一種網球自動發球裝置的設計

胡晉齋，章德平，勾藝，陳越

一種網球自動發球裝置的設計

胡晉齋，章德平*，勾藝，陳越

（武漢輕工大學 機械工程學院，湖北 武漢 430023）

網球比賽通常在兩名單打球員或兩對組合之間開展，因此某些情況下缺少陪練人員將直接導致網球球員的訓練無法進行。為了實現網球練習者在無人陪練狀態下的自主訓練，設計了一款網球自動發球裝置。該裝置采用單片機控制，具有收球、送球、儲球、發球、行走五個功能，并且實現了發球頻率、角度和球速的自動調節。實驗結果表明：與同類產品相比，該自動發球裝置更為符合人機工程學的基本原理，收球和發球效果更好，對于幫助網球練習者提高訓練水平具有重要意義。

網球自動發球裝置；四輪發球機構；自動行走裝置

網球運動作為世界上第二大球類運動，深受廣大青少年的喜愛，在我國的普及程度也越來越高。在練習時，無論是初學者，還是專業網球運動員，都需要一位陪練人員。然而陪練人員在陪同練習者進行訓練的過程中，由于受到周圍環境、精神狀態和身體條件等因素的影響，很難做到發揮的水準始終如一，其對發球角度、發球球速和發球距離等技術指標的把握無法保持在穩定狀態，這就使得訓練效果不理想。此外，訓練中需要不斷重復的撿球環節也大量消耗了練習者和陪練人員的體力，影響到了網球的練習效果。為解決這一問題，本文設計了一款集撿球和發球功能為一體的網球自動發球裝置，可以替代陪練人員的角色來幫助網球練習者進行訓練，訓練時不僅可以根據各種訓練要求進行有針對性的發球，還可以實現全過程機器自動撿球。網球自動發球裝置在大幅改善發球質量穩定性的同時，大大降低了練習者因頻繁撿球而造成的體力損耗，提高了網球訓練活動的質量和效率。

1 網球自動發球裝置的方案設計

開展市場調研活動，對如圖1所示市場上現有網球發球機的性能技術特點進行總結：

（1）TUTOR發球機。運用對轉雙輪原理發球。當網球接觸到摩擦輪后，在高速旋轉的兩摩擦輪帶動下擠入它們之間的空隙。由于兩個反向摩擦輪的摩擦力作用，網球獲得一定初速度發射出去。摩擦輪由伺服電機驅動。發球的穩定性高，可控制球速、角度、頻率。缺點是發球旋向單一、造價昂貴。

圖1 現有網球發球機

（2）LOBSTER發球機。運用空氣壓縮原理發球。利用空氣壓縮機產生的氣壓儲存在集氣鋼瓶內，當球掉入送球管時，釋放鋼瓶內空氣，以空氣壓力將球彈出。造價相對便宜，適應大眾消費水平。缺點是噪音大、功率大、不能使用蓄電池供電。

通過分析可知，現有網球發球機主要存在以下問題：

（1）造價昂貴，市場普及程度不高；

（2）發球旋向單一，無法滿足多種要求；

（3）網球機器人未集成撿球功能，多數采用人工撿球，無謂地消耗了練習者的體力。

針對上述不足，本文設計出一種集自動收發球為一體的網球自動發球裝置。與市場上現有網球發球機相比，其功能更為強大、發球形式更加多樣、市場應用范圍更加廣泛。該裝置不僅可以實現多種要求（各類旋向球、吊高球、吊小球等）的自動發球，還可以做到全程機器撿球，達到了提高網球訓練水平、將人從繁重的解放出來的目的。該網球自動發球裝置的總體方案設計如圖2所示。

圖2 網球自動發球裝置的總體設計方案

如圖3所示，網球自動發球裝置可以分為收球、送球、儲球、發球和行走五個功能模塊。

1.儲球機構2.發球機構3.行走機構4.送球機構5.收球機構

其中，收球機構主要用于實現對場地內四處散落的網球的自動收集，行走機構主要用于實現裝置在訓練場地之內基于網球自動收集功能的自主行走，儲球機構主要用于實現網球自動收集之后的自動儲存，發球機構主要用于實現基于各類要求（旋向和球速）的發球活動，送球機構主要用于將儲球機構所儲存的網球以一定的頻率送入發球機構，以幫助完成發球活動。收球機構和行走機構位于裝置的底部，儲球機構位于裝置的頂部。

