网球自动捡球机设计【23张CAD图纸和毕业论文】

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论文起止时间：自 年 月 日起 年 月 日止学生（签名）：指导教师（签名）： 院（系、中心）负责人（签名）：注：表格不够可另附页中国海洋大学本科毕业设计开题报告题 目 网球自动捡球机设计院、 系 工程学院机电工程系 专 业 机械设计制造及其自动化 (年级)2011学生姓名 姜杰 学 号 080242011013 指导教师 谢迎春 教务处制表 2015 年 4 月 2 日一、选题依据课题来源、选题依据和背景情况；课题研究目的、学术价值或实际应用价值1、课题来源、选题依据和背景情况。本课题为教师自拟课题。根据国际机器人联合会 (International Federation of Rob otics, IFR)发布的2014年服务机器人研究报告，2013年个人和家用服务机器人销量大约为四百万台，比2012年增长28%，市场规模约为17亿美元。据估计，将有3100万台个人服务机器人于2014至2017年之间售出，这也就意味着服务机器人在这一领域将有持续而强劲的增长。可见机器人将越来越多的走进日常生活当中，而网球运动正在全世界范围内得到越来越多的关注和喜爱，但是网球爱好者，特别是运动员在进行网球训练的时候，要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作，每个人都不可能像专业运动员一样拥有自己的球童，而具有高效、全自动捡球功能的机器可广泛应用于各种类型的网球练习场地，为人们进行网球训练提供便利和节省时间。因此网球训练迫切地需求自动捡球机器人来辅助。2、课题研究目的、实际应用价值据中国网球协会官方最新数据统计，到2008 年，凭借郑洁温网杀入四强和李娜的奥运会四强，国人网球热情空前高涨。中国网球人口已突破 800 万。而随着李娜法网捧杯，WTA官网甚至认为，李娜的大满贯冠军将为中国增加 3 亿网球人口。由此可分析，我国的网球运动必将蒸蒸日上，市场上对网球捡球机的需求也会直线增加。本课题的主要研究目的是本项设计主要目的是开发一种网球自动捡球机，解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并同时具有高效率和无遗漏的特点。二、文献综述国内外研究现状、发展动态；查阅的主要文献国内外研究现状、发展动态随着网球这种高强度远动的普及，越来越多的人参与其中，但对于普通运动者来说，不可能有球童负责为其捡球，遍布全场的网球拣起来实在是件累人、费时的事，针对这一现状，网球场捡球机器人应运而生1。目前网球捡球机构较少，较为经济的网球捡球机多以人工操作为主，又有圆筒式、滚筒网状式和篮筐式等用弹性条状材料制作，其间距略小于网球直径，用力压下或者滚过球身时将球压进筒或筐中。网球筐和网球筒是早期提出的方案，有的机构已经做出了产品。这类机构一般都十分简练实用，但效率一般较低，人工参与的比较多。市场上已经存在不同种类的网球捡球篮(如图1、图2所示)和捡球筒(如图3、图4所示)，都是通过人工操作实现的。但是这种捡球机构不能适应网球的直径变化；可能出现“卡球”现象；对网球的伤害较大，减少了网球的使用寿命；不能够捡拾网球场边缘的网球，而且对网球场地有一定的损伤。图2 网球筐2图1 网球筐1 图4 捡球筒2图3 捡球筒1网球捡球筒的结构更为简单， 主要由收集筒、手柄和进口阀弹簧组成。收集筒用于存储收集到的网球；手柄便于操作；而进口阀弹簧保证了网球的单向通过，使已经捡起的网球不会掉落。这种捡球机构简单方便，成本低，但存在不少缺点。与网球筐一样，对网球伤害较大；捡球时作用相对较少，需要人工寻找对准网球，实际上只是减少一个弯腰的动作；效率极低，一次只能捡一个球，存储球的数量也十分有限；随着捡球数量的增加，捡球难度也增大2。目前市场上还出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要有人操作。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙，既浪费空间，又影响训练人员打球，还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。而且，此类捡球车只适用于地上球较多的情况，它的适用环境较局限4。图5 自动网球捡球机图5是一种自动网球捡球机，该遥控自动网球拾球机主要组成包括车体、拾球滚筒、储球箱、驱动轮、万向轮、传动齿轮组、传感器、电路板、电池和拉杆式推把等部件。其工作原理为：采用后轮驱动，左、右驱动轮由两个电动机分别带动，前轮是万向轮， 起支撑的作用，共同实现拾球机前进、转弯及后退等动作。万向轮转动时通过传动齿轮组带动拾球滚筒5，传动齿轮组与万向轮之间是采用单向推力轴承联接， 保证了拾球滚筒在前进时转动而自动拾球, 而在后退时停转以防止滚 筒反转将网球带出箱外6。 拾到的网球暂时存放在储球箱中，储球箱设计为抽屉式结构，可随时安放和取出。拉杆式推把可根据拾球人员身高的变化而相应地调节长度，推把长度的范围在70120cm，该结构非常灵活。结构设计考虑到传感器的安装， 用于避障检测用的两对红外反射式传感器分别安装在前面左、右两端，三对红外对射式传感 器安装在储球箱的上部内侧。电路板和电池是拾球机的控制系统，控制着其他部件的动作4。目前较先进的拾球器是全自动拾球机，采用机械臂和图象识别等高科技，不需人工操作，可以完全自动拾球，但效率低，每次只能拾起一个球，且结构非常复杂， 成本相当高，不容易推广3。国外的自动捡球机构也较少,大部分常见的都是半自动人工参与的,如图6,7均为手动式捡球机7,8，这两款捡球机与上述国内捡球机比较类似，纯手动操控，机构简单，操作方便，价格低廉，但人性化不足。 图7 国外捡球机2图6 国外捡球机1 图9 国外捡球机4图8 国外捡球机3图8和图9为国外的半自动捡球机10,11，其结构复杂，造价成本高，体积较大，占空间，操作简单，捡球效率高，但不能自主完成捡球过程，需要人的辅助，综合来说需要改进的部分较多。除此之外，关于乒乓球捡球机的研究也比较多，由于乒乓球与网球结构上比较相似，同时为了拓展视野，我也对乒乓球捡球机进行了相关的调研。乒乓球的直径为40mm，质量为2.7g，具有体积小、质量轻的特点，特别适合吸力装置吸取。风扇在转动时，抽风的一端会形成负压;如果将一个管道与风扇的抽风面相连接，则在风扇的作用下，管道内的气压将小于管道外的大气压， 管道口附近的物体将在压力差的作用下被吸进管道里11。利用这个原理制作的捡乒乓球机如图10所示。图10 乒乓球捡球机器人1再有一种就是“收割式”捡球机，该方案捡球效果好且设计与制造方便，机械传动链少，造价低。其设计图如图11所示。其工作原理为：人手握可调节的推杆以正常行走速度向有散落乒乓球的区域走动，带动捡球机的驱动轮转动，驱动轮又带动叶轮转臂转动，通过叶轮齿片将乒乓球划入捡球机内，过挡球板，进入可方便拆卸的储球盒内，实现了散落满地乒乓球的捡拾工作12。图11 乒乓球捡球机2相对于体积小，质量轻的乒乓球，高尔夫球与网球更为接近，在此，我还查找了有关高尔夫球捡球机的相关资料。