智能发球机器人研究报告报告及开发项目申请报告书.docx

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智能发球机器人研究报告报告及开发项目申请报告书

附件：

申报类型：

创新团队工程

启明学院自主创新工程申报表

工程名称：

智能发球机器人研究与开发

团队名称：

华中科技大学电工电子科技创新中心

工程负责人1：

何立伟

联系：

工程负责人2：

联系：

申请资助经费：

18000元

工程执行期:

2015年5月1日至2016年5月1日

申报日期：

2015年6月4日

华中科技大学启明学院制

一、主要信息表

申报工程

申报种类

团队创新工程

学生类别

本科生

涉及学科〔专业〕

一级

机械

二级

机械制造及其自动化

一级

信息

二级

电子信息与通信

工程名称

智能发球机器人研究与开发

摘要

〔不超过200字〕

目前市场上的发球机构只能实现定点发射，不能很好的模拟实战情况。

利用SolidWorks设计仿真并用Ansys分析，设计出一种新型的可以实现快速灵活的移动和各种角度的发射的发球机构。

同时提出自由的控制方案，可以同时满足自动人为地控制。

无论从构造设计还是原理和技术层面，这都是对之前存在的发球解决方案的一次革新。

关键字

高自由度发射

智能调控

补弹装置

申请金额

18000元

起止年月

2015年2月至2016年2月

工程负责人

1

何立伟

性别

男

年龄

20

U201210579

团队

华中科技大学电工电子科技创新中心

院〔系〕

机械科学与工程学院

电子信箱

heliweihust.edu.

手机

工程负责人

2

性别

年龄

班级〔团队〕

院〔系〕

电子信箱

手机

工程指导教师

职称

院系〔团队〕

仕

高级工程师

电子电工科技创新基地

1326411371qq.

主要参加人员

学号

院系

主要任务

何立伟

U201210579

机械科学与工程学院

机械构造的设计建模仿真装配

灵钰

U201214281

光学与电子信息学院

电路硬件设计制作以及软件的编写

指导教师意见

本工程具有很高的实用性，和创新性。

工程组具备足够强的研发能力，工程组所在团队有足够强的硬件和场地资源。

工程具备足够的可行性，同意其申报。

负责人签字：

仕

2015年6月4日

申报单位意见

负责人签字〔单位公章〕：

年月日

经费预算

经费投入〔万元〕

经费支出预算〔万元〕

科目

预算

科目

预算

支出理由及计算依据

工程拨付资金

1.5

一、人员费

0.1

人员工作产生相关费用

单位自筹资金

0.5

二、管理费

其他

三、公杂费

1.邮电、通讯费

0.1

批思网筹建、网络使用费用，各子工程通讯费

2.差旅费

0.2

各子工程调研、外出参赛差旅费用

3.其他公杂费

0.2

用于与其他团队技术交流

四、业务费

1.会议费

2.测试、化验费

0.3

嵌入式等工程测试费用

3.野外考察及观测费

4.出版物/文献/信息传播费

0.1

各子工程论文版面费、资料印刷费等

五、材料〔标本〕购置费

1.0

机械零件加工，工具购置，电机选型购置

六、其它费用

各类杂支

投入合计

2.0

支出合计

2.0

我保证以上所填容完全属实，假设有虚假，本人将负全部责任。

申请人签字：

何立伟.

