打乒乓球机器人机械系统设计

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1、打乒乓球机器人机械系统设计黄金梭（机械与汽车工程学院 指导教师：段福斌） 摘要：本篇设计在介绍乒乓球机器人的发展状况以及研制乒乓球机器人的意义后，提出了一 个乒乓球机器人的设计方案。根据技术参数的要求，进行了一些重要结构和零部件的设计计 算。同时也参考了前人的成功范例，进行次要零部件的设计、制图。整机制造装配完成后， 经测试满足人机对打的设计目标。关键词：机器人 ；乒乓球 ；机械系统Abstract:In this design, a method of designing the table tennis robot is proposed after wedecribe the curre

2、nt situation of the table tennis robots development and the meaning of designing the table tennis robot. The design and calculation of some importmant mechanisms and componants are made according to the requirement of the technical parameter. At the same time, we also study the robots as reference w

3、hich were already developed succcessfullly by the predecessors to design and draw the subordinate componants. After the manufacturing and the assembling of the whole machine, we test the robot and find that it meet the target of man-machine Ping-Pong playing.Keywords：Robot；Ping-Pong； Mechanical Syst

4、em第一章 绪论1.1 课题背景作为一门发展迅速的新兴学科，机器视觉识别技术正在越来越多的领域得到了非常广泛 的运用。在过去，通常是用人眼对目标进行识别、跟踪和分析。现在，由于视觉识别技术的 发展，可以用摄像机和计算机代替人眼实现生产更高程度的自动化。随着电子计算机科学， 图像处理技术，模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的实际研究与应用价值正日益得 到重视，并不断在许多领域取得骄人的成果。如物流系统运用视觉识别技术对货物进行自动 识别，大大提高了生产效率；机器人配上识别系统，可以在不需要人参与的情况下进行更多 过去无法完成的任务等等。可见，对如此重要的视觉识别学科的研究是具有非常大的理论和

5、 现实意义的。当然，这种学科的研究必须有一个实验台架，来检验和调试视觉识别系统的视 觉识别、轨迹分析和电气控制系统水平高低，这种实验台架就是一台乒乓球机器人。鉴于此，本文涉及的主要内容就是设计该乒乓球机器人的执行机构，以便展开对视觉识别系统的研 究。1.2 研究意义任何学科的发展都与当时的环境和条件紧密相联。打乒乓球机器人系统也是一样，在人 类进入工业社会以后，出于对生存与发展的需要，人们开始尝试使用更先进的设备和技术来 处理日常生活中遇到的问题。例如在乒乓球运动训练中，如果打乒乓球机器人的机械系统发 展成熟，那么它可以代替教练训练乒乓球运动员，也可以设计出一些高水平的机械系统，进 行一些高难

6、度训练等等。总之，如果能研发出更加完善的视觉识别和分析系统，就可以使机 器人实现更快更准完成击球任务。这样，它将来就可以代替人类教练员。正是出于此目的， 我们设计出了这台实验架，也就是视觉识别和分析系统的执行机构。1.3文献综述机器人的发展可以说是日新月异,机器人技术的进步也是前所未有的,而娱乐机器人的发 展那更是层出不穷,乒乓球机器人也可谓是典型的娱乐机器人的一种。机器人乒乓球运动自 1983年由John Billiney首次提出倡议后，已在19851988年间在欧洲成功举办了四届比赛。在 参赛的历届机器人中，我们发现它们的视觉识别和分析系统呈现出越来越成熟的态势。而当 今该部分的研究也成了

7、国内外关注的焦点，也是打乒乓球机器人技术的关键。在这样的情况 下研制出一台实验架，也就是视觉识别和分析系统的执行机构，来改善视觉识别和分析系统 具有重要的意义。接下来将要综述国内外乒乓球机器人的现状。国外：乒乓球机器人运动最早是由John Billingsle y提出的，乒乓球机器人技术在国外也 已经发展了二十多年了。比较早的乒乓球机器人的球拍自由度数，女如Andersson所提出的是5 个自由度，这种机器人就需要五个电动马达。 Fumio Miyazaki， Masahiro Takeuchi ， Michiya Matsushima， Takamichi Kusano, Takaaki H

8、ashimoto等人提出，可以通过四个自由度就能完 成击打任务，其中两个用于XY平面内的移动，两个用于球拍姿态的控制。日本科学家F. Miyazaki; Y. Masutani; E. Hirose; D. Nakamura; N. Sato在State estimation of a spinning ball using LWR (Locally weighted regression)一文中提出，他们的机器人具有学习能力的机械系统 可以预测任何旋转球的飞行轨迹，因此可以与人类进行对打。 Yoshirou Hatada; Hiroyuki Miyamot等人在“A ping-pong ro