由于高尔夫球场面积广，对捡球机器人的需求并不高，因此只有较为简单的捡球装置，如图12所示13：图12 高尔夫捡球器网球捡球机的需求量很大，国内外相关设计也不少。本设计主要工作是通过对不同捡球机功能、特点、和相关参数进行分析后，得到设计捡球机的关键技术问题，从而对现有的设计方法加以改进，设计出一种更加高效、智能、防卡球现象的自动捡球机。参考文献1 席泽生. 网球场捡球机器人系统设计J.电气与自动化,2012,41(2):140-1412 韩良，王德彬，龚焕.智能网球车的研制J.机电技术，2011，2:49-543 吕腾飞，陆丽等.智能网球捡球机的研制J.电子世界4 卢飞跃，刘志锋.遥控自动网球拾球机的研制J.机电工程技术，2010,39(06):86-895 王侃，杨秀梅.网球训练场拾球机的设计A.第十二届全国机械设计协会，20066 胡利永，章磊，郑堤，等.落叶清扫机器人的研制J.机电工程，2009,26(10):96-987 Tennis Ball Pick-up and Storage DeviceP.US:US 20020151390A1,oct.17,20028 Ball-picking DeviceP.US:US006481768B1,Nov.19,20029 Tennis Ball Pick-up CartP.US:US 20140294547A1,Oct.2,201410 Tennis Ball Collection DeviceP.US:US008920101132,Dec.30,201411 许东伟，刘建群，林淦.乒乓球捡球机器人的设计与实现J.机床与液压，2014,42(3):16-1912 朱建，安必胜，朱向楠.乒乓球捡球机的创新设计与感悟J.工程技术与应用，2011,8(1):34-3613 Golf Ball Pick-up DeviceP.US:US007165796B1,Jan.23,2007三、研究内容1 学术构想与思路；主要研究内容及拟解决的关键问题（或技术）随着我国网球运动的不断普及，越来越多的人开始参与到其中，网球训练中网球的使用数量会很多，基本上会布满整个网球场，这时捡球便成为一件令人头疼的事，因此设计一款结构简单，价格实惠，能够快速捡起网球的网球机器人的需求也日益增长。本课题的主要研究内容：设计一款高效的网球自动捡球机，解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并具有高效率和无遗漏的特点。拟解决的关键问题有：（1） 捡球方式的选择；（2） 传动方式的选择；（3） 行走速度分析；（4） 球道数选择。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法：利用文献调研和市场调查对市场上已有产品进行分析，比选实现本课题目标的最佳技术途径和机械机构方案，以此为基础，完成零件和整机的图纸设计。技术路线：确立设计背景期刊检索市场调研专利检索修改完善初步设计原理设计强度校核结构草图装配图零件图设计说明书实施方案：（1） 查阅相关的文献资料，了解相关设计方案及原理；（2） 捡球机机械系统运动方案设计；（3） 捡球机零部件参数计算，以及选取；（4） 捡球机三维图及二维CAD图纸绘制；（5） 撰写毕业论文。可行性分析：目前关于网球捡球机的研究也很多，这些研究做出的捡球机均可以实现，并可以轻松完成捡球任务，因此只要参照现有的设计方案的原理以及结构形式，并加以计算、改进，一套可行的新的设计方案是完全可以实现的。四、论文（设计）进度安排起止时间主要内容预期目标3.93.223.234.54.64.194.20-5.155.16至月底查阅相关资料，撰写文献综述，翻译外文资料，完成开题报告的撰写完成捡球机机械系统运动方案设计捡球机的总体结构设计和标准件选型完成捡球机装配图和主要零部件图的绘制撰写毕业论文了解现有网球捡球机构造，和国内外发展现状完成初步方案设计完成结构草图设计完成装配图和零件图完成整个毕业设计五、审核意见导师意见 导师签字: 年 月 日审核小组意见审核小组成员签字： 年 月 日11无线可移动机械臂摘要最近几年，随着无线应用的广泛使用，对一个能够轻松连接远距离数据传输设备无需电缆的系统的需求也日益增长。这篇论文讲述了无线可移动机械臂的发展状况。这是一个能做到捡起、放下运算并可以用无线PS2手柄控制的可移动机器人。它可以根据控制器的指令进行一定距离的前进、后退、左转和右转。这种机器人的开发基于Arduino Mega平台，这个平台可以将无线控制器与可移动机械臂连接起来。为了了解机械臂的表现，我们分析了机械臂的速度、行程以及承载能力。最终，这个机器人的原型有望解决一些像放置或拿起远离使用者的物体以及以最快速简单的方式放置或拿起有危险的物体的问题。1.引言如今，机器人取代人类广泛地被整合到工作任务中，尤其是在反复作业中。总体来说机器人学可以分为两类：工业机器人和服务机器人。国际机器人联合会这样定义服务机器人：服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。目前移动机器人被应用于许多领域包括办公，军事任务，医院手术，危险的环境和农业1。除此之外，工人们在捡起和放置一些可能对他们有影响的东西时会有一些困难。例如，一些人类不能触摸的化学药品，军事上拆出炸弹时需要机器人来取放炸弹，用户在坐着的时候需要机器人来帮忙取放物品等。因此，一些机器人可以取代人类来做一些工作。无线控制的机器人可以保证其远离用户工作。例如，过去的无线电自主导航机器人项目就跟这个项目类似2。这个机器人在物理上适合无线电工作。除了无线电控制之外，蓝牙也是一个无线传输控制机器人的可用平台3。机器人的动作通过蓝牙连接远程控制。对这个项目来说，这个机器人在各个方向（前，后，左，右）都能实现运动。2.机械臂的定义机械臂是通常一种可编程的，跟人的手臂有着相似功能的拟人机操作手。这样一个操纵器的连接部分由一些允许回转运动（例如在一个铰链式机器人中）或者平移（线性）运动的接头组成4。操纵器的连接部分可以形成一个运动链5。操纵器运动链起作用的一端被称为末端执行器，它与人手类似。末端执行器被设计用来完成想要完成的任务，例如：焊接，夹紧，旋转等，这取决于应用。机械臂可以自动或者被人工控制来高精度的完成一系列任务。机械臂可以是固定的，也可以是可以动的（例如，带轮子的），可以应用在工业领域，也可以家庭服务。无线可移动机器人也已经发展了好多年6。3.研究方法3.1项目概览在这个项目中，软硬件相结合会使系统变得可靠。Arduino Mega会成为机器人的接口，无线PS2手柄会控制机器人的运动。项目概览如图1所示：3.2系统架构表1列出了无线可移动机械手臂的项目规范。制作这个规范的主要目的是列出这个项目的一些重要部分和确保这个项目可行并且适合在市场上使用。3.3机械设计图2列举了一些机器人的设计，有（a）主体结构手臂机器人，（b）手臂机器人设计，（c）移动搬运手臂机器人。机械手臂主要有基座、肩膀、肘部、腕部和爪子等五部分组成。对机械手来说，像支架、U型架等伺服机构被用来放置马达的，都是用铝来制作的，因为铝很轻。爪子部分也是用铝做的，因为它和机械手主体框架结构相似。