一、工程背景与意义

球类运动因为是体力和技术的结合，在全世界围广受欢送，目前市场上存在的各种发球机有各自的优缺点。

综合分析后发现：

这些发球机由于自身构造的限制，都不能完全实行自动控制，某些功能的实现需要手动调节;同时，发球模式单一，不能真正地模拟真人发球。

而文中的创新点在于提出了形态完全不同，具有可以灵活移动，发球动作具有高自由度和高可控性的发球机器人。

这种机器人可以完成的动作较之传统发球机器有非常大的提升，根本上可以实现任何位置和任何方向各种力度的发射，使用者甚至可以通过控制其运动而模拟一场真实的比赛。

这种发球机构是不仅仅可以满足初学者的训练要求，对进阶练习也有很大帮助。

节省了陪练的人力，提升了整个训练过程的智能化和趣味化。

二、国外概况

自动发球机是很多球馆和球友家庭的必备娱乐和训练工具。

自动发球机适用于社会、学校、家庭、专业训练场馆使用。

发球机可发各种性质的球，既可用于娱乐健身，又适合于专业训练。

现在已存的发球机的问题主要表现在以下几个方面：

●只能实现定点发球，无法很好的模拟实战；

●操作上无法人为调整，套路固定死板；

●较为复杂的发球机器人造价过高，灵活性机动性不够，原理复杂；

●功能过于简单，趣味性缺乏。

目前市场上存在的发球机有以下几种：

A.标准型

图1标准型发球机

B.机器人型

图2仿人型发球机

三、研究容

一个球的发射过程大概可以描述如下：

一定数量的球放置在储球机构中，当需要发射时供弹机构开场运转，用一个物流机构将球一个一个有序的送至发射机构处，通过发射机构为球提供足够的初速度，将球发射出去。

同时应该满足可以通过控制实现球的不同速度射出，球发射的俯仰角度和水平角度也需要有一定的调节围。

对于供弹装置的功能要实现可以一个一个地送弹或者连续的送弹，对于进弹的速度也要求在一定的围可以调节。

综合以上描述本课题研究的主要容包括：

底部运动部件的设计与制作；供弹机构的开发与制作；发射机构的研究与制作；整体硬件电路的制作和算法编程。

（1）底部运动部件的设计与制作

底部运动部件需要实现可以适应各种场地灵活快速向各个方向移动，且保证振动不大。

对于现存的移动方式做一定的选择排除使用仿人行走方式而使用类似车的运动方式。

因为实际使用时不能为其提供转弯的空间，所以所设计的机构需要具备各种方向移动的功能，故排除类似于汽车所用的轮子转向带动整个机器人变向的方式。

最终考虑采用万向轮或者买克拉姆轮来设计移动部件。

考虑到整机的重量和连续地运动带来变速时的硬冲击对整个系统的稳定性构成威胁，必须在底部运动装置配套设计减震装置，以减小冲击，同时保证在各种地形下四个轮子均着地。

（2）供弹机构的开发与制作

供弹装置是一种物流机构，包括储球机构和送弹机构，要实现在尽可能小的空间完成球的运送和储存，并且可以人为地调控送球的速度。

[1]综合以上特点，送弹机构决定设计成电机带动拨杆旋转类型的送弹方式。

在方案验证过程中我们发现供弹机构运动到发球有一个比拟长的延时时间，这实际使用时会带来比拟大的影响。

所以在考虑采用两层的设计构造，设计一个底层以缩短球的补给机构到发射机构的距离，同时保存上层以完成多个球的存储和有序进入。

（3）发射机构的研究与制作

目前存在的发球机器的发射机构已经非常成熟，但针对我们更高的需求，我们决定从以下几点进展改良。

首先选择更大的摩擦轮胶圈，这样可以使出球速度和力度到达更高的水平，可以满足高水平使用者的需求。

也更好的模仿了真实比赛环境。

为发射机构增加了俯仰轴和水平轴，这样可以在发射处发出不同角度的球，同样实现了增大训练过程的难度，提高实战仿真度的要求。

四、创新点

本课题的特色和创新之处有如下几个方面：

（1）在发射装置上添加了可以让它迅速移动的部件，使发射过程更贴近实战。

（2）发射过程可以由另外一个人操控，也可以有使用者自由编程，可以实现类似比赛的流程。

（3）实现了自由变换俯仰角多水平角的发射。

五、研究方案

5.1研究方法

本课题的主要研究目标是针对目前发球机构存在的问题和我们实际需要，设计出一套在外形和原理上都革新的发球机构。

设计过程中融入了原有的发射元素，并提出改良，在移动机构上和供弹机构上完全实现全新设计。

在研究方法上采用理论研究与实验验证相结合、并且相互促进的方法。

通过研究提出新的设计方案，然后在计算机上建模序实现这些新的思想方法来验证它们的有效性；反过来，在实验验证的过程中，我们会发现这些新方法的缺陷和缺乏，这又将促使我们去思考和改良这些新的理论方法，从而完善或提出更加有效的思想方法。

5.2技术路线

为了实现预定的机构目标，我们对各种可能运用到的机构进展分析筛选排除，并对需要自行设计机构进展合理的分析，论证设计，针对课题相关的设计容，拟采用如下技术路线:

（1）摩擦轮发射机构和云台控制角度机构

利用两个或两个以上互相压紧的轮子间的摩擦力传递动力和运动的机械传动。

摩擦轮传动可分为定传动比传动和变传动比传动两类。

传动比根本固定的定传动比摩擦轮传动

摩擦轮传动，又分为圆柱平摩擦轮传动、圆柱槽摩擦轮传动和圆锥摩擦轮传动3种型式。

前两种型式用于两平行轴之间的传动，后一种型式用于两穿插轴之间的传动。

工作时，摩擦轮之间必须有足够的压紧力，以免产生打滑现象，损坏摩擦轮，影响正常传动。

在一样径向压力的条件下，槽摩擦轮传动可以产生较大的摩擦力,比平摩擦轮具有较高的传动能力,但槽轮易于磨损。

变传动比摩擦轮传动易实现无级变速，并具有较大的调速幅度。

机械无级变速器多采用这种传动。

在图2中,主动轮按箭头方向移动时，从动轮的转速便连续地变化，当主动轮移过从动轮轴线时从动轮就反向回转。

摩擦轮传动构造简单、传动平稳、传动比调节方便、过载时能产生打滑而防止损坏装置，但传动比不准确、效率低、磨损大，而且通常轴上受力大，所以主要用于传递动力不大或需要无级调速的情况。

