機械化網球撿球車的研究與設計

王舜

摘要：機械化網球撿球車以人力驅動撿球車前進，電動機通過二級齒輪減速器和槽輪間歇機構，使工作機內的滾筒做周期性轉動，工作機內的滾筒轉動完成網球的收集。本文按照機械設計的基本流程，經過研究國內外現狀，對比現存的網球撿球車機械結構，設計出機械化的網球撿球車結構，依據機械原理對機械結構進行設計計算，計算齒輪結構和軸，選擇最合適的電動機；最后，通過AutoCAD繪制出高、低速軸零件圖，整體機構的三維圖等。整個設計完成了機械化網球撿球車的結構設計、計算、選材、繪圖工作。

關鍵詞：機械化；網球撿球車；結構計算

1.緒論

1.1研究的目的和意義

隨著全民健身的推廣和大眾體育的普及，網球這項體育運動也在走進普通人的生活中，越來越多的人喜歡網球、熱愛網球。然而對于大多數網球愛好者來說，撿球成為一件令人頭疼的問題，因為網球技術的提升勢必要進行大量的訓練，而大量的訓練就會導致整個網球場遍地的網球需要撿起，這種現象對于專業的網球運動員尤為嚴重。專業網球運動員都有專門的球童在賽場上撿網球，大多數網球愛好者既要訓練又要充當球童的作用，而且球童這類職業的存在本身就是對社會資源的極大浪費，因此，研究一款機械化網球撿球車非常有必要。

本文的主要目標是完成一款機械化網球撿球車的設計任務，解決網球訓練場上遍地網球影響訓練的現象，減輕人工撿球的負擔，使得網球訓練者有更多精力、更多時間投入到訓練中去，促進網球這項體育運動在我國得到更廣泛的開展。本研究的預期目標是對以往網球撿球機低效率、卡球、損傷網球現象的一次改進與創新。

1.2國內外研究現狀

眾所周知，網球運動在歐美發達國家的發展已經非常成熟，國外熱愛網球的群體很多，網球相關產品的研究人員也較多，但是國外網球產品的研究與中國基本處于同一水平，關于網球的收集機構的研究目前較少[12][16]，美國學者Alexand-erK.Guo[1]在2014年提出了Tennis Ball Pick-up Cart的研究產品，其結構復雜，造價成本高，體積較大，占用空間大，雖然操作簡單、撿球效率高，但是不能自主完成撿球過程，需要人的輔助，綜合來說還有很多需要改進的地方。

目前國內現存的網球撿球機構很少，比較經濟的網球撿球機構基本都是以人工來操作的[9]，市場上已經出現的網球筐和網球筒，這兩種撿球裝置都是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筐或筒中。這類機構一般都非常簡單方便，但是效率低，需要人工參與的任然較多。經常出現“卡球”現象；對網球的損害較大，網球的使用壽命大大的降低了；并且這樣的機構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。

中國學者王侃[2]和韓良[18]在2008年研究了一種手推式網球拾球車，此類撿球車為半自動式，此類機構主要適用于地上球較多的情況。它的體積非常龐大而笨重，與全自動撿球機相比較顯出很笨拙，需要占用大量空間，訓練人員訓練時受到影響，還需要借助人工來操作，與智能化撿球機相比較浪費了大量的時間和體力，它的適用環境較局限。

盧飛躍和劉志鋒[3]在2010年研制了一款遙控自動網球拾球機左右驅動輪由電動機帶動，后輪和前輪分別采用普通輪和萬向輪，起到很好的支撐作用。拾球機滾筒由萬向輪帶動傳動齒輪組轉動，萬向輪與傳動齒輪組之間是單向推力軸承聯接，使得拾球滾筒在前進時轉動而自動拾球。結構設計安裝了傳感器，安裝在左右兩端的紅外反射式傳感器用于躲避檢測，儲球箱的上部內側安裝了三對紅外對射式傳感器。電路板和電池是撿球機的控制部分，控制著其他部件的運動。這種網球撿球機制造成本大，操作復雜給使用者帶來不必要的麻煩，辨識網球的靈敏性還有待考證。

目前較先進的撿球器是全自動撿球機，位于上海機電學院的呂騰飛和陸麗[4]研究了智能網球撿球機，其采用機械臂和圖像識別等高科技，不需要人工操作，可以完成自動撿球，但這種機構效率低，而且每次只能撿起一個網球，而且機構非常復雜，成本也相當高，不容易推廣。

1.3本文的研究內容

綜合已有研究存在的撿球效率低、體積笨重、操作復雜、使用壽命低的問題，設計一款高效率網球撿球機是非常必要的。考慮到如果產品的自動化程度較高必然導致成本高，大量推廣難度大，而且自動化程度越高則操作就越復雜，其產品的穩定性就很難保證，本文擬設計一種機械化網球撿球車，能夠解決因撿球帶來的浪費人力、物力、財力問題，解決同類產品中的卡球和損傷網球現象。

