乓球的區(qū)域走動，帶動撿球機的驅動輪轉動，驅動輪又帶動葉輪轉臂轉動，通過葉輪齒片將乒乓球劃入撿球機內，過擋球板，進入可方便拆卸的儲球盒內，實現(xiàn)了散落滿地乒乓球的撿拾工作[12]。
圖11 乒乓球撿球機2
相對于體積小，質量輕的乒乓球，高爾夫球與網(wǎng)球更為接近，在此，我還查找了有關高爾夫球撿球機的相關資料。
由于高爾夫球場面積廣，對撿球機器人的需求并不高，因此只有較為簡單的撿球裝置，如圖12所示[13]：
圖12 高爾夫撿球器
網(wǎng)球撿球機的需求量很大，國內外相關設計也不少。本設計主要工作是通過對不同撿球機功能、特點、和相關參數(shù)進行分析后，得到設計撿球機的關鍵技術問題，從而對現(xiàn)有的設計方法加以改進，設計出一種更加高效、智能、防卡球現(xiàn)象的自動撿球機。
參考文獻
[1] 席澤生. 網(wǎng)球場撿球機器人系統(tǒng)設計[J].電氣與自動化,2012,,41(2):140-141
[2] 韓良，王德彬，龔煥.智能網(wǎng)球車的研制[J].機電技術，2011，2:49-54
[3] 呂騰飛，陸麗等.智能網(wǎng)球撿球機的研制[J].電子世界
[4] 盧飛躍，劉志鋒.遙控自動網(wǎng)球拾球機的研制[J].機電工程技術，2010,39(06):86-89
[5] 王侃，楊秀梅.網(wǎng)球訓練場拾球機的設計[A].第十二屆全國機械設計協(xié)會，2006
[6] 胡利永，章磊，鄭堤，等.落葉清掃機器人的研制[J].機電工程，2009,26(10):96-98
[7] Tennis Ball Pick-up and Storage Device[P].US:US 20020151390A1,oct.17,2002
[8] Ball-picking Device[P].US:US006481768B1,Nov.19,2002
[9] Tennis Ball Pick-up Cart[P].US:US 20140294547A1,Oct.2,2014
[10] Tennis Ball Collection Device[P].US:US008920101132,Dec.30,2014
[11] 許東偉，劉建群，林淦.乒乓球撿球機器人的設計與實現(xiàn)[J].機床與液壓，2014,42(3):16-19
[12] 朱建，安必勝，朱向楠.乒乓球撿球機的創(chuàng)新設計與感悟[J].工程技術與應用，2011,8(1):34-36
[13] Golf Ball Pick-up Device[P].US:US007165796B1,Jan.23,2007
三、研究內容
1． 學術構想與思路；主要研究內容及擬解決的關鍵問題（或技術）
隨著我國網(wǎng)球運動的不斷普及，越來越多的人開始參與到其中，網(wǎng)球訓練中網(wǎng)球的使用數(shù)量會很多，基本上會布滿整個網(wǎng)球場，這時撿球便成為一件令人頭疼的事，因此設計一款結構簡單，價格實惠，能夠快速撿起網(wǎng)球的網(wǎng)球機器人的需求也日益增長。
本課題的主要研究內容：設計一款高效的網(wǎng)球自動撿球機，解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并具有高效率和無遺漏的特點。
擬解決的關鍵問題有：
（1） 撿球方式的選擇；
（2） 傳動方式的選擇；
（3） 行走速度分析；
（4） 球道數(shù)選擇。
2．擬采取的研究方法、技術路線、實施方案及可行性分析
研究方法：
利用文獻調研和市場調查對市場上已有產(chǎn)品進行分析，比選實現(xiàn)本課題目標的最佳技術途徑和機械機構方案，以此為基礎，完成零件和整機的圖紙設計。
技術路線：
確立設計背景
期刊檢索
市場調研
專利檢索
修改完善
初步設計
原理設計
強度校核
結構草圖
裝配圖
零件圖
設計說明書
實施方案：
（1） 查閱相關的文獻資料，了解相關設計方案及原理；
（2） 撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計；
（3） 撿球機零部件參數(shù)計算，以及選?。?
（4） 撿球機三維圖及二維CAD圖紙繪制；
（5） 撰寫畢業(yè)論文。
可行性分析：
目前關于網(wǎng)球撿球機的研究也很多，這些研究做出的撿球機均可以實現(xiàn)，并可以輕松完成撿球任務，因此只要參照現(xiàn)有的設計方案的原理以及結構形式，并加以計算、改進，一套可行的新的設計方案是完全可以實現(xiàn)的。
四、論文（設計）進度安排
起止時間
主要內容
預期目標
3.9－3.22
3.23－4.5
4.6－4.19
4.20-5.15
5.16至月底
查閱相關資料，撰寫文獻綜述，翻譯外文資料，完成開題報告的撰寫
完成撿球機機械系統(tǒng)運動方案設計
撿球機的總體結構設計和標準件選型
完成撿球機裝配圖和主要零部件圖的繪制
撰寫畢業(yè)論文
了解現(xiàn)有網(wǎng)球撿球機構造，和國內外發(fā)展現(xiàn)狀
完成初步方案設計
完成結構草圖設計
完成裝配圖和零件圖
完成整個畢業(yè)設計
五、審核意見
導師意見
導師簽字:
年 月 日
審核小組意見
審核小組成員簽字：
年 月 日
11