正如图2（c）所示，移动机器人的外形尺寸为：长28cm，宽15.5cm，高8.5cm。移动机械手臂的主要材料是亚克力板，因为它易成型，价格低，坚固并能够承受马达的重量和运转。3.4电路设计图3（a）是使用Protens模拟的马达驱动移动机器人的电路设计，图3（b）表示通过使用PCB巫师软件，每一个电子元件都被特定安排来为Arduino Mega创造空间。3.5软件研发软件是一套程序、规程、算法和与数据处理系统相关的文档。在这个案例中需要软件来完成项目的任务。Arduino集成开发环境：Arduino硬件使用一种与C+相似、只有轻微的简化和修改的线基语言和一种过程基础的完整开发环境为基础。Proteus 7专业版：这个软件仅仅被用来设计移动机械臂的马达驱动电路。因为为了使机械臂能够实现前进、后退、左转和右转，需要像继电器和晶体管之类的电子元件来实现。谷歌Sketch Up:整个项目被分成了两个设计部分。一部分是机械臂，另一部分是移动机器人。PCB Wizard:这个软件可以用来创造和设计接线板里的电子设备的安放。由于使用的电子元件少，这个项目会用单层的接线板。3.6 Arduino Mega 2560正如图4所示，Arduino Mega 2560是一块基于ATmega2560单片机板。它具有54个输入输出接口，包括14个PWM输出，16个模拟输入，4个通用异步收发器（硬件串行端口）1个16MHz的晶体振荡器，1个USB接口，1个电源插口，1个ICSP接头，1个重置按钮。它包含了用来支持单片机所需的所有东西；可以用一条USB连接线轻松的将其连接到电脑上且可以用交流电转直流电的电源适配器或电池来供电。3.7索尼PS2无线手柄这个项目所使用的PS2无线手柄如图5所示，使用手柄可以了控制包括爪子和可移动机械臂在内的伺服系统运动。另外，无线手柄相比有线来说有一个优势，因为它可以无线地与机器人交流。手柄的频率为2.4GHz，并带有振动反馈。它的发射器和接收器可以分离操作。手柄使用的电源是两节3号电池。4.结果与讨论4.1完成机器人设计图6展示了无线移动机械臂的完整机械结构。在不工作时机器人的外形尺寸为29X19X25.5cm，重量为1.55Kg。4.2无线移动机械臂的分析图7展示的是移动机器人的轮子的运动。机器人可以前进、后退、右转和左转。当按下手柄的按钮时，LED灯会点亮。输入的电源供应对移动机器人来说是很重要的，因为它可以控制伺服电动机的速度。因此表2展示了机器人在不同电压供给下行走一米的分析。正如表格所示，电压降低，机器人行走一米的时间会延长。但是，当供给电压为6V时，移动机器人会停止运动。因此可以得到结论，移动机器人的电压供给与运行速度成反比。4.3机械臂的运作图8列举了移动机器人的工作场所。机器人的工作场所在一个旋转控制器中。它包含了代表自由度的轴。对这个项目来说，机器人有4个自由度机械手臂的承载能力取决于伺服电动机的力量。如果载荷超过了伺服电机的力量，会造成伺服电机不工作，和更多的电流消耗。表3展示了机械臂的不同载重量。由于只是原型设计，机械臂的载重量非常小。4.4无线PS2手柄的应用无线移动机械臂可以移动，并可以用PS2无线手柄来控制。在这个项目中，机器人的原型随着手柄的按钮同时动作。14个LED灯对应着手柄的按钮，按下按钮灯就会亮。图9（a）展示了基于编程代码的手柄导航，9（b）展示了每一个按钮所代表的LED灯。手柄的频率为2.4GHz无线频率，最大操作距离为8米，45度。如果手柄的电池电量降低，信号强度也会降低。因此接收器和发射器之间的连接就会断开。表4展示了机器人的有效工作距离。4.5伺服电动机的分析伺服电机是三线输出的。其中两个是电源和接地接口，另外一个是对马达进行位置反馈的。PS2无线手柄会控制伺服电机的定位。机器人的首要位置是伺服电机的90度位置。图10展示的是不同的脉冲宽度进入伺服电机的信号线时的不同位置角度。4.6电路分析正如图5所示，这个项目所有的电路将有3种电源供给。对电源供应3来说，LM7806的调节电压为6V12V，因为这是给私服系统供电的最大电压。相比锂电池来说，使用可充电且电压高的铅酸电池，可以使伺服电动机正常工作。5.总结总的来说，这个项目的目标都已经实现：开发出了无线移动机械臂的软件和硬件，实现了取放物体的系统操作，测试机器人满足目标标准。从已做的分析可以看出，机器人的运动是精确的，易操作的且用户友好的。机器人的动作（包括移动和机械臂部分可以被无线控制）表明了移动机器人的成功研发。这个机器人的原型有望解决一些像放置或拿起远离使用者的物体以及以最快速简单的方式放置或拿起有危险的物体的问题。6.建议总体来说，机器人程序运作的像计划一样顺畅。对以后的建议是，希望机器人可以安卓一个摄像头来观察并在显示屏上显示。除此之外，机器人原型的材料也可以升级一下，这样机器人的承载能力就会加强且可以做多功能操作。7.致谢感谢项目管理员Reza Ezuan Bin Samin工程师和Babul Salam Bin KSM Kader Ibrahim教授对这个项目的鼓励和支持，也感谢共事的朋友们在项目期间提供的帮助以及在遇到问题时他们的宝贵想法。参考文献1R.C.Luo, K.L.Su,.A multi agent multi sensor based real-time sensory control system for intelligent security robot. IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 2, 2003, pp.2394 .2399. 2Tan, Ming Chun (2005). Autonomous Robot Navigation using Radio Frequency. Bachelor Project. Thesis. Universiti Teknologi Malaysia, Skudai. 3Jennifer Bray, Charles F. Sturman (2002). “Bluetooth: connect withuot cables”, Upper Saddle river, New Jersey: Prentice-Hall PTR.4Robot entry, http:/education.yahoo.com/reference/dictionary/entry/robot accessed on 7th April 2012 at 2.00p.m. 5D.L. Pieper. The kinematics of manipulators under computer control. PhD Thesis, Stanford University, Department of Mechanical Engineering, 1968. 6L.Feng, J.Borenstein, D. Wehe, A Completely Wireless Development System for Mobile Robots.ISRAM conferecence, Montpellier, France, May 2730, 1996, pp.571-576.