自動撿網(wǎng)球小車的設(shè)計＊

賈遠鵬，莊騰飛，周洋睿，褚鴻浩，張艷，陳佩江

自動撿網(wǎng)球小車的設(shè)計＊

賈遠鵬，莊騰飛，周洋睿，褚鴻浩，張艷，陳佩江

（臨沂大學(xué) 機械與車輛工程學(xué)院，山東 臨沂 276002）

為了解決網(wǎng)球場上網(wǎng)球的撿取問題，提高球場的撿球效率，設(shè)計了一款自動撿網(wǎng)球小車。分析了網(wǎng)球的撿球原理，在小車上裝配有真空泵，利用真空泵產(chǎn)生的吸力，自動撿取區(qū)域內(nèi)散落的網(wǎng)球，并給出了自動撿網(wǎng)球小車的整體設(shè)計。

撿球小車；網(wǎng)球；彈性；真空泵

網(wǎng)球作為一種運動深受人們喜愛，這類運動所需要的場地相對較小，戶外和室內(nèi)都能進行，因此在日常生活中，很多人都熱衷這類運動。網(wǎng)球具有較好的彈性，在擊打的過程中很容易彈飛。打球之前，一般都會準(zhǔn)備大量的網(wǎng)球，但結(jié)束后往往要將散落在地上的球收集起來[1]。

目前，大都是人工進行撿球，費時費力，為了營造更好的網(wǎng)球運動體驗，解決大量網(wǎng)球需要拾取的問題，設(shè)計了一款網(wǎng)球自動拾取小車。

1 撿球原理設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)球材質(zhì)一般為橡膠，外表層包裹由羊毛和尼龍組成的混合物。由于網(wǎng)球具有體積小、質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)特點[2]，因此設(shè)計撿網(wǎng)球小車時適合選用真空泵作為動力裝置。

小型真空泵工作時，在抽氣口處會形成真空（負壓），如果將一根管道與真空泵的抽氣口相接，則在真空泵作用下，管道內(nèi)外會產(chǎn)生壓強差。利用此原理，將微型真空泵和兩頭都開口的管道連接，構(gòu)成一個吸球裝置，從而完成網(wǎng)球的拾取。

為了能夠快速完成對網(wǎng)球的拾取，可減小裝置吸球的阻力，從而提高網(wǎng)球拾取的效率，因此可以沿斜面布置拾取球管道[3]。其受力情況如圖1所示。

圖1 小車受力分析

力學(xué)平衡方程如下：

W－sin－cos=0 （1）

式（1）中：w為風(fēng)作用力；為滾動阻力系數(shù)。

則有：

式（2）中：為空氣密度；為風(fēng)速；為空氣阻力系數(shù)（球體取0.5）；為迎風(fēng)面積；為摩擦阻力系數(shù)。

根據(jù)受力分析，真空泵提供的風(fēng)速應(yīng)該滿足以下2點要求：網(wǎng)球能夠順利地勻速滾上斜面，到達出球口；能夠使網(wǎng)球順利地從出球口落到儲球箱中，則可得：

設(shè)吸球管道關(guān)口的最大面積為max，安全系數(shù)為，則選用微型真空泵的空氣流量（/min）近似可以表示為：

2 管道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

吸球管道與水平面的傾角= 37°。為了能夠在有限時間內(nèi)同時對多個網(wǎng)球進行拾取，可以采用敞口設(shè)計：最大敞口面積max=150 mm×80 mm，敞口錐角50°。

為了將網(wǎng)球能夠拾取到正確的存儲球裝置中，通過切割管道末端從而形成方形的網(wǎng)球出口，再將出口處連接一個長20 mm的垂直軌道以防網(wǎng)球落下時出現(xiàn)偏差。為了使網(wǎng)球能順利進入吸球管，可將一塊伸出板放置在吸球管的首端處，配合吸球管拾取網(wǎng)球。設(shè)計伸出板時，需要考慮其與地面的垂直高度：如果伸出板離地面過近，碰到地面不平等狀況會使其與地面發(fā)生碰撞，阻礙吸球裝置順暢工作；如果伸出板離地面過遠，改變了網(wǎng)球運動軌跡，會影響撿球效率。因此，在設(shè)計伸出板時，其最前端離地面的距離設(shè)置為3 mm。管道結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 管道結(jié)構(gòu)

3 真空泵的選擇

根據(jù)本設(shè)計所選用真空泵的流量范圍，并考慮存在漏氣以及網(wǎng)球表面磨損的情況，取安全系數(shù)=1.4，m=58 g，= 66 mm，= 37°，max=150×80 mm2。=58 g，g=9.8 N/kg，可計算出真空泵流量的合適范圍約為20.16～29.53 m3/min。

本設(shè)計選擇無刷真空泵的具體參數(shù)如表1所示。

表1 無刷真空泵技術(shù)參數(shù)表

電壓/V負載電流/A功率/W流量/（m3/min） 24<1.4<33.628

4 撿球小車的整體設(shè)計

自動拾取網(wǎng)球小車由以下幾部分構(gòu)成：車體裝置、吸球裝置、圖像采集裝置、存儲球裝置、電機及其減速箱裝置、系統(tǒng)電路裝置和發(fā)電裝置等。

網(wǎng)球小車利用真空泵與吸球管的連接來實現(xiàn)網(wǎng)球自動拾取球。當(dāng)真空泵工作時，網(wǎng)球由于管內(nèi)外壓強差被吸入到吸球管內(nèi)，經(jīng)過球出口時，在網(wǎng)球自身重量作用下，網(wǎng)球會自動掉進儲球腔。電機及其減速箱裝置帶動網(wǎng)球小車后輪，通過系統(tǒng)的控制和前輪萬向輪的配合，可實現(xiàn)機器人的前進、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。自動撿網(wǎng)球小車等軸測視圖如圖3所示。

圖3 小車等軸測視圖

5 結(jié)論

設(shè)計了一款通過真空泵產(chǎn)生的吸力來實現(xiàn)撿球的機械小車，該小車由視覺系統(tǒng)、電機裝置、吸球裝置和控制板組成。撿球小車能夠快速高效地獨立完成尋找網(wǎng)球、移動和撿球。這不僅提高了拾取網(wǎng)球的效率，同時也節(jié)省了不必要的人力、物力，符合當(dāng)下各領(lǐng)域產(chǎn)品智能化和自動化的需求。

［1］呂騰飛，陸麗，何炳林，等.智能網(wǎng)球撿球機的研制［J］.電子世界，2013（12）：68-69 .

［2］安丹陽.新型自主式網(wǎng)球檢球機器人的構(gòu)形及關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2008.

［3］令寶.基于嵌入式技術(shù)自動撿乒乓球系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計［J］.自動化與儀器儀表，2016（5）：118-119.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.025

2095－6835（2020）02－0076－02

賈遠鵬（1998—），男，臨沂大學(xué)本科生，研究方向為智能汽車。

山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：S201910452067）

〔編輯：張思楠〕