9、bot which learn from failure文中提到 通过调整球拍的角度 和位置就可以顺利地击回来自任何方向的乒乓球。 Michiya Matsushima“Takaaki Hashimoto; Masahiro Takeuchi; Fumio Miyazaki 在 A Learning Approach to Robotic Table Tennis 文中提 出，他们有一种控制机器人的方法，可以让机器人把球击回到一个预定的点，他们的方法同 样也可以使机器人根人类对打，并有很好的效果。下面这些图片是国外研制出的部分不同种 类的乒乓球机器人：表1.1国外机器人左边这个机器人的型号是“

10、 TTmatic 302 Manual”它是一个带有自动回球器的非常稳 定的训练机器人。即使是带有这种简单的电 子遥控系统，但它的Ttmatic结构是非常彻底 的牢固，能保证一个连续不断的训练。它还 是一个可移动式的机器人。另外，这个机器 人还可以通过一个旋转头系统来逐渐地调整 360度的侧旋球.它附带的容器可以一次装进 100个球。每分钟可以发出90以上的球。乒乓 球的型号有两种，直径是38和40mm。这款机器人也是用来做为人类乒乓球训 练用的通过电子遥控板，你可以进行编程以 实现各种不同的打球技术。它同样也可以进 行连续的训练而不会出现间断。它也能顺利 地处理各种旋转球、侧旋球。在遥控板上

11、有 十个按钮，一个主要开关，三个带有强旋转/ 轻旋转的长短球时间控制的控制灯。在回转 机构中有起停功能。4米长的遥控系统它在1 分钟内可以发出10 0个球，一次可容纳100乒 乓球。球的标准也是直径为38和40mm的两 种。这种机器人是可折叠的。国内：丁敬林 在“Balancing of a inverse pendulum with a ping -pong robot” 一文中提出，在联邦技术研究院机器人研究所已经开发出一个可以打乒乓球的机器人，这种机器人带一个视觉系统，它借助于一个图形处理系统可以检测乒乓球的运动，而作者提出了一个可以平衡倒摆的方法。西北纺织工学院的袁建畅在“乒乓球机器人

12、腕部结构的研究”一文中提出了一个在 瑞士苏黎世高等工业学院机器人研究所研制的机器人的基础上对腕部经过改造的机器人，它 的性能比原来更加完善。韩同康 ; 蔡振华; 尹霄等人在“乒乓球机器人在乒乓球训练中的应 用”文章中论述了乒乓球机器人在国家男子乒乓球队主力队员中应用于辅助训练的可行性与 必要性。浙江大学的洪永潮在“基于PC的七自由度乒乓球机器人伺服控制系统的研究”中提 出了七自由度乒乓球机器人的机械系统,从自由度的选择到各个关节驱动电机和执行机构的 选择、再到PCI卡的选择，接着利用所设计的机械系统对多自由度的机械手进行动力学建模。 并在动力学建模的基础上对伺服控制系统进行设计,从伺服电机的控

13、制到舵机的控制,从乒乓 球机器人拍子的位置控制到拍子的姿态控制和对乒乓球被击打后运动轨迹的分析。在控制系 统软件设计这块，由于该系统是一个实时响应能力要求很高的实时控制系统，而乒乓球机器人 对定时器的控制要绝对精确,时间误差最好能控制到毫秒级，设计采用了依赖于Pentium芯片 内建的一个计数器实现精确定时。国内研制出的机器人图片资料如下：图1.1 浙江大学研制的机器人结束语：总的来说，国内乒乓球机器人技术发展还不如国外的成熟，但在世界上，在这 块领域还留有很大一块空白。尤其是在视觉识别和分析系统的执行机构上面的改进正是我们 所要研究的方向。本文就是从这个方面着手，设计一个实验台架，来完成该执

14、行机构的改进。1.4 技术要求要求电机能在0.2s0.3s的时间内把球拍移动速度加速至I3m/s。球拍的移动范围：X方向上至少在1700mm, Y方向上至少在1500mm。AW- *第二章方案设计2.1 总体方案设计在乒乓球桌内，乒乓球机器人的机械系统应该能够根据乒乓球落球点的不同，使球拍迅 速移到对应的位置，并根据乒乓球的旋转与否来调整球拍的姿态。对于其球拍的位置，是可 以在桌面所在平面内用XY坐标来表示的。也就是说，球拍的位置是随着XY值的变化而变 化的。显然，乒乓球机器人的机械系统在球桌平面内存在着两个自由度。对于其球拍姿态的 调整，根据乒乓球运动学知识可知，球拍应当可以产生侧向倾斜，利

15、用倾斜时的球拍面与球 之间产生摩擦作用，进而来正确地处理旋转球。而球的旋转又是多种多样的，它可以是简单 的上旋球、下旋球，也可以是较难的左旋球、右旋球，甚至是任意方向的旋转球。这就对本 机械系统提出另一个要求：球拍可以根据旋转方向的不同，拍面的倾斜角度也应该是任意调 整的，例如以下简图中的姿态和：要想实现类似上述角度以及任意姿态的调整，仅仅靠一个自由度肯定是无法做到的，即 用一个电机去驱动来调整球拍不可能成功处理任意旋转方向的乒乓球。而我们方案选择的原 则是在可行性前提下越简单越好，自由度越少越好。前面已经分析，靠1个自由度的方案已经不可行，接下来分析利用两个自由度的方案， 即用两个电机驱动来