分类号密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 网球自动捡球机设计 学生姓名 姜杰 学号 080242011013 指导教师 谢迎春 院、系、中心 工程学院机电工程系 专业年级 机械设计制造及其自动化2011级 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中 国 海 洋 大 学7网球自动捡球机设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要随着网球运动的不断普及，越来越多的网球爱好者开始投身于网球锻炼中来，而在网球训练时，网球的使用量非常大，频繁捡起随机散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作，且不是每个人都能像专业网球运动员一样拥有属于自己的球童，因此高效的自动捡球机会为训练者们提供便利，节省时间。本课题研究目的在于设计一款网球自动捡球机，使其具有高效和不遗漏的特点，并尽可能解决卡球、伤球的问题。本次设计完成了捡球机机械系统运动方案设计，零部件的设计计算和分析，以及三维图和二维图纸的绘制，最终完成了网球自动捡球机的整体机构的设计。关键词：捡球机构；驱动系统；控制系统AbstractWith the continuous popularization of tennis，a growing number of tennis enthusiasts begin to come into tennis exercise。And in the tennis training，the usage of tennis ball is very large，its a time-consuming and effort-consuming work to frequently pick up the tennis balls which are scattered in a wide range，but not everyone could have their own caddie just like the professional tennis players，so high-efficiency automatic tennis ball pick-up machine will provide convenience for the trainers，and save time。The main purpose of the topic is to design a kind of automatic tennis ball pick-up machine which has the characteristics of high efficiency and not missing，and solve the problem of ball stuck and damage。This topic deals with kinematic precept design，calculation and analysis of components and parts，and three-dimensional diagram and two-dimensional drawing，finally finish design of the automatic tennis ball pick-up machine。Keys：Agency to pick up the ball；Driving system；Control system目 录1 绪论11.1课题的研究背景11.2国内外研究现状11.3本章小结42 总体方案设计52.1设计要求52.2关键问题52.3方案的选择和确定52.4整体方案三维图72.5本章小结83 机械结构及零部件的设计与校核93.1捡球篮的尺寸93.2捡球机行走速度的计算103.3同步带的设计113.4球道的设计123.5捡球机同步带电机的选择133.6同步带轴的设计与校核153.6.1求轴上的功率P1、转速n1和转矩T1153.6.2初步确定轴的最小直径163.6.3轴的结构设计163.6.4计算轴上的载荷183.6.5按照弯扭合成应力校核轴的强度193.7车轮的选择193.8驱动原动机的选择193.9车轮轴的设计与校核213.9.1确定轴的最小直径213.9.2轴的结构设计213.9.3轴的校核223.10本章小结234 自动控制系统设计244.1行进方案的确定244.2 单片机的选用244.3本章小结25总结与展望26总结26展望26参考文献27致谢291 绪论1 绪论1.1课题的研究背景根据国际机器人联合会（International Federation of Robotics, IFR）2014年发布的服务机器人研究报告，2013年个人和家用服务机器人的销量在全球范围内大约为四百万台，相比2012年同比增长28%，粗略统计市场规模约为17亿美元，据估计，未来2014到2017年之间将会有3100万台个人服务机器人售出1。这也就意味着在服务机器人领域将会有持续而强劲的增长，服务机器人将越来越多的走进人们日常生活当中。根据中国网球协会官方最新数据统计，到2008 年，凭借着郑洁温网杀入四强和李娜的奥运会四强，国人网球热情空前高涨。据统计，目前中国网球人口现已经突破900 万。而随着李娜在法网和澳网夺冠，国际女子职业网联（WTA，Womens Tennis Association）官网甚至认为，李娜的大满贯冠军将为中国增加3亿网球人口2。网球作为世界第二大球类运动，正在受到越来越多人的关注和喜爱，网球爱好者在进行网球训练过程中，网球的使用数量巨大，短时间内需要频繁捡起散落在很大范围内的网球是一件耗时耗力的工作，而每个人不会像专业运动员一样拥有自己的球童，因此网球训练亟需自动捡球机器人来辅助，为每位网球爱好者提供便利，节省时间。1.2国内外研究现状目前市场上的网球捡球机构比较少，较为经济、方便的网球捡球机构大多以人工操作为主。网球筐是目前市场上最为常见的产品方案，如图1-1，1-2所示，其工作原理很简单，用力下压将球挤进球篮里，球篮网格的尺寸相比网球略小，保证网球进入球篮之后不会掉落，同时在不捡球时，可以将支架倒转使其站立，辅助网球训练，其结构简单，操作方便，价格便宜。图1-1 网球篮图1-2 网球篮另外一种与网球篮的工作原理比较相似的网球捡球机构是网球筒，如图1-3、1-4所示3，其结构相比网球篮更加简单，主要由球筒、手柄和收球部分组成。挤压将球收进球筒之后，单向通过的收球装置，保证网球不会掉落。图1-4 网球筒图1-3 网球筒以上两种捡球机构的主要优势是结构简单，造价低，使用方便，但也存在较多的缺点，捡球过程中对网球的损伤较大，且容易卡球，需要人工寻找并对准网球，效率低，且一次只能捡一个球，同时网球筒一次捡球数量很小，当网球数量较多时，捡球难度会大大增加。综合来看，网球篮和网球筒相对比较原始，由于成本低，适用于网球较少的训练场景，但是与今后网球捡球机构的发展趋势不符，具有明显的局限性。目前市场上还出现了一类手推式网球捡球车，如图1-5所示。