2 網球自動發球裝置的結構設計

2.1 發球機構

發球機構需適應各種發球要求，實現球速和方向的可調。發球結構的主體結構包括摩擦輪機構、行星輪機構和曲柄搖桿機構三個部分。

發球機構采用獨創的四摩擦輪發球方式，相比于業內流行的雙摩擦輪發球[1]。機構采用四摩擦輪進行發球，可產生更大的發球初速度，由于發旋球時旋轉方向通過控制四個摩擦輪的轉速來控制，這就使得旋球的樣式更為豐富且發球效率更高。上下左右四個摩擦輪各自與一臺驅動電機獨立相連，四輪中間留有略小于網球直徑的空隙。

行星輪機構控制發球機構左右轉向使發球水平角度可調，如圖4所示。

1.小齒輪2.大齒輪3.內齒輪4、5.聯動軸6.行星架7.發球裝置

輪1和輪3為太陽輪，輪2為行星輪，6為行星架，軸4和軸5裝配在發球裝置7上。輪1為主動輪，輪3固定，輪1帶動輪2轉動使軸5繞行星架6轉動實現發球裝置7的水平轉動。

四桿機構控制四輪發球機構的俯仰角度。如圖5所示，電機6帶動圓盤4轉動，軸3和軸5固定，滿足桿長條件且最短桿為原動件該機構為曲柄搖桿機構，輪4轉動一圈發球架1轉動一個角度實現發球裝置的俯仰運動。四輪發球機構安裝在發球架1上調節發球架的仰角可控制發球的角度。

1.發球架2.連桿3、5.軸4.圓盤6.電機

可求得：

式中：1為摩擦輪的線速度，m/s；1為摩擦輪角速度，rad/s；為半徑，m。

因此網球最大線速度可達41，離心力為：

式中：為離心力，N；為網球的質量，kg。

根據動能定理可得：

式中：為發球時初始拋射角度，rad；為最大高度，m；為拋射距離，m；為球射出的速度，m/s。

當＝45°時，取最大值，此時網球可達最遠距離，不過應用實踐表明：拋射角度過高并不一定能夠獲得最佳的發球效果，因此將最大俯仰角度設定為35°，而發球距離的補償則通過控制四摩擦輪的速度來實現。

2.2 儲球機構

儲球機構要實現可容納網球數目盡可能多、給球頻率可調且不易卡球等要求。儲球機構主要由儲球箱、攪拌機構和給球機構三個部分組成，如圖6所示。為最大程度實現空間的充分利用，儲球箱分為上下兩層，上層設計成底部下凹的箱體結構，底部開設一個比網球直徑略大的圓孔，以確保網球能夠順利通過該孔進入給球機構；下層后方開設一個矩形槽用以放置給球機構。

1.攪拌機構 2.儲球箱3.給球機構

攪拌機構設計為曲柄搖桿機構，主要用于對儲球箱內的網球進行輕度攪動，以確保網球更可靠地進入給球機構，其桿長分別為70 mm、145 mm、180 mm和200 mm。其中連桿設計成形狀為倒鉤狀的桿，其尺寸根據攪拌動作所需的連桿曲線規律進行確定。

給球機構主要由給球盤和六分度槽輪機構兩部分組成，其運轉由電動機驅動。給球盤上有六個圓周陣列的儲球口，網球經由儲球箱進入給球盤后，在電機的驅動下六分度槽輪機構帶動給球盤轉動，當有網球進入的儲球口轉至與下層入球口對齊的位置時，網球進入軟管完成給球動作。電機每轉動一圈，給球盤轉動60°，通過控制驅動轉速可實現給球頻率的控制。

2.3 收球機構

目前市面上較為常見的收球撿球裝置都是人工操作的網球筒或網球筐。網球筐由彈性條狀材料制成，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中。網球筒由收集筒、手柄、進口閥和彈簧組成，手柄便于操控，進口閥使網球只進不出，而收集筒用于儲球[6]。這兩種方式效率低、儲球數量少、操作方式原始，有很大的局限性。

本裝置為采用圖7所示三扇葉收球裝置，利用扇葉旋轉進行收球。為了提高收球效率，底座2前端設計成外八字形導軌，使得捕捉網球更加容易；后端部分設計成一個斜面，通過皮帶傳動傳輸動力使扇葉1旋轉將球從斜面推進送球箱。

1.收球扇葉2.底座3.電機4.支架5.皮帶輪6.皮帶7.電機

2.4 送球機構

送球機構由送球箱、絲桿和擋板幾個部分組成。如圖8所示，送球箱后面板底部開設一個高80 mm、長240 mm的矩形槽，送球箱底板適當傾斜以確保網球能夠自動滾向矩形槽。在矩形槽外裝有擋板，通過擋板動作來控制網球在恰當時刻滾出，避免出現網球在送球箱升降過程中提前從矩形槽滾出的情況。