相比于其他发射机构摩擦轮发射机构有其不可替代的优势。

摩擦轮发射机构的优点主要表达在一下几个方面：

首先摩擦轮发射机构可以很方便地实现连续发射，而不必等待系统恢复发射状态；摩擦轮发射机构体积小，能很好的和供弹机构融合为一体；摩擦轮发射机构加速简单可以方便地将球的速度加到非常大的一个围；摩擦轮电机发射对原有机构冲击较小，利用两个摩擦轮电机同时工作，平衡了转动惯量。

（2）麦克拉姆轮和三角悬挂系统的底板运动机构

这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一局部的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。

依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。

在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。

小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。

麦克纳姆轮构造紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。

有4个这种新型轮子进展组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

基于麦克纳姆轮技术的全方位运动设备可以实现前行、横移、斜行、旋转及其组合等运动方式。

在此根底上研制的全方位叉车及全方位运输平台非常适合转运空间有限、作业通道狭窄的舰船环境,在提高舰船保障效率、增加舰船空间利用率以及降低人力本钱方面具有明显的效果。

为了到达保护机器，同时使机器人的四个轮子同时着地，增加了一个悬挂系统。

不同于垂直布置的悬挂系统，我们采用了三角形布置，这样不仅仅可以实现竖直方向的减震，也可以平平向的震动，而且三角形的形式可以很好地提高稳定性。

（3）双层旋转拨盘的供弹机构

由于送料机构的特殊性，并没有可以参考借鉴的实际例子供我们选择，因此我们自己设计了一种新型的供弹机构。

为了减小进球机构运行和球发射出来的时间差，我们在下层采用了圆盘拨动的形式，这样有效的减小了进球机构出口和发射机构着力点的距离，减小了等待时间。

为了实现球有序的进入，我们又设计了进球机构的上层设计。

[3]球在六根柱子中旋转，到下球口时落下。

这两层功能相结合，可以完美地实现有序快速进球发球的功能。

六、现有工作根底和条件

工程负责人根本情况:

工程申请人所在的团队自成立以来一直从事各种电类机械类的新型设备的研究开发工作，积累了丰富的研究经历。

近几年来，电子电工科技创新中心课题组在智能化机器人的研究进展了大量的探索，提出了一系列成熟的解决方案，取得了很大的进展。

在很多比赛中取得了优异的成绩，同时也培养了一批精于智能机器人设计的成员。

机构的实现是本课题的关键，本课题组有大量的机械方面的导师和研究生，提供大量的技术支持。

本团队和学校其他相关团队保持密切合作，如3d团队，robocon团队，可以为我们提供技术支持和相关信息。

工程组成员根本情况:

工程组成员来自学校的各个学院，有机械类的也有电子类的。

在学科知识上形成互补合作。

所有成员均参加过省级以上的比赛，拥有丰富的智能机器人制作的经历。

工程组成员和众多的导师和各种实验室的学长保持了密切的联系，可以方便的得到相关的支持和引导。

现有软硬件环境，实验环境等:

电子电工科技创新中心在启明学院拥有非常大的课题研究用场地。

同时为了这个工程又申请了更多的场地。

电工基地同时也拥有足够的硬件实力，可以提供完备的硬件支持。

电工基地和校外研究机构也保持着密切的联系，可以获得其资金和技术上的大力支持。

课题组与校外优质加工厂保持着良好的关系，可以迅速加工出高质量产品。

七、预期成果

（1）研究制造出可以灵活快速移动的底板机构，多角度的发射机构，和有序流畅的进球机构；

（2）在相关比赛中获得国家级的成绩；

八、工作进度安排

时间阶段

安排

2015.5.1-2015.7.1

完成机构的建模论证仿真

2015．7.1-2015.10.1

各个机构的原理实现，反应

2015.10.1-2016.1.1

针对之前的问题进展改良，调试

2016.1.1-2016.5.1

整体组装调试，问题反应，小围调整

九、参考文献

[1]?

交通大学学报?

2005年01期?

基于DPAM-F的机电一体化系统广义执行机构子系统智能设计?

田永利邹慧君郭为忠瑞琴青

[2]?

交通大学学报?

2002年08期?

行为构造变型与创新?

涛邹慧君梁庆华郭为忠

[3]机械工业?

机械设计手册?

成大先

[4]?

科学技术大学科学报告会论文摘要汇编?

1985年S1期?

机械最优化设计?

王永乐王宏起王晓铮周敏宏伟

[5]航空航天大学?

机械产品全生命周期设计?

郭万林

[6]MaterialsselectioninmechanicaldesignAshbyMF

[7]?

中国机械工程?

?

复杂机电系统耦合与解耦设计?

钟掘先霖