这种捡球机的主要特点是：可伸缩球篮架，可循环换篮，拾球数量没有限制；轮子采用高级耐磨PU材料，不伤网球场；捡球直径可以达到100cm4。其主要工作原理是人推动小车前进，球顺着球道进入轮子之间，轮子的摩擦力将球夹住，带入球篮之中，这种捡球车页存在不少的缺点：需要人工操作，捡球过程容易对球产生损伤，且价格偏高，普通人消费不起。图1-5 波力网球捡球机SS-401国外的与网球捡球机的研究也并不是很多，可以找到的研究基本都是设计专利，如图1-6，1-7所示5,6。图1-6 国外网球捡球机专利图1-7 国外网球捡球机专利其中，图1-6是一款与网球篮相似的网球捡球机构，使用时操作者握住手柄，推动捡球机前进，同时将球卡进中间的球篮，其结构同样简单，但是效率低下，且容易漏球。图1-7是一款自动网球捡球机，这款网球捡球机基本实现了全自动捡网球，其主要捡球原理是：捡球机在前进过程中，网球累积在挡板上，挡板运动将球抬升进入后面的球筐里。这款网球捡球机存在着明显的设计缺陷，因为在捡球过程中必然会出现网球停在挡板下方的情况，这会导致捡球机被卡住的情况，进而造成电机烧毁等严重后果。1.3本章小结本章主要讲述了文献检索之后的主要成果，对现有的捡球机机构进行查阅、分析，对目前存在的捡球机主要工作原理有了比较详细的了解，有助拓宽视野，发散思维，同时比较各种捡球方式的优缺点，利于之后的捡球机构的设计。2 总体方案设计2 总体方案设计2.1设计要求本课题的主要设计要求是设计一款高效的网球自动捡球机，尽可能解决同类产品中可能出现的卡球和伤球现象，并使其具有无遗漏的特点。其主要设计参数如表2-1所示表2-1 设计参数表项目指标1.一次捡球数量/个1002.一次捡球周期/min10002.2关键问题（1）捡球方式的选择；（2）传动方式的选择；（3）行走速度分析；（4）球道数选择。2.3方案的选择和确定针对本课题，经过一段时间的查找资料，参考现有的相关设计，首先提出的方案是利用智能机械手臂实现捡球动作，这种方案虽然原理简单，但是实现起来比较困难，对系统控制的要求高，机械结构的精度要求更高，且一次只能捡起一个球，效率很低，高额的成本也导致这种方案不适用于普通的网球训练，因此机械手臂的方案得到否定。其次提出的捡球机构方案如下图2-1所示，其主要原理为：捡球机采用后轮驱动的方式，两个后轮分别用步进电机控制，便于控制车速，通过差速实现拐弯作业，前轮由轮轴连接，在捡球车前进过程中，后轮驱动前轮转动，前轮轴上的同步带，可以带动扇叶转动，扇叶转动将到达车前的网球拨入后置的球篮里。图2-1 扇叶式捡球机构原理图针对此方案，进行了初步的设计与计算，并绘制了三维图，如图2-2所示，手柄设计的出发点是手自一体化，首先设计的是手动式，因此起初设计时并没有将后轮的步进电机加进去。图2-2 扇叶式捡球机此设计方案，设计过程中，也发现不少问题：（1）转弯问题。起初在考虑后轮驱动，通过变速转弯时，没有考虑前轮的转弯问题，由于两个前轮通过一根轮轴连接，因此当后轮差速拐弯时，前轮没办法同时跟着后轮转动，前轮的运动变成侧向滑动，摩擦力大，轻则损伤车轮，重则无法拐弯烧毁电机。（2）捡球数量问题。由于捡球机构的限制，捡网球过程中网球的抬升高度无法很高，且为了提升装球数量，不得不把球篮做成斜坡形式，导致后面球篮很小，可以装球的数量无法达到预期的100个。且网球提升过程中由于斜坡短，提升速度较快，网球可能飞出去。由于各种缺点，此方案也得到了否定。最终，提出的设计方案如图2-3所示，其主要工作原理为：由电机驱动，通过三个大小相同的同步带带轮带动同步带转动，在捡球机前进过程中，同步带上的拨板将网球沿斜坡送入后置的球篮之中。43521图2-3 同步带加拨板原理图1网球；2球道；3同步带带轮；4拨板；5同步带本方案的设计由方案二演变而来，两个同步带轮被三个同步带轮所替换，带拨板的同步带替代了扇叶，使用电机带动同步带的主要目的是提高球道的高度，提高装球数量。相比前两种方案，本方案的优点是：结构相对简单，制造难度低；不会出现卡球、伤球的现象；可盛装网球数量大，可以满足捡球要求。2.4整体方案三维图经过不断地设计计算，选取相应的标准零部件，并进行其余零部件的设计绘图，最终得到捡球机的总体装配图如图2-4所示。从图中可以看出，车身前面的小车轮加支架为捡球机的收集装置，在捡球机前进过程中最大限度的收集网球，并将球引导进入球道，同时很好的避免了球在进入球道之前四处乱窜和不进入球道的问题，收集装置前方的车轮主要起导向作用，同时支撑收集装置支架，避免其发生形变。图2-4 整体方案三维建模2.5本章小结本章主要讲述的是捡球机捡球方案的确定过程，经过不断地设计筛选，最终确定了一套相对合理，缺点少，易于实现的方案，为捡球机整体设计奠定了基础。3 机械结构及零部件的设计与校核3 机械结构及零部件的设计与校核3.1捡球篮的尺寸根据设计参数要求：一次捡球数量100个。按照标准网球的直径要求65.41mmd68.58mm进行设计计算，理想状况下，盛放100个网球所需要的最小容积为Vmin=43(dmin2)3n=43(65.4110-32)3100=0.0146m3 （3-1）而盛放100个网球所需要的最大容积为Vmax=dmax3n=(68.5810-3)3100=0.0323m3 （3-2）式中，V捡球机捡球篮的容积，m3； dmax单个网球的最大直径，m； dmin单个网球的最小直径，m； n捡球篮所装网球的数量，个。因此捡球篮的容积V需要满足的理论条件为：VminV100个，因此捡球篮的实际体积应该大于最大容积Vmax，参考球道以及捡球车整体机架结构的设计，确定捡球筐的内部容积基本尺寸为0.30.40.3m，分别为长，宽，高。验算捡球篮能否满足一次捡球，可装球100个以上，实际捡球篮的容积为V=abh=0.30.40.3=0.036m30.0323m3 （3-3）式中，V捡球篮的实际容积，m3； a捡球篮的内部长度，m； b捡球篮的内部宽度，m； h捡球篮的内部高度，m。因此满足条件，可以使用。创建捡球篮的三维图如图3-1，3-2所示，其中图3-1为捡球篮的整体三维图，图3-2为捡球篮顶部挂钩特写，考虑到捡球机捡球之后取球的便利，决定在捡球篮中放置球网，因此挂钩的作用为固定球网，同时利于球网的取出。图3-2 捡球篮特写图3-1 捡球篮三维图图3-2 捡球篮特写图3-1 捡球篮三维图3.2捡球机行走速度的计算标准网球场地的尺寸如图3-3所示，由图中可以看出网球场的赛场尺寸23.77m8.23m，而球场的总体尺寸为36.57m18.27m，根据设计参数的要求一次捡球所需时间为10min，考虑到直线行走的速度会比转弯时的速度快，所以可以假定捡球机覆盖全场的直线距离行走时间为5min，按照设计参数要求，捡球机捡球范围1000mm，假定其所覆盖的捡球范围就是1000mm，则粗略估计捡球机的行走速度为：v=btnl=18.2756036.5712.23m/s （3-4）图3-3 标准网球场地（单位：mm）式中，v捡球机的行走速度，m/s； b网球场地的宽度，m； t捡球机走完覆盖全场直线距离所需时间，s； n网球场地的长度，m； l捡球机捡球的宽度，m。考虑到实际情况，将捡球机的行走速度初步设定为2.3m/s。