16、调整。其实在一个空间中，任意倾斜角度的调整可以通过使球拍绕N条 轴旋转而得。只要这些旋转中心轴的数量N确定了，那么调整球拍姿态所需自由度就可确定。 下面通过建立一个如图2.2所示的空间模型来说明旋转中心轴的数量N=2的确定由图2.2可以看出，只要两个电机按照图示位置放置和按照图示方向绕转一定的角度就 可以把球拍调整成图2.1中的姿态。几何分析可以证明，只要两个电机协调运转，是完全 可以把球拍调成需要的姿态的。综上所述，该乒乓球机器人只需要4个自由度即可以能满足打乒乓球任务的要求。其中在球桌平面移动有两个自由度，要求有两个电机驱动；球拍姿态的调整需要两个自由度，也由两个电机驱动。按照前面的分析，

17、给出总体示意图如下：图2.3 总体方案示意图对于该总体方案，我们将在接下来的两节中详细讨论如何去实现这些自由度，给出具体 的方案设计。2.2 球拍位置驱动方案设计在进行具体方案设计前，有一点非常明确，各个机构之间要想有确定的相对运动关系， 那么有多少个自由度，就必须有多少个原动机。在本机械系统中所有的原动机都采用电机。 球拍在球桌内移动是由两个电机来驱动的，这一点已经很清楚了： 一个用于驱动球拍在X方 向上的移动，另一个用于驱动球拍在Y方向上的移动。下面分析两个方向上传动机构的选择：2.2.1 x方向传动方案设计把电机的运动和动力传到沿x方向做移动的运动件上是属于把转动变直动的传动关系， 而能

18、够实现这种传动关系的传动机构有：带传动机构、链传动机构、齿轮齿条传动机构、凸 轮传动机构、曲柄滑块机构等等。在第一章绪论的技术要求中已经指出，该机器人机械系统 必须要在0.2s0.3s的时间内把球拍的速度加速至I3m/s，显然需要的加速度是很大的，在这个 过程中产生的力自然也会很大，这也就对传动机构提出了这样的要求：首先，它的传动必须 是非常准确的；应该具有缓冲吸振的作用；可以高速传动，整个机构尺寸不能太大等等。经 过分析比较知道，带传动中的同步带传动机构综合了一般带传动和链传动机构的优点，即能 缓冲，又能吸振，又能保证同步传动，比较符合本机械系统的运动和动力要求。只要把运动 件固定在带上，就

19、可实现把电机的转动转变成从动件的直线运动。为了使球拍的移动更加稳定，所以应该给这样的移动增加导向机构，如直线导轨。这样X方向上的移动方案基本上完成了。其简图如下图2.4 X方向传动示意图2.2.2 y方向传动方案设计在这部分的方案设计分析中有一点不同于上部分，而且也是非常重要的一点需要我们考 虑的，那就是质量问题。因为这部分是直接架在图2.3中的运动件上的，所以在设计Y方向的 传动方案时必须考虑质量问题，应尽量使所有的零件质量轻些，以便减小运动惯性，有利于 球拍的位置控制。首先，选择传动机构时考虑同X方向，所以仍然选择同步带传动机构。而 在设计导向机构时，因为直线导轨质量太大，所以就不能再选直

20、线导轨了，而采用一跟空心 薄壁圆导杆取而代之。方案简图如图2.5电机口直线导轨XY同步带机构球拍支座运动件圆导轨导轨小车乒乓球桌图2.5 Y方向传动示意图2.3 球拍姿态驱动方案设计在本章第一节的自由度分析中，在讨论球拍姿态调整所需自由度时其实已经给出了部分 粗略的姿态调整驱动方案。现在对方案做些补充并给出完整的球拍姿态驱动方案设计。以图 2-2为基础进行分析，对于绕Y轴转动的这个自由度，只需用一根轴，通过联轴器与电机联 接，运动和动力从电机出发直接传到轴上，进而驱动球拍绕Y?由转动。对于绕X轴转动的这 个自由度，同样也只需用一根轴，通过联轴器与电机联接，运动和动力直接从电机传至转轴 从而驱动

21、图中机构1整体绕X轴转动。这样，就实现了调整球拍姿态的这两个自由度。2.4 总体方案描述通过前面三节的设计分析，已经基本上实现了本机械系统的4个自由度的运动要求。为 了更加清晰地表示出本机械系统的整体设计，现给出以下机械运动简图来图解说明本机械系 统的总体方案。图2.6 总体运动简图第三章 主要设计计算说明3.1 电机选择在本机械系统中共有四个电机：驱动球拍位置的X方向电机、Y方向电机，驱动球拍姿 态的角电机1、角电机2。下面通过计算分析选择这些电机的型号。3.1.1 X方向驱动电机选择1 ）选择电机类型和结构模式选用小惯量系列GYS伺服电机，为了更好地控制停机时同步带的运动，应当选择配有制