2.總體方案設計

2.1撿球車的機構傳動

電動機提供動力帶動高速級齒輪轉動，通過二級齒輪減速器，將軸3的轉速減到合適大小，聯軸器連接低速級齒輪與槽輪機構，槽輪間歇機構使得工作機做周期運動[19]。

2.2工作機簡圖

彈性繩滾筒2通過滑動軸承與槽輪間歇機構相連，帶動彈性繩滾筒2做周期性的間歇運動，網球被擠進外殼1與網球儲存裝置3之間，在彈性繩滾筒做周期運動的條件下，網球自動滾進網球儲存裝置3中，完成一次撿球運動（如圖2-1）。

2.3運動功能分解

第一步：人力提供動力，推動網球撿球車前進，萬向輪可以調節前進的方向。

第二步：啟動電動機，通過二級齒輪減速器和槽輪間歇機構，裝置2做周期性轉動。

第三步：裝置2上的彈性圓繩將網球擠進裝置1與裝置3之間。

第四步：撿球車前進的同時，電動機也在轉動，裝置2也一直做周期性運動，其它網球又被擠進裝置1與裝置3之間，并且之前擠進的網球會繼續轉動。

第五步：如此往復運動，把所有網球都運送到裝置3內。

第六步：網球車停止前進，將電動機關閉，取出裝置3內的網球，完成網球的撿起運動。

3.機械部分的設計計算

3.1電動機的選擇

（1）各傳動機構的效率：

一級圓柱齒輪傳動的效率為η1=0.9；一級滾動軸承傳動的效率為η2=0.98；槽輪機構傳動的效率為η3=0.9；剛性聯軸器的效率為η4=0.99；η=η η η =0.868為傳動裝置的總效率。

（2）電動機所需功率： W

選擇電動機的型號為：YT0110，額定功率為：110W、轉速為：1350r/min。

3.2齒輪結構設計

因為小齒輪的直徑很小，所以本文采用齒輪結構。大齒輪采用孔板式結構，大齒輪2的孔徑由后續設計的中間軸的直徑決定，設計結果表3-1中。

3.3軸的設計

由于軸的工作條件決定軸的材料[17]，因此初選軸的材料為Q235，處理方式為調質處理。由各軸段的直徑以及長度可以確定各類軸的尺寸大小[18]。各軸段尺寸圖如下圖所示。

4.結論

本論文順利完成了預期任務，通過一步一步的精細計算和仔細繪圖，設計出的機械化網球撿球車能基本完成預期的功能。可以應用于各類網球場，并且做到不卡球、不損壞網球、不損壞球場等。因此，在網球訓練過程中繁瑣的撿球任務可以得到很大程度的減輕。本次設計機構簡單，容易操作，成本低廉，在市場上與同類產品競爭具有很大的優勢。當然，本次設計也存在許多不足之處，目前的此款撿球機還不能實現智能撿球的功能等。相信關于網球撿球機構的研究不會停止，還會有更多更好的設計產品涌現出來。

參考文獻：

[1]TennisBallPick-upCart[P].US：US20140294547A1，Oct.2，2014

[2]王侃，楊秀梅.手推式網球拾球車[P].中國專利：CN201208496Y，2009-03-18.

[3]盧飛躍，劉志峰.遙控自動網球拾球機的研制[J].機電工程技術，2010-06-15.

[4]呂騰飛，陸 麗，何炳林，朱曉璇，陳 濤.智能網球撿球機的研制[J].科研發展.

[5]TennisBallCollectionDevice[P].US：US008920101132，Dec. 30，2014

[6]Ball-Picking Device [P].US：US006481768B1，Nov.19，2002

[7]Tennis Ball Pick-up and storage Device[P].US： US2002

0151390A1，Oct.17，2002

[8]Golf Ball Pick-up and Storage Device [P].US： US00716

5796B1，Jan.23，2007

[9]周祖鵬.智能吸氣式自動撿球車[P]，發明專利，ZL20110046558.

[10]張興海.乒乓球撿球車[P].實用新型專利，ZL20112013

2476.2.

[11]劉自范，劉德平. 小型地面移動遙控機器人的設計與實現[D].學位論文.2009.（25）.

[12]趙藝兵，楊泳雪.多種撿球機器人的研制[A].單篇論文.2015.9

[13]張成，石進遠.基于藍牙模塊的智能“ 高爾夫球”車設計[J].電子技術.

[14]葛暢，余隋懷，陸長德，張強.基于虛擬裝配的高爾夫球車設計方法.[J]機械設計.2009.

[15]馬飛.嵌入式智能撿球機器人控制系統[J]信息通信.2015.

[16]席澤生.網球場撿球機器人系統設計[B].167 1- 5276（2012）02- 0140- 02.

[17]吳宗澤，高志.機械設計第二版[M].北京：高等教育出版社，2009.01.

[18]周海.機械設計課程設計[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.02.

[19]魯屏宇，田福潤.工程制圖[M].武漢：華中科技大學出版社，2012.09.