3.3同步带的设计考虑到标准网球的最大直径68.58mm，因此球道的宽度dd68.58mm，根据现代机械设计手册（单行本）机械传动设计表1-897，选取带宽代号300，带宽76.2mm，选取带型H，查表1-87，得知同步带的节距12.7mm，考虑到每秒钟遇到的球的数量约为三个，三个球在同一个球道的概率虽然很小但是需要考虑，三个网球的最大的宽度为368.58mm=205.74mm，因此设定同步带上拨板的距离为250mm，设定同步带的带速为250mm/s。考虑到实际情况，本次设计选取的同步带是三个大小相同的同步带轮，按照要求带轮齿数zzmin（带轮最小齿数），参照表1-92，假定带轮转速n1900r/min,得知H型带的最低齿数要求为14，而在带速和安装尺寸允许的情况下，带轮齿数可以尽可能选取较大值，因此参照表1-104，选取带轮齿z=20，节径d=80.85mm，外径d0=79.48mm。验算带轮选择是否合理，按照选定齿数进行计算转速n1=vd=2506080.85=59.09r/mind2+l=80.852+100=140.43mm （3-6）式中，h1同步带带轮的高度，mm； d同步带带轮的节径，mm； l同步带拨板的长度，mm。考虑到实际情况，同步带带厚等因素，取同步带最低带轮的高度为150mm。3.4球道的设计按照设计参数设定，一次捡球数量100个，假定网球练习者一次练习，发球数量100个，考虑到实际情况，网前和边线处网球数量相对集中，在多数球过网的情况下，分布在边线处的网球数量相对更高，因此假定边线附近区域（2m18.27m范围内）网球的数量为40个，网前（4m18.27m）的数量为20个，其余40个网球随机分布在网球场地的其他区域。设定网球捡球机的捡球宽度为1m，则捡球机在单位时间里遇到网球的数量为（按照网球最密集区域进行计算）vn=nsAvd=40218.272.31=2.52个/s （3-7）式中，vn捡球机在单位时间里遇到网球的数量，个/s； ns区域内网球的数量，个； A该区域的面积，m2； v捡球机的行走速度，m/s； d捡球机的捡球宽度，m。根据上式计算的结果，得到单位时间里捡球的个数，因此设定捡球机的球道数为3。考虑到拨板的宽度为76.2mm，以及安装偏差问题，设定球道的宽度为77mm，球道的高度设定主要与捡球篮的高度以及捡球机主体部分与地面高度相关，其相关的尺寸在二维图纸有详细表示，在这里不做赘述。其最终的三维建模如图3-4，3-5所示，其中图3-4是球道的主体结构示意图，图3-5是球道的固定装置的特写，由于球道为悬空状态，因此将其固定在捡球篮上，起到固定和支撑的作用。图3-5 球道特写图3-5 球道特写图3-4 球道三维图3.5捡球机同步带电机的选择首先确定捡球机同步带的负载，其只要负载特性如下：网球的重量。设计所得的球道的长度约为470mm，考虑到单个网球的最大直径68.58mm，拨板的厚度5mm，以及拨板之间的距离250mm，因此同时最多存在两个拨板在球道上方，球道上最多存在n1=6个网球，单个网球的最大重量m1=58.5g;同步带的重量。同步带型号H，采取最常用材料，其密度为2=0.448kg/m，同步带的总长l2=1464.64mm，同步带的数量为n2=3条。同步带上的拨板材料与同步带材料相同，每条同步带拨板的数量为n3=6个，因此拨板的总长度为l3=60.13=1.8m。同步带轮的质量。同步带轮的材料是尼龙，使用SolidWorks软件赋予模型尼龙材料，计算得到带轮的重量为m4=373g/个，带轮的个数为n4=9个。根据公式计算同步带的负载为m=m1n1+2l2n2+2l3n3+m4n4=10.78Kg （3-8）同步带的速度为v=0.25m/s,因此可以求得电机的功率为P=Fv=10.789.80.25=26.41W （3-9）式中，P电动机的有效功率，W； F电动机上作用的力，N； v电动机的线速度。因此，电动机的总功率P0为P0=P （3-10）式中，电机的机械效率。根据角速度和线速度的关系式v=r，推导得到带轮的角速度为=vr=0.2580.85210-36.18rad/s （3-11）式中，同步带带轮的角速度，rad/s； r同步带带轮的节径，m。而同步带带轮的转速为59.09r/min60r/min，假设带轮在0.1s时间内加速到60r/min的角速度，则可以计算得到轴的角加速度为=t=6.18-00.1-0=61.8rad/s2 （3-12）在这里可以将同步带带轮看成圆柱体，则可以计算得到扭矩为M=J=mr22式中，M带轮的扭矩，Nm； J带轮的转动惯量，kgm2； 带轮的角加速度，rad/s2。由此可以得到每个带轮的扭矩为M1=mr22=0.3730.0404252261.8=0.019Nm （3-13）带轮的总扭矩为M=M133=0.01933=0.171Nm由上述计算结果可知，所选电机的基本参数需为：转速60r/min，扭矩0.171Nm，经过不断地筛选，最终选定东莞市威邦机电有限公司生产的直流电机，所选电机的型号为：4D40-24，其主要参数如表3-1所示8表3-1 直流电机主要参数额定电压/V额定功率/W空载转速/(r/min)空载电流/A额定转速/( r/min)额定转矩/(kgcm)额定电流/A马达重量/kg244031000.830001.32.11.8齿轮箱的主要参数如表3-2所示表3-2 齿轮箱参数表减速比33.6567.591012.5输出轴转速r/min1033861620517413344310248允许力矩Nm0.300.360.500.600.750.901.001.25kgfcm3.063.675.096.17.649.1710.212.73减速比1820253036405060输出轴转速r/min17215512410386786252允许力矩Nm1.802.002.252.703.243.604.504.48kgfcm18.3320.3622.9525.7433.0436.7145.9049.80由上表可知，选择减速比为50的齿轮箱。电池的选择，经过市场调查，最终选定玮孚24V，4Ah锂电池9，其主要参数如表3-3所示表3-3 电池主要参数电压容量重量/kg电压范围24V 4Ah0.720V-29.2V电芯放电接头充电接头18650动力锂电芯T型放电母头DC工业母头3.6同步带轴的设计与校核已知电机的功率为40w，额定转速为3000r/min，经齿轮箱减速后，额定转速为62r/min。3.6.1求轴上的功率P1、转速n1和转矩T1同步带轴与电机通过联轴器连接，其传动效率为=0.98，则P1=P=400.98=39.2W （3-14）已知转速n1=62r/min，于是T3=9550000P1n1=95500000.0392626038.064Nmm （3-15）3.6.2初步确定轴的最小直径根据公式，轴的扭转强度条件为T=TWTT0.2d3T （3-16）式中，T扭转切应力，MPa； T轴所受到的扭矩，Nmm； WT轴的抗扭截面系数，mm3； T许用扭转切应力，MPa。