22、动器的电机。2）选择电机容量P,dP电机工作功率计算公式P = wKW ，P = FV / 1000F = m ad 耳waa联 承 同 承 联承 同 承参数确定：在参考上一代机器人和分析三维造型的基础上，估算出同步带1所需驱动的质量m二15 Kg。在技术要求中指出，需要在0.2s0.3s的时间内把球拍的速度加速至到3m/s,也就是加I速度应当能达至I15 m / s2, 即a = 15 m / s2。f = ma = 15 Kg x 15 m / s 2 = 225 N。考虑到滑块在移动过程中还将要克服直线导轨的摩擦力，查直线导轨的说明书可知，摩擦力F = r xG + f，由于工作载荷G超

23、过了导轨f刮油基 本 额 定 静 载 荷 的 1/10 ， 所 以 摩 擦 系 数 r =0.004 ， 而 滑 动 件 总 重G = M x g = 15 Kg x 9.8N / Kg = 147 N，. F = 0.004 x 147 + 0.2 = 0.788 N。在方案设 f计中总共有四条直线导轨，F = F + 4F = 225 + 4 x 0.788 = 228 .152 N。又 V=3m/s 总f228 .152 N x 3 m / s.P = FV /1000 =0.685 KW。w 1000耳 =耳耳 耳2 耳a 联 承 带 承 联 承 带 承= 0 .992 x 0 .98

24、8 x 0.995 x 0 .988 x 0.992 2 x 0 .988 x 0.995 x 0 .988 0.921计算结果：P 0.685 KWp = f0.744d 耳0.921a3）确定电机转速 nd60 x 1000 x V计算公式：n =带。在第一章第三节技术要求中指出，球拍应达到d兀x D带轮的击球速度V=3m/s。根据三维造型可以初步选取同步带轮的节圆直径D沁100 mm。.nd60 x 1000 x V-H+-带兀x D带轮带轮60 x 1000 x 3 m / s =574 r / min3 . 14 x 100 mm以上述数据为依据，综合考虑本机械系统在工作过程中经常需

25、要急加速的要求和富士公 司现有标准产品，最终选定表3-1所示型号的伺服电机作为X方向电机，再装上该公司生产 的配套减速器（传动比i = 5 ），就可以满足要求。电机型号如下：表3.1X方向驱动电机型号型号额定转速编码器保护等级带油封/键制动额定功率重量GYS751DC2-T2A-B3000r/min17 位INCIP67无油封/带 键带制动0.75KW4.2Kg3.1.2 Y方向驱动电机1 ）选择电机类型和结构模式选用小惯量系列GYS伺服电机，为了更好地控制停机时同步带的运动，应当选择配有制 动器的电机。2）选择电机容量PdP电机工作功率计算公式：P = w KW ，P = FV / 1000

26、 ，F = mad qaw耳=耳耳耳耳 。a联 承 同 承参数确定：在参考上一代机器人和分析三维造型的基础上，估算出同步带2所需驱动的质量m2.5Kg。在技术要求中指出，需要在0.2s0.3s的时间内把球拍的速度加速至到3m/s，也就是加I速度应当能达至I15 m / s2， 即 a = 15 m / s2。f = ma = 2.5 Kg x 15 m / s 2 = 37.5 N。考虑到球拍在移动过程中还将要克服45#钢圆缺导轨的摩擦力，查文献136页表1-12得:黄铜与钢的动摩擦因数卩=0.03，而滑动件总重G =M xg =2.5Kg x9.8N/Kg =24.5N，即 摩 擦 力Ff

27、= G卩=24.5N x 0.03 = 0.735 N，. F = 37.5N + 0.735 N = 38 .235 N。又 V=3m/s38 .235 N x3m /s.P = FV /1000 =0.115 KW。w 1000耳 =耳 耳 耳 耳a联 承 带 承= 0.992 x0.988 x0.995 x0.9880.9635P 0.0918 KW计算纟口果：P = 旷=沁0.096 KWd 耳0.9635a3）确定电机转速 nd计算公式：60 x 1000 x V带兀x D带轮参数确定：在第一章第三节技术要求中指出，球拍应达到的击球速度V=3m/s。根据三维造型可以初步选取同步带轮的

28、节圆直径D带轮61 mm计算结果：60 x 1000 x V带n x D带轮60 x 1000 x 3 m / s939 .75 r / min3 .14 x 61 mm以上述数据为依据，综合考虑本机械系统在工作过程中经常需要急加速的工作要求和富 士公司现有标准产品，最终选定下面这种型号的伺服电机作为Y方向的电机，再加上该公司 生产的配套减速器（传动比i = 3 ），就可以满足要求。电机型号如下：表3.2Y方向驱动电机型号型号额定转速编码器保护等级带油封/键制动额定功率重量GYS201DC2-T2A-B3000r/min17位 INCIP67无油封/带 键带制动0.2KW1.7Kg3.2 带的