圖8 送球箱的結構示意圖

送球箱底部安裝有重量感應裝置[8]，當箱內網球重量達到2 kg時，控制系統會啟動電動機驅動絲桿旋轉，從而將送球箱升起送至預定位置，使送球箱后面板底部的矩形槽與儲球箱入球槽對齊，此時若擋板發生配合動作，網球將全部滾入儲球箱，完成送球運動。

2.5 行走機構

行走機構采用后輪驅動，前輪用于控制轉向，與汽車轉向裝置類似，通過控制轉盤轉過的角度來控制網球自動發球裝置的轉向，轉向機構為自由度等于1的六桿機構。網球自動發球裝置所需轉向角度為±35°～±45°。參照汽車內輪和外輪的最大轉向角度，設定網球自動發球裝置轉向角為±40°。該機構可以視為一個曲柄搖桿機構與一個雙曲柄機構的組合機構，因此機構的運動分析可以從曲柄搖桿機構著手。如圖9和圖10所示。

圖9 轉向機構的結構示意圖

設該機構中∠＝，則與相連機架（以軸負方向為正）的夾角為45°－至135°－。查閱文獻[8]可得：曲柄搖桿機構中已知曲柄轉動角度，尺寸有無窮多組解，根據實際情況有＞0（以軸負方向為正）便于曲柄的安裝，滿足上述條件的尺寸均合適。

圖10 轉向機構的結構簡圖

根據該機構的具體尺寸進行建模并導入ADAMS中進行機構運動仿真[9]，可得如圖11所示曲線。根據仿真結果可知：ω的大小與時間成周期性變化，機構的行程速比系數≈1。

圖11 AB桿的角速度仿真曲線

3 結束語

網球自動發球裝置旨在幫助練習者訓練，提高練習者的網球運動水平，從而促使網球運動更加普及。實踐應用表明：本文所設計的網球自動發球裝置非常適合進行多樣訓練，用于專業網球訓練效果良好，可以專門針對網球運動員的弱項進行訓練，且發球質量具有良好的一致性，尤其適合作為初學者和業余愛好者的陪練設備；網球自動發球裝置具有發球頻率、發球角度和球速可調的特點，使得網球訓練的最大問題即網球落點控制得以解決；網球自動發球裝置所采用的機械化收球方式相比人工收球而言，大大減輕了練習者的勞動強度，有利于提高訓練效果。

[1]韓良，王德彬，龔煥. 智能網球車的研制[J]. 機電技術，2011，34（1）：49-54.

[2]何四平，于勇. 網球自動發射器的研制[J]. 機械設計與制造，2007，23（3）：105-106.

[3]黃劍. 網球練習輔助器材的創新與研發[J]. 湖北體育科技，2009，28（4）：428-432.

[4]肖華，黃河，謝模焱. 全方位網球移動機器人的研究與設計[J]. 機電工程，2015，32（4）：509-515.

[5]呂強國，池靜蓮，唐鳳成，等. 一種網球發射機[P]. 中國：CN204684584，2015.10.07.

[6]史亮，林云飛. 網球發球機[P]. 中國：CN203235213U，2013.10.16.

[7]裴若忠. 智能網球發球機[D]. 長春：長春理工大學，2006.

[8]孫恒，陳作模，葛文杰. 機械原理教程第八版[M]. 北京：高等教育出版社，2013.

[9]宋少云，尹芳. ADAMS在機械設計中的應用[M]. 北京：國防工業出版社，2015.

The Design of an Automatic Serve Device for Tennis

HU Jinzhai，ZHANG Deping，GOU Yi，CHEN Yue

( Department of Mechanical Engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430048, China)

Tennis match is usually undertaken between two players or two pairs, so the lack of partner will directly result in a tennis player's normal training cannot be implemented in some cases. In order to achieve autonomous training of the tennis players under the condition of unaccompanied, an automatic serve device for tennis is designed in this paper. The device that has serving and collecting function is controlled by monolithic processor, and the service frequency, angle and velocity can be automatically adjusted. The experimental results show that the automatic serve device for tennis accords with principles of ergonomics, and it is of great significance for tennis player to improve its training level.

automatic serve device for tennis；four-wheel service part；automatic walking device

TH122；G845

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.03.013

1006－0316 (2020) 03－0071－06

2019－09－06

湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目——微型汽車差速器軸承預緊的機理研究（B2019057）

胡晉齋（1999－），男，湖北宜昌人，本科生，主要研究方向為機械創新設計。

章德平（1981－），男，湖北宜都人，博士，講師，主要研究方向為微型汽車傳動系統效率優化及測試，E-mail：bluezone1981@sina.com