选取轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计表15-310，取A0=112，于是可以得到dmin=A03P1n1=11230.039262=9.61mm （3-17）由于轴与轴承和联轴器直接连接，因此轴的最小直径为轴承与联轴器的直径，为了使所选的轴的直径dI-II与联轴器和轴承孔径大小相适应，故需要同时选取联轴器的型号。联轴器的计算转矩Tca=KAT1，查机械设计表14-1，由于转矩变化很小，故取KA=1.3，于是Tca=KAT1=1.36038.064=7849.48Nmm （3-18）按照规定，计算转矩Tca应该小于联轴器的公称转矩，根据所选的电机输出轴径12mm，查现代机械设计手册-轴及其连接件设计表3-1411，选取GY1凸缘联轴器，其公称转矩为25000Nm。联轴器的孔径dI=12mm，故取dI-II=12mm，联轴器的外围直径为D=80mm，联轴器与轴配合的毂孔的长度L1=32mm。3.6.3轴的结构设计根据轴的结构工艺性要求，轴的结构越简单越好，在满足使用要求的前提下，尽可能地简化轴的结构。初定轴的结构如图3-6所示VIIVIIVIIIVIII图3-6 轴的结构示意图（1）轴上零件的装配方案由于轴上的零件的选取均是根据实际情况来定的，同步带轮的大小相同，考虑到带轮的安装问题，主要的轴向定位都是通过套筒实现。（2）根据轴向定位的要求来确定轴的各段的直径和长度1）为了满足联轴器的轴向定位要求，故I-II的直径dI-II=12mm，长度为LI-II=33mm；根据同步带轴径的大小15.9mm，轴承尺寸的限制，故II-III段无法做出轴肩，因此II-III段使用套筒进行轴向定位，其直径大小为dII-III=12mm，其长度为（即套筒的长度）LII-III=21.4mm。3）轴承的选择。轴承主要受到径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据dII-III=12mm，查现代机械设计手册-轴承表5-212，选取标准精度等级的深沟球轴承61801，其尺寸为dDB=12mm21mm5mm，最左侧同样选取深沟球轴承61801。4）III-IV的长度主要由轴承端盖，轴承，套筒的长度之和决定，轴承端盖的厚度为5mm，轴承宽为5mm，套筒长18.1mm，因此LIII-IV=28.1mm，dIII-IV=12mm。5）为了满足同步带轮的轴向定位要求，将IV-V段制出一轴肩，由于同步带轮小径为15.9mm，因此取dIV-V=20mm。6）V-VI段的尺寸完全由同步带轮的尺寸决定，根据同步带带轮小径15.9mm，取dV-VI=15.9mm，由于球道宽度的限制，带轮之间需要加厚垫片进行轴向定位，套筒的宽度为5.8mm，同步带带轮的宽度为76.2mm，因此V-VI段的长度为LV-VI=76.23+5.82=240.2mm。至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。（3）轴上零件的周向定位同步带轮、联轴器与轴的周向定位均采用普通平键连接。同步带带轮与轴配合的键的选取，查现代机械设计手册-连接件与紧固件表3-413，查得平键截面bh=5mm5mm，键槽用键槽铣刀加工，长度为36mm，考虑到同步带带轮的安装问题，同步带轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为H7g6；联轴器与轴的连接选取方法相同，选取的平键的尺寸4mm4mm22mm，键槽的长度为22mm，联轴器与轴的配合采用过渡配合，配合公差为H7k6；滚动轴承与轴的周向定位通过过渡配合来实现，选取轴的直径尺寸公差为m6。（4）确定轴上的倒角尺寸参照机械设计表15-2，取轴端倒角0.8mm。3.6.4计算轴上的载荷首先根据轴的结构，绘制轴的计算简图，由手册查得深沟球轴承61801，a=2.5mm，因此作为简支梁的轴的支撑跨距为L=342.7mm。根据轴的计算简图绘制出轴的弯矩图和扭矩图如图3-7所示。GBAEDC扭矩TFNH2FNH1MMTT图3-7 轴的载荷分析图从弯矩图和扭矩图可以看出截面C为轴的危险截面，计算得到截面C的弯矩和扭矩值列入表3-4。表3-4 弯矩、扭矩计算值载荷数值支反力FF1=F2=12.06N弯矩MM=1033.24Nmm扭矩TT=283.78Nmm3.6.5按照弯扭合成应力校核轴的强度校核危险截面C的强度，根据机械设计式15-5以及上表的的数据，已知轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，因此取=0.6，根据表15-4，危险截面是带键槽的截面，因此W=d332-btd-t22d=15.9332-5315.9-32215.9315.94mm3 （3-19）轴的计算应力为ca=M2+(T)2W=1033.242+(0.6283.78)2315.94=3.31MPa （3-20）所选轴的材料为45钢，调质处理，由机械设计表15-1,查得-1=60MPa,ca-1，所以安全。3.7车轮的选择本次设计的网球捡球机的驱动方式为后轮驱动，分别使用两个步进电机进行控制，前轮采用两只万向轮进行导向。前轮的万向轮采用市场上最常见的普通万向轮，经过筛选，最终选取的是申牌3寸脚轮14，其主要参数如下表所示表3-5 万向轮参数轮子直径mm：75（3寸） 轮面宽度mm：30安装高度mm：108单轮承载 kg：105底板规格mm：92*64安装孔距mm：75*45安装孔径mm：9轮子轴承：一体轴承后轮的选择，经过一番市场筛选，最终决定选择的轮子为PU发泡轮，由青岛润达专用车辆有限公司生产销售的10寸PU发泡轮，型号10X3.50-4，材质为聚氨酯，直径250mm，质量1kg15。3.8驱动原动机的选择考虑到捡球机的转弯问题，因此选定的电机必须是可以进行控制的，因此捡球机的驱动系统选择的电机为步进电机。电机轴的转矩主要是车轮与地面的摩擦转矩，摩擦转矩主要与轮胎和地面的滚动摩擦系数以及整车的重量有关，查得轮胎与地面的滚动摩擦系数为=5mm，而整车的质量主要包含捡球机构、同步带电机、支架（包括收集装置）、电池、万向轮、驱动轮、驱动电机以及100个网球等的质量，假设步进电机的重量为2kg，则整车质量为m=10.78+1.8+8+0.73+0.1052+12+22+0.057100=34.5940kg （3-21）整车的行进速度为v=2.3m/s，根据公式v=r，可以求得车轮转动的角速度为=vr=2.30.125=18.4rad/s （3-22）进而求得转速为n=2=18.4602=175r/min （3-23）则摩擦转矩为M=m=0.00540=2Nm （3-24）考虑到其他损失的功率，取机械效率=0.9，驱动电机的功率为P=M=218.40.9=40.89W （3-25）经过筛选，最终选择常州康达通用电气有限公司生产的86精密行星减速步进电机16，其主要工作环境如下表所示表3-6 步进电机工作环境表项目规范温升80 max环境温度-20-+50绝缘强度100min，500V DC介电强度500V AC 1分钟回转间隙25acrmin主要技术参数为表3-7 步进电机工作参数表电机型号步距角/相电流/A保持力矩/kgcm引线数/条电机重量/kg85-H250B991.846543.5因此减速比为5。