29、设计计算3.2.1同步带机构1的设计计算1）确定设计功率P / KWd计算公式：P = K P。由3.1.1可知，P = 0.685 KW ；由文献13294页表7-25查得dA WWK = 1.3，P = 1.3 x 0.685 KW = 0.8905 KW 。Ad2）选择带型（节距 p ）b根据设计功率P和同带轮1转速，查文献13295页图7-4得，选取L或H型同步带，由于 d球拍在移动过程中经常需要急加速，所以选择 H型为佳。再查文献13296页表7-30得，p = 12.7。b3）带轮节圆直径计算公式：d = d = p z /兀。根据转速574r/min和带型H,查文献13295页表

30、7-26及1 2 b表7-27得,z=14, z = 25。d = d = 12.7 x 25 /3.14 = 101 .1(mm )。min124) 确定带长 L / mmp由于所用同步带传动机构两轮大小相同，所以带长计算公式：L(d + d )/2 + 2 a。p12其 中 , 这 里 的 a 按 机 构 需 要 以 及 乒 乓 球 桌 的 长 度 确 定 为 2000 mm ；L = 3.14(101 .1 + 101 .1)/2 + 2 * 2000 = 4317 .5(mm )。计算结果按文献13295页表7-28 p圆整成4318mm。最终结果L = 4318 mm。带的长度代号为

31、1700，带的齿数为340。 p5) 确定带宽bsb计算公式：根据设计要求，设计功率P b (l)1/1-14。s s 0 K Pz0参数确定：由于我们设计的同步带机构两带轮大小相等，所以K = 1 ；查文献13296 z页表7-29得，b = 76.2mm ；查文献13298页表7-32得，P 二 6 ； P = 0.8905 KWs 00d计算结果：b b (J)1/1.14 = 76.2 x (0-8905 )1/1.14 - 49.5，按文献13297页表7-30s s0 K P1 x 6z0圆整成b = 50.8，带的宽度代号为200。s综上述，同步带机构1的型号选择如下：表3.3大

32、带轮型号型号长度代号宽度代号H1700 (4318mm)200 (50.8mm)3.2.2 同步带机构2的设计计算1) 确定设计功率P / KW d计算公式：P = K P。d A W参数确定：由3.1.2可知，P = 0.115 KW ；由文献13294页表7-25查得K = 1.3。计WA算结果：P = 1.3 x 0.115 KW 0.15 KW。d2）选择带型（节距 p ）b根据设计功率P和同带轮2转速940r/min,查文献13295页图7-4得，选取L型同步带。 d再查文献13296页表7-30得，p = 9.525。b3）带轮节圆直径计算公式：d = d = p z /兀。1 2

33、 b参数确定：根据转速940r/min和带型L,查文献13295页表7-26及表7-27得,z=12,minz = 20 。计算结果：d = d = 9.525 x 20 /3.14 = 60.7(mm)。124）确定带长L / mmp计算公式： 由于所用同步带传动机构两轮大小相同， 所以带长计算公式：L =兀(d + d )/2 + 2 a。 p12参数确定：这里的a按机构需要以及乒乓球桌的宽度度确定为1905 mm ；L = 3.14 x (60.7 + 60 .7)/2 + 2 * 1905 4000.5(mm )。最终结果 L = 4000 .5mm。带 pp的长度代号为1700，带的

34、齿数选择为420。5）确定带宽 bsb 计算公式：根据设计要求， 设计功率P b ( l)1/1.14。 s s 0 K Pz0参数确定：由于我们设计的同步带机构两带轮大小相等，所以K = 1 ;查文献13296z页表7-29得，b = 25.4mm ;查文献13298页表7-32得，P 0.72 ； P = 0.15 KWs 00 d计算结果：b b ( Pd )i/i.i4 = 25.4 x ( 0.15 )i/i.i4 6.32，按文献13297页表7-30 ss0 K P1 x 0.72z0以及实际工作情况需要，b = 25.4，带的宽度代号为100。s综上述，同步带机构2的型号如下：

35、表3.4小带轮型号长度宽度代号4000.5mm(420齿)200 (50.8mm)3.3 重要轴的设计计算X方向驱动电机输出的运动与动力参数:电机输出：P = 0.744 KWdP=9.55 x 10 6 x dn=9.55 x 10 3 x0.744 KW3000 r / mina 2.4N - m入： P大主轴P传动轴=P xq xq = 0.744 KW x 0.98 x 0.992 - 0.723 KW d 减速 联P0.744 KWa 主轴 xq xq xq =x 0.992 x 0.988 a 0.365 KW2承 带 联2T = T x i xq xq = 2.4N - m x

36、5 x 0.98 x 0.992 = 11 .67 N - m 大主轴d 减速 减速 联T = T xq xq xq 传动轴主轴 带 承 联=11 .67 N - m x 0.995 x 0.988 x 0.992=11.38 N - mY方向驱动电机输出的运动与动力参数：电机输出： P =0.095KWda 0.31N - mP0 .095 KWT = 9.55 x 10 3 x 旷=9.55 x 10 3 xdn3000 r / minm入：P小主轴=P xq xqd 减速 联= 0 .095 KW x 0 .98 x 0 .992 a 0 .093 KW小主轴T xi xqd 减速 减速

