本科畢業(yè)設計開題報告題 目 網球自動撿球機設計院、 系專 業(yè)學生姓名學 號指導教師1一、選題依據課題來源、選題依據和背景情況；課題研究目的、學術價值或實際應用價值1、課題來源、選題依據和背景情況。本課題為教師自擬課題。根據國際機器人聯合會 (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?？梢姍C器人將越來越多的走進日常生活當中，而網球運動正在全世界范圍內得到越來越多的關注和喜愛，但是網球愛好者，特別是運動員在進行網球訓練的時候，要頻繁撿起散落在很大范圍內的網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球練習場地，為人們進行網球訓練提供便利和節(jié)省時間。因此網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、實際應用價值據中國網球協會官方最新數據統計，到 2008 年，憑借鄭潔溫網殺入四強和李娜的奧運會四強，國人網球熱情空前高漲。中國網球人口已突破 800 萬。而隨著李娜法網捧杯，WTA 官網甚至認為，李娜的大滿貫冠軍將為中國增加 3 億網球人口。由此可分析，我國的網球運動必將蒸蒸日上，市場上對網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)一種網球自動撿球機，解決同類產品中可能出現的卡球和傷球現象，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狀、發(fā)展動態(tài)；查閱的主要文獻國內外研究現狀、發(fā)展動態(tài)隨著網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，遍布全場的網球揀起來實在是件累人、費時的事，針對這一現狀，網球場撿球機器人應運而生 [1]。目前網球撿球機構較少，較為經濟的網球撿球機多以人工操作為主，又有圓筒式、滾筒網狀式和籃筐式等用彈性條狀材料制作，其間距略小于網球直徑，用力壓下或者滾過球身時將球壓進筒或筐中。網球筐和網球筒是早期提出的方案，有的機構已經做出了產品。這類機構2一般都十分簡練實用，但效率一般較低，人工參與的比較多。市場上已經存在不同種類的網球撿球籃(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的。但是這種撿球機構不能適應網球的直徑變化；可能出現“卡球”現象；對網球的傷害較大，減少了網球的使用壽命；不能夠撿拾網球場邊緣的網球，而且對網球場地有一定的損傷。圖 1 網球筐 1 圖 2 網球筐 23網 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球；手柄便于操作；而進口閥彈簧保證了網球的單向通過，使已經撿起的網球不會掉落。這種撿球機構簡單方便，成本低，但存在不少缺點。與網球筐一樣，對網球傷害較大；撿球時作用相對較少，需要人工尋找對準網球，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，存儲球的數量也十分有限；隨著撿球數量的增加，撿球難度也增大 [2]。目前市場上還出現了一類手推式網球撿球車。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 是一種自動網球撿球機，該遙控自動網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]，傳動齒輪組與萬向圖 3 撿球筒 1 圖 4 撿球筒 2圖 5 自動網球撿球機4輪之間是采用單向推力軸承聯接， 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 筒反轉將網球帶出箱外 [6]。 拾到的網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，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 6 國外撿球機 1 圖 7 國外撿球機 25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 8 國外撿球機 3 圖 9 國外撿球機 46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，實現了散落滿地乒乓球的撿拾工作 [12]。相對于體積小，質量輕的乒乓球，高爾夫球與網球更為接近，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，因此只有較為簡單圖 10 乒乓球撿球機器人 1圖 11 乒乓球撿球機 27的撿球裝置，如圖 12 所示 [13]：網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、和相關參數進行分析后，得到設計撿球機的關鍵技術問題，從而對現有的設計方法加以改進，設計出一種更加高效、智能、防卡球現象的自動撿球機。參考文獻[1] 席澤生. 網球場撿球機器人系統設計[J].電氣與自動化,2012,,41(2):140-141[2] 韓良，王德彬，龔煥.智能網球車的研制[J].機電技術，2011，2:49-54圖 12 高爾夫撿球器8[3] 呂騰飛，陸麗等.智能網球撿球機的研制[J].電子世界[4] 盧飛躍，劉志鋒.遙控自動網球拾球機的研制[J].機電工程技術，2010,39(06):86-89[5] 王侃，楊秀梅.網球訓練場拾球機的設計[A].第十二屆全國機械設計協會，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[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91．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）隨著我國網球運動的不斷普及，越來越多的人開始參與到其中，網球訓練中網球的使用數量會很多，基本上會布滿整個網球場，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，能夠快速撿起網球的網球機器人的需求也日益增長。本課題的主要研究內容：設計一款高效的網球自動撿球機，解決同類產品中可能出現的卡球和傷球現象，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品進行分析，比選實現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：確立設計背景專利檢索 市場調研 期刊檢索初步設計 修改完善原理設計強度校核結構草圖零件圖 裝配圖設計說明書10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） 撿球機機械系統運動方案設計；（3） 撿球機零部件參數計算，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，并可以輕松完成撿球任務，因此只要參照現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3.9－3.223.23－4.54.6－4.194.20-5.155.16 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)論文了解現有網球撿球機構造，和國內外發(fā)展現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11五、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