3.9车轮轴的设计与校核已知步进电机的保持力矩为6.5Nm。3.9.1确定轴的最小直径根据机械设计手册新编软件版，轴的最小直径计算公式dmin=35TT （3-26）式中，T轴传递的额定转矩，Nmm； 轴的许用剪应力。选取轴的材料为45钢，调质处理，根据机械设计表15-3，选取T=35MPa，于是dmin=35TT=356.5100035=9.76mm （3-27）3.9.2轴的结构设计初步确定后车轮轴的结构如图3-8所示。VIVIVIIIIII图3-8 后车轮轴结构示意图（1）根据车轮的尺寸设计I-IV的直径和长度车轮孔径为24mm，因此dI-III=24mm，车轮的轴向定位采用右侧加螺母的方式，而周向定位采用平键连接，根据车轮的尺寸选取LII-III=84mm，查找现代机械设计手册-连接件与紧固件表2-37，选取六角螺母C级（GB/T 41-2000）M24，其主要尺寸为mmax=22.3mm，因此选取LI-II=23mm，LI-III=107mm。考虑到车轮的左侧定位，III-IV段制出轴肩，其尺寸为dIII-IV=30mm，LIII-IV=5mm。（2）联轴器的选取参照步进电机轴的尺寸，查找机械设计手册-轴及其连接件设计表3-14，初步选取GY1凸缘联轴器，其轴孔直径为14mm，公称转矩为25000Nm，查机械设计表14-1，由于转矩变化小，因此取KA=1.3,联轴器的计算转矩为Tca=KAT=1.36500=8450Nmm （3-28）计算转矩小于公称转矩，因此符合条件。（3）设计IV-V段并选择轴承座根据经验设定dIV-V=25mm，进而选取轴承座，轴承座的孔径为25mm。（4）轴上零件的周向定位车轮、联轴器与轴的周向定位均采用平键连接，根据dII-III的尺寸，并查现代机械设计手册-连接件与紧固件表3-4，选取平键的尺寸为bhL=8mm7mm36mm，键槽的长度为40mm，车轮与轴之间的配合采用间隙配合，配合公差为H7g6；联轴器与轴的连接，选取平键尺寸为bhL=5mm5mm22mm，键槽长度为25mm，二者的配合为过渡配合，配合公差为H7k6；轴承座与轴的配合采用过度配合，其配合公差为H7m6。（5）确定轴上倒角尺寸查机械设计表15-2，取最左端倒角0.845，另一个倒角145。3.9.3轴的校核由于该轴受力比较简单，因此采用UG进行有限元分析，轴上施加的力和约束如图3-9所示图3-9 力和载荷示意图轴上施加的约束为图中蓝色线条，分别模拟的是轴承座和车轮的约束对轴的约束作用，施加的力为图中的红线箭头部分，从左到右分别是6.5Nm的扭矩、200N的压力（车身重量的一半）和-6.5Nm的反向扭矩。经处理后，得到的结果如下图所示（变化趋势有夸大效果）图3-10 最大位移图3-11 最大剪切应力图3-12 最大主应力图3-13 计算结果由上图可以看出，最大主应力为23.23MPa，最大剪切应力为16.54MPa，最大挠度为0.02019mm，以上三个数据均符合要求。3.10本章小结本章主要讲述了捡球机各主要零部件的设计与校核，最大程度的确保了捡球机机械借结构的可靠性，通过本章的计算，最终制作了捡球机的三维图，并根据三维图制作了对应的二维图纸。294 自动控制系统设计4 自动控制系统设计4.1行进方案的确定考虑到捡球机捡球效率的问题，如果设计成，捡球机自动识别网球并进行自主捡球操作，势必大大降低捡球机的捡球速度，影响捡球效率。因此，最好的解决方案是使捡球机定路线进行捡球。考虑到网球的的布局以及网球的分布情况，网球场周边的网球较多，因此捡球机首先需要围绕球场捡球一周，剩下的路段由于网球分布比较稀疏，因此捡球机按照Z字型顺序依次走完场地其余部分。 图4-1 捡球机行进路线示意图路线示意图如图所4-1示，捡球机从右上角出发，沿边线前进，达到球场另一边界之后，为了顺利转弯并拾取边界的网球，因此，捡球机需要后退一段距离，然后利用步进电机差速控制实现转弯，到达球场另一边界，依次循环，直到快要达到起点位置，接着，捡球机转弯，继续拾取球场其他位置的网球，沿图中所示路线，进行Z字型路线行进，拐弯位置与外围捡球路线中的后退位置基本一致，直到达到球场对面边界，完成一次捡球过程。4.2 单片机的选用单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用17。单片机主要分为通用型/专用型，总线型/非总线型等。单片机与我们生活的各个领域息息相关，大到导弹的导航装置，飞机中各种仪表的控制，计算机中的网络通讯及数据传输，工业自动化过程的实时监控，小到各种智能IC卡，汽车的安全保护系统，录像机、全自动洗衣机的控制，以及各种遥控玩具等等，都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活和使用方便等优点，并且与步进电机的配合使用十分方便，因此本次设计中捡球机的控制部分主要使用单片机进行控制。4.3本章小结本章主要讲述了捡球机捡球路线，以及控制系统的选用问题，实现了捡球机的智能化。总结与展望总结与展望总结本次设计是主要为了帮助网球训练者在进行网球训练过程中捡取网球，并能够解决现有产品中卡球、伤球的问题，经过不断构思、设计与改进，最终形成了一套结构合理，容易实现的完整捡球机构。并完成了三维模型的建造，相关零件的设计计算，主要零件的二维图纸绘制等工作。本次设计，对加深了专业知识的系统性认识，提高机械设计能力，加强自主学习能力，完善实践能力，有着巨大的帮助。尤其在设计过程中，需要不断进行钻研、改进，对耐力和毅力的锻炼更是有非常大的帮助。展望（1）实物制作。由于设计时间的限制，以及精力的原因，本次设计并没有完成事物的制作，因此，有许多潜在的需要改进的地方无法得到考证，大部分设计只是停留在理论部分，希望今后可以有时间进行实物制作。（2）控制部分的具体设计。由于工作量的问题，以及时间限制，本次设计并没有完成控制部分的具体设计，只是具备了理论的捡球机捡球线路的设计，今后需要进行单片机相关知识的学习，并编写相关程序。（3）工作方式多样化。本次设计出发点是实现捡球机手自动一体化的设计，目前只完成了自动捡球部分的设计，考虑到实际捡球情况，今后还需要加入手动控制，实现捡球机的更加便捷。（4）自动避障功能。本次设计只是让捡球机沿指定路线进行捡球运动，但实际情况中必然会出现差错，因此加入自动避障系统可以在捡球机出现问题时避免其出现较大损伤。参考文献参考文献1 IFR发布2014服务机器人研究报告: 市场上升去世明显 EB/OL. http:/www.roboti cschina.com/ART_8800694440_500001_NT_63833721, 20142 张永刚. 中国网球运动与捷克网球运动发展的对比研究 J. 世界体育, 2015, 5(01): 11-123 韩良, 王德彬, 龚焕. 智能网球车的研制 J. 机电技术, 2011, 2: 49-544 Bonny波力网球捡球机SS-401 EB/OL. http:/www.ebest2008.com/wqjqj/2306, 20155 Ball-picking Device P. 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