37、xq = 0.31 N - m x 3 x 0.98 x 0.992 = 0.91 N - m 联3.3.1 主大带轮中心轴的强度计算1、计算公式M 2 + （a T ）2a = a caW-12、参数确定1）轴的受力分析（见图3.1a）轴传递的转矩T = 11.67 N - m，由于驱动左右两个滑台的力近似相等，所以在这里Fdt所产生的负载转矩与T 也近似相等，即T a T= 5.835 N - m。传动轴Ft传动轴2T 2 x 5835 N mm.圆周力F = 才=一5835 N mm a 115 N。由于同步带的张紧力很小，可以忽略不 t d / 2101 .1mm记。再加上带轮的自重G

38、, y方向上所受的力F a 155 N。cr)aFtytdACBnAyy2 .3 1N.mACBMbyT = 11.67 N.m,by,“j | | | II T= 5 .8 3 5 N.m Fb)c)d)图3.1 轴的强度计算图2）求支承反力因为 R + R = X F, E M = 0，而得：R = R = = 155 N = 77 .5N。Ay By A Ay By 2 23）作弯矩图和转矩图 弯矩图（见图3.1c ）在垂直平面内有受力的弯矩作用，其中在C点：M = R x AC = 77 .5N x 0.04 m = 3.1 N - m。Ay 作转矩图（见图3.1d）4）经分析：C处截

39、面是危险截面。查文献13536页表15-23得W = 1.09 cm 3。由于机器人球拍需要经常来回移动,1。查文献13525页表15-1得，b = 360 MP1a3、计算结果：bca&M 2 + (aT)2(3.1 x 103)+(1 x 11.67 x 10 3)W1.09 x 10 6a 133 .8MP a = 360 MPa 1a轴强度安全。3.3.2 传动轴的强度计算计算1）扭转强度计算公式a 传动轴 T WdT0.2d 3(1 (r)4)d2）参数确定T 传动轴F11.38 Nmd = 25 mm , d = 20 mm ,考虑到传动轴只受扭矩1作用，: T =40MP 。Ta

40、3）计算结果TT11.38 x10 3t = a传动轴=. a 8.9MP ，T W0.2 d 3(1 (d 1)4)0.2 x 253 x(l 20丿25 4)d 25: T T ，强度计算通过。TT3.3.3 传动轴的扭转刚度计算1 )计算公式584 nTl9 = L r-i 9G (d 4 d 4 ) pi =1i0 i2 )参数确定=11.38 N - m传动轴l = 20 mm , l = 1627 mm , l = 20 mm , d = 19 mm , d = 0 mm , d = 25 mm , d = 20 mm ,123101202d = 19 mm , d = 0 mm

41、, G = 8.1 x 10 10 P , n = 3。303a3）计算结果584T l58411 .38 N - m x 0.02 m 11.38 N - m x 1.627 m申= Zii=(+G (d 4 一 d 4 )8.1 x 10 100.019 4 m 40.025 4 m 4 - 0.02 4 m 4i = 1i0 i11 .38 N - m x 0.02 m + ) 0.019 4m4=0.61 o/m，作为一般的传动，申=1。/mp9 9，刚度计算通过。p3.4 键的校核经过对该机械系统的分析，显然，主动大带轮的联接键、主动小带轮的联接键是其中强度最弱的键，下面对这两个键进

42、行强度计算：3.4.1 主大带轮键的强度计算1）计算公式2T x10 3b = p p kld2）参数确定T = 11 .67 N - m , k = 3.5mm , l = 64 mm , d = 24 mm , p = 80 MPa3）计算结果2T x10 3b =p kld2 x 11.67 N - m x 10 33 .5 mm x 64 mm x 24 mm4.35MPa远小于 p = 80 MP 。a:.键强度安全。3.4.2 主小带轮键的强度计算1）计算公式2 T x 10 3b = p p kld2）参数确定T = 0.91 N - m , k = 2.5mm , l = 39

43、 mm , d = 16 mm , p = 80 MPa3）计算结果2T x 10 32 x 0.91 N m x 10 3kld2 .5 mm x 39 mm x 16 mm1.17 MP，远小于p = 80 MP 。aa键强度安全。第四章 重要零部件的结构设计说明4.1 带的张紧结构设计在学习V带传动张紧装置的基础上，再考虑本机械系统的结构特性，最终得出以下设计 结论：由于两带轮直径较小，中心距比较大，而且是水平布置的，所以采用定期张紧装置。 将装有从动带轮的机构安装在制有滑道的底版上，用螺栓和一个滑板进行联接，方法如图 4.1。1：从动带轮机构； 2：底版； 3：固定螺栓； 4：微调螺栓

