羽毛球陪练机器人主要功能是在球场的指定位置对羽毛球进行拍击,通过控制气缸力使羽毛球落入到指定区域。羽毛球陪练机器人运动控制较为复杂,为了确保控制的稳定性,采用对称结构对机器人进行设计。羽毛球陪练机器人主要机构包括全向平移底座机构、支撑连接机构、击球机构、落球机构与驱动机构。
1.1基于全向轮的平移底座机构设计
全向平移底座机构能够完成羽毛球陪练机器人的迅速启动、停止、转弯、滑动等动作,是机器人运动系统的主要组成部分。
羽毛球陪练机器人主要依靠底盘进行运动,底盘即为全向平移底座机构。底座材料主要采用三角铝型材料,具有质量轻、强度大的优势,在减轻机器人整体质量的同时,还提升了机器人的承重能力。为了保障行走机构的连接稳定性、刚度与强度,采用三角形铝片与螺栓对接口进行连接。全向平移底座机构中轮子采用全向轮,全向轮具有动作灵活、快速的优势,可以满足机器人的运动需求。全向轮主要由轮毂和从动轮组成,其中轮毂的外圆周围开设3个以上均匀的轮毂齿,轮毂齿之间安装从动轮,径向与轮毂外圆切线垂直。径为 25mm,轴向宽度为 40mm,主要由伺服电机驱动。伺服电机能够将电压信号进行转换,以得到的转速与转矩对全向轮进行驱动控制。伺服电机具有控制精准度高的特性,为羽毛球陪练机器人接球的准确性提供支持。
1.2支撑连接机构设计
支撑连接功能主要由连接架实现,连接架也是支撑连接机构的主要组成部分。
连接架材料为铝合金,规格为20mm*20mm,具有高塑性合金特性。连接架采用的铝合金材料具有多种优势,包括冲击韧性高、缺口敏感度低、耐腐蚀性能强。连接架形状可以利用空隙进行布线填充,便于连接架的管理。
1.3击球机构设计
羽毛球陪练机器人首要任务就是精准发球,因而重点设计机器人的击球机构。击球机构主要利用气缸作为动力元件,以此为羽毛球连杆提供动力。气压不同,击球的力度也是不同的,因此可采用调节气压的方式控制击球力度。击球机构的核心部分为气缸。气缸的推进收缩动能够带动羽毛球拍,使球拍绕轴做往复运动,从而完成击球运动。击球过程中,机器人控制系统会向电磁阀发送信号,气缸接收到信号后开始工作,完成击球动作,在完成了一整套击球动作后,电磁缸收缩,羽毛球拍返回起始位置,准备进行下一次动作。羽毛球机器人主要采用单级气缸推动完成击球动作。
1.4落球机构设计
羽毛球陪练机器人落球机构的主要材料为铝合金薄片,将铝合金薄片做成方桶状,内部装有卡环,主要功能是对羽毛球进行卡位,在不需要落球的时候保障羽毛球稳定放置于球筒内;当需要发球时,落球装置开始运行,控制系统打开卡位的开关,落下羽毛球,接着卡位关闭。
1.5驱动机构设计
驱动机构是羽毛球陪练机器人运动实现的基础保障,驱动机构中的电机直接决定羽毛球陪练机器人的运动性能。直流无刷电机主要采用PWM(脉冲宽度调制)控制机器人运动,实现无极调速,满足机器人运动的灵活性。根据羽毛球陪练机器人的运动需求,选择带有减速功能的电机,将电机输出系统直接连接到机器人驱动轴上,提升羽毛球陪练机器人驱动机构的紧密性。
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