44、； 5：微调机构；图4.1 张紧机构简图要调节同步带的预紧力时，先松开螺栓3，将带轮机构1往需要挪动的方向推，为了能对 预紧力进行微调，所以设计图示机构5部分，用扳手旋转调节螺栓3即可对同步带预紧力进行 胃调。待调整完毕后，拧紧螺栓3。4.2 左右滑台同步运动实现策略球拍位置在X方向上的移动是靠左右两平行布置的同步带驱动的，也就是说球拍速度Vx 是和两滑台运动的速度相等的，这就对两滑台的运动提出了这样的要求：在移动过程中左右 滑台的运动必须同步。当然，理论上讲，靠两个电机去分别驱动这两个同步带可以实现使他 们同步转动，但是这在现实工程中是不可能做到的，而且误差也很难控制。而用一个电机去 驱动两

45、个相等大小的同步带，中间通过一根高刚度的传动轴对两个同步带轮轴进行联接，这 样的结构方案比用两个电机驱动两个同步带在可靠度上要好很多，而且容易保证两同步带轮 同步转动，进而保证了左右两滑台的同步移动。在传动轴的结构设计方面，两个键槽必须布 置在同一根母线上，这也有利于保证同步运动。具体结构设计图如下：1：电机； 2：同步带1； 3：传动轴 ； 4：联轴器； 5：同步带2图4.2左右运动同步保证机构球拍导向结构设计球拍导向机构是安装在滑台上，属于移动部分，所以在设计这部分机构时必须考虑到质 量问题，即尽量设计出质量轻的导轨。首先选用空心圆导轨，材料是45钢，以提高强度，这 也是有利于4.2节所考

46、虑的同步运动问题的。另外，由于同步带属于弹性件，光光用一根圆 导轨导向时容易发生颤动和绕圆导轨的周向转动，为了解决这个问题，我们采用了去处一部 分圆缺的办法，利用导轨的圆缺面来定位。为使球拍移动件能与圆缺面导轨实现更佳的接触 配合，便于滑动，所以设计一个法兰盘机构作为中间机构固定在球拍移动件上，此部分的机 构简图如图4.2所示：1：导轨； 2：球拍移动件； 3：法兰盘；图4.3 导向机构简图由于法兰盘2是直接与导轨1接触的，在移动过程中还产生摩擦，导致磨损。为了减轻材 料磨损的程度，并且要求材料在移动过程还应具有一定的顺应性，我们在选材上做了分析， 最终法兰盘选用黄铜制造。另外，对于圆导轨的固

47、定方式采用的是一端固定在滑台上，另一 端可以勉强有左右伸缩余地的形式，这样有利于左右球拍的运动，具有一定的柔性。第五章 结论为期一个学期的本科毕业设计到此为止已经基本结束，这是继上学期的技术实习教学环 节之后又一个重要的学习锻炼时机，也是我的综合能力再次得到较大提高的关键点。通过这 比毕业设计的锻炼，我学到了在书本上没有学到过的很多知识以及在书本上也无法学到的许 多重要的实际经验。在设计过程中，我再次重温了在大一至大三期间所学的专业知识，充分 条用了工程图学、机械原理、机械设计、精度测量、材料力学、理 论力学等课程的一些理论知识，并做到了理论联系实践的科学研究方法，最终完成了毕业 设计论文。在

48、本次的乒乓球机器人机械系统设计中，经过努力思考和精心设计，也呈现出了一些创 新点。如带的张紧装置机构设计，设计出来的机构即可以对带预紧力进行粗调，也可以进行 微调。而且结构简单、紧凑，拆装也方便，制造价格低廉，很具有可行性。又如在球拍的导 向机构设计中，导轨的机构采用了去处一部分圆缺的形式，用黄铜制的法兰盘作为中间联接 件实现球拍的导向移动。这样的设计减轻了摩擦磨损程度，而且法兰盘的加入减轻了一定的 质量。另外，导轨的安装方式也是其中的一个创新点，一端固定，一端自由，具有“刚中带 柔”的特性，移动起来较灵活。然而，设计工作并不是最初所想象的那么一帆风顺的，在设计过程中所遇到的困难也不 少，理论

49、设计与现实制造之间的出入差距导致了许多问题的出现。如在安装四条导轨时出现 了平行度不够的问题，使得在进行电机调试时出现了滑台移动不平稳现象，中间有一段运动 时稍微有点卡住。直线导轨上面的运动物体的运动惯量稍大，使得在停机后仍然无法刹住， 在速度高时会发生碰撞的危险等等，这就要求对出现的问题进行一一的解决。也正是从“出 现问题、解决问题”的这种重复过程中，我又学到了很多东西。比如说如何在实际工程中去 保证理论上所要求达到的直线导轨平行度问题（通过保证定位面的加工精度，运用适当的螺 栓连接方式）、如何在已经设计制造出来的机构上面科学地挖去一部分材料以减轻重量的技 巧等等。经过这段时间的毕业设计工作

50、后，我更加深入地了解了实际工程运用中机械设计的概 念，对与机械的理论设计与实际制造之间存在的不可调和的矛盾也颇有认识。其中我感受最 深的是创新性思维在实际机械工程设计中产生的微妙的作用，这对于我日后踏入社会参加工 作将具有非常巨大的指导意义：要敢于创新，设计时思维要活跃，同时也必须考虑实际的制 造加工条件，而不能一味地追求理论上的完美。最后，由于能力有限、经验不足以及时间上的仓促，使得在设计编写过程中难免会出现 一些谬误和不妥之处，敬烦读者批评指正，提出宝贵意见。致谢首先，我要感谢我的指导教师段福斌老师。在我做毕业设计的过程中，段老师事物工作 本已非常繁忙。但是他仍然定期地安排时间对我们进行当

51、面指导，并时不时地通过网络给我 传达他的意见。从选题、课题的开题、到着手设计和编写论文，装配图批改和论文的整理等 整个过程都给予了细心督控和精心指导。尤其是在指出我的装配图中的错误和在设计过程中 传授许多宝贵的实际工程经验时使我收益匪浅，这对我以后的工作定将有非常重要的举蒙意 义。同时也很感谢段老师为我提供参与实际科研项目的机会，让我在现实工程中直接学习科 研经验。他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样。在此，我再次感谢段老师 为我所付出的辛勤劳动。其次，我要感谢我的室友们和浙江大学电气学院的张远辉博士，“独学而无友，则孤弱 而寡闻”，是他们在我遇到困难时给我提供了一些宝贵的意见，从

52、和他们的探讨中我学会了 更多的知识，解决了许多问题。感谢张博士为我的设计提供了许多重要的实验数据。如果没 有他们的真诚帮助，我不可能会在这么短的时间内顺利完成任务。当然还要感谢所有为我传授知识、传授学问的老师们，尤其是专业课的老师。是他们辛 勤的教育工作为我们打下的坚实的机械专业知识基础；同时还要感谢所有的同学们，是他们 和我一起度过了难忘的大学四年。我会永远记住你们。最后感谢机械学院和母校浙江科技学院四年来对我的大力栽培。 参考文献：1 R.L.Andersson ，“A Robot Ping-Pong Player：Experiment in Real-Time Intelligent C

53、ontrol” ， The MIT Press, 1988.2 Fumio Miyazaki, Masahiro Takeuchi, Michiya Matsushima, Takamichi Kusano and Takaaki Hashimoto， “Realization of the Table Tennis Task based on Virtual Targets” , Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation Washiongton, DC. May 2002.3

54、Masahiro Takeuchi, Fumio Miyazaki, Michiya Matsushima, Masato Kawatani, and Takaaki Hashimoto，“Dynamic Dexterity for the Performance of“Wall-Bouncing” Tasks” , Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics & Automation Washiongton, DC. May 2002.4 F. Miyazaki, Y. Masutani, E. Hiro

55、se, D. Nakamura and N. Sato ，“State estimation of a spinning ball using LWR (Locally weighted regression),日本学会志，vol.16,No.5,p.684-689, 1998 .5 Yoshirou Hatada, Hiroyuki Miyamoto，“A ping-pong robot which learn from failure” , 电子 情报通信学会技术研究报告.NC,二工-口vol.102, No.430, p.31-35,2002 .袁建畅.乒乓球机器人腕部结构的研究，西北纺

56、织工学院报，Vol.15, No.1,pp44-49,2001.7 韩同康，蔡振华，尹霄 应用乒乓球机器人进行辅助训练的效果观察国家男子乒乓球 队主力队员应用研究总结J，中国体育科技，1994,(02).8 杨则正.工业上应用的视觉技术系统的发展J,管理科学文摘，1995,(10).9 张贞子，罗兵.机器人视觉定位系统的研究与实现J，哈尔滨工业大学学报，1997,(06).10 李荣.乒乓球发球与接发球技术训练J，安徽体育科技，1997,(03).11 孟广丁，陈英杰.乒乓球运动中的力学分析J,燕山大学学报，1996,（01）.12 陈德林，舒清华.乒乓球多球训练的运用时机J,中国学校体育，1

57、994,（01）.13 朱龙根主编.简明机械设计手册（第二版），北京：机械工业出版社， 2006.14 方文中主编.同步带传动，上海：上海科学普及出版社， 1993.15 陈秀宁主编.机械设计基础，杭州： 浙江大学出版社， 1999.16 濮良贵，纪名刚主编.机械设计（第七版） ，北京：高等教育出版社， 2001.17 谭建荣，张树有，陆国栋，施岳定主编.图学基础教程，北京：高等教育出版社， 199918 龚桂义主编.机械设计课程设计指导书，北京：高等教育出版社， 1990，（04）.19 龚桂义主编.机械设计课程设计图册，北京：高等教育出版社， 1989，（05）.20 王章忠主编.机械工程材料，北京：机械工业出版社， 2001，（05）.