專利名稱：五自由度高仿真乒乓球發球機械手的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種乒乓球的發球機械手，具體是一種采用PLC控制的電氣液聯動系統和乒乓球高仿真發球機械手結構。
背景技術：
國內和國外的乒乓球自動發球機都取得了一定的成果，各種不同的乒乓球發球機都具有各自的優缺點，綜合分析后發現，這些發球機由于自身結構的限制，都不能完全實行自動控制，某些功能的實現需要手動調節，同時，發球模式單一，不能真正的模擬真人發球。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種能模擬真人發球的具有五自由度的高仿真乒乓球發球機械手。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是:
一種五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，包括機架以及設置在機架上的落球裝置和擊球裝置，其特征在于:所述的擊球裝置包括:
一沿X方向移動的第一固定架，在該第一固定架上連接有一用于驅動該第一固定架在所述的機架上移動的第一驅動；
一沿Z方向移動的第二固定架，在該第二固定架上連接有一用于驅動該第二固定架在所述的第一固定架上移動的第二驅動；
一沿Y方向移動的第三固定架，在該第三固定架上連接有一用于驅動該第三固定架在所述的第二固定架上移動的第三驅動；
一繞Z方向旋轉的第四固定架，在該第四固定架上連接有一用于驅動該第四固定架在所述的第三固定架上轉動的第二伺服電動機或氣馬達；
一繞X方向旋轉的第五固定架，在該第五固定架上連接有一用于驅動該第五固定架在所述的第四固定架上轉動的第一伺服電動機；
一球拍，固定在所述的第五固定架上。所述的第一驅動為液壓缸驅動；所述的第二驅動為氣壓缸驅動；所述的第三驅動為氣壓缸驅動。還包括一回收球裝置，該回收球裝置包括集球斗以及連接在集球斗下的回球管，在集球斗和回球管之間還設置有第一撥球機構。所述的第一撥球機構包括撥球輪架和步進電機，所述步進電機與撥球輪架連接。所述的落球裝置包括落球管和位于落球管口的第二撥球機構。所述的第二撥球機構包括一擋板和一與擋板連接的驅動氣缸。本發明仿真發球機，模擬真人手臂動作，球拍實現向前后、左右、上下、和分別繞X、Z軸運動，采用一個液壓缸控制左右移動，兩個氣缸分別控制前后和上下兩個方向的運動，一個伺服電機和第二個伺服電機或氣馬達控制球拍繞X、Z軸運動，還采用了另外一個相對較小的氣壓缸來進行落球，即落球缸，同時用一個調速步進電機來進行傳送球，提高發球機的效率。該發球機應用PLC控制技術，實現通過遠程控制來改變發球快慢、發球力度、發球高度及角度等的功能，模擬進行人工發球，實現隨機發球的效果。


圖1本發明的結構示意圖。圖2圖1的側視圖。圖3圖1的A向示意圖。圖4本發明機械手的整體控制示意圖。其中:1、發球齒輪，2、步進電機，3、機架，4、喉箍，5、第一固定架，6、端蓋拉桿，7、導軌，8、雙作用雙活塞桿液壓缸，9、輸球軟導管，10、第二固定架，11、雙作用單活塞桿氣缸，12、磁性開關,13、三位五通電磁換向閥，14、導向桿，15、第一伺服電機,16、第二伺服電機或氣馬達，17、球拍夾具，18、懸臂架，19、發球支架，20、懸掛支架，21、緩沖雙作用單活塞桿氣缸，22、第三固定架，23、第四固定架，24、第五固定架，25、球拍，26、集球斗，27、底座，28、步進電機支架，29、電纜，30、氣壓管線，31、發球機，32、控制柜，33、空壓機。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明作詳細說明:
如圖1、圖2所示，本發明發球機械手結構，包括機架I以及設置在機架I上落球裝置、擊球裝置和回收球裝置三個部分。回收球裝置采用回收球系統，主要由回收球網、空氣回球器、步進電機、撥球輪架和回球管組成。通過回收球網，把散落的球通過斜坡，集合到空氣回球器，回收球網也可以采用集球斗26代替。回球管通過喉箍4固定在機架I上，乒乓球在空氣回球器中由于重力的作用下落進入回球管，此時步進電機28帶動撥球輪架轉動一定角度并帶動乒乓球從回球管中克服重力作用進入到待落球處，等待發射。落球裝置采用落球系統，第一種結構主要由落球管、分別控制Y，Z軸兩個方向的運動的兩個氣缸、吸盤和傳感器以及相應的固定機構等構成。落球機構的主要作用是由氣缸配合吸盤吸附乒乓球，間歇將待落球處的乒乓球運送到落球口處并完成落球，如此往復，實現乒乓球的間歇循環發球。同時利用傳感器同步發出信號給擊球機構使之運動進行擊球。落球系統的第二種結構主要由落球管和位于落球管口的第二撥球機構組成，其中第二撥球機構包括擋板和與擋板連接的氣缸組成，通過氣缸的間歇動作使得擋板運動，從而將乒乓球間歇的落下。落球系統的第三種結構主要通過調速步進電機帶動落球齒輪從而將乒乓球間歇的落下。落球裝置的落球管和回收球裝置的回球管通過輸球軟導管9連接成一個整體。擊球裝置米用擊球系統，擊球系統由底盤移動機構和聞仿真兵兵球擊球機構兩部分組成:
I)底盤移動機構:由第一固定架5和第一驅動即液壓缸組成，其中第一驅動為雙作用雙活塞桿液壓缸8，雙作用雙活塞桿液壓缸8帶動第一固定架5沿乒乓球桌邊X向可控移動。在第一固定架5的下端設置有導軌7，通過雙作用雙活塞桿液壓缸8的作用，使得第一固定架5的導軌7在機架I的導槽內滑動。2)擊球機構:由第一伺服電機15、第二伺服電機或氣馬達16、聯軸器、第二驅動、第三驅動、第二固定架10、第三固定架22、第四固定架23、第五固定架24以及球拍25等組成。第二驅動為雙作用單活塞桿氣缸11，第三驅動為緩沖雙作用單活塞桿氣缸21。在第二固定架10上有導向桿14，其中第三固定架22套在導向桿14上并以導向桿14為導向并在雙作用單活塞桿氣缸11的作用下上下移動。雙作用單活塞桿氣缸11和緩沖雙作用單活塞桿氣缸21縱橫十字聯動，通過PLC控制程序實現兩個Y向和Z向的運動，準確擊打落球。擊球時由第五固定架24的球拍夾具17固定的球拍25做仿真打擊，其中球拍夾具17為萬向夾緊機構。通過第一伺服電機15和第二伺服電機或氣馬達16改變擊發球運轉形式，與雙作用單活塞桿氣缸11和緩沖雙作用單活塞桿氣缸21組合實現擊發高仿真旋球。第一伺服電機15和第二伺服電機或氣馬達16分別控制X軸方向的球拍旋轉和Z軸方向的球拍旋轉，并以此實現各種旋轉球。機械手的自由度為5個，X方向用第一驅動的液壓缸控制，可以實現隨時停止，實現發球的空間位置可變，即橫向移動氣缸。Y、Z軸方向則分別通過第二驅動的氣缸和第三驅動的氣缸控制，即前后移動和縱向移動，而落球則通過另外一個氣缸控制，即氣缸充當閥門的作用。此外繞X軸和Z軸旋轉的兩個自由度則分別通過第一伺服電機和第二伺服電機或氣馬達來實現，即五個可控自由度。輸入球裝置通過調速步進電機2帶動發球齒輪I來實現，動作過程則由PLC控制系統控制實現。該乒乓球發球機能夠實現發球頻率可調，能夠調節乒乓球轉速的大小，以及乒乓球球速的快慢。并且能夠自動收集運動員擊回的乒乓球進入儲球設備準備循環發球。本發明機械手采用PLC控制，在本機構控制部分，采用了三菱公司的FX2n系列PLC——FX2n。基于FX2n的控制特點，定義好各個端子的控制動作，對應在X方向、Y方向、Z方向的行程始端和末端都安裝行程開關作為PLC的信號，在落球缸位置安裝有傳感器檢測落球點有無球，從而給電機信號控制電機輸送兵兵球。在X方向上，安裝有伺服電機，調整伺服電機控制器的電子齒輪比給伺服電機脈沖，控制球拍在X方向上的轉動角度。Z方向上安裝有第二個伺服電機或氣馬達，帶動球拍的轉動。以上這些控制信號均由PLC完成，并且按照設定的發球種類PLC選擇程序內部設定的子程序，完成發球過程。本發明五自由度高仿真乒乓球發球機械手采用PLC控制電、氣、液聯動方式控制乒乓球球拍發出事先設定的球，其整個控制圖如圖4所示，發球機31的多個驅動氣缸通過氣壓管線30連接至空壓機33，步進電機和伺服電機則通過電纜連接至控制柜32。
權利要求
1.一種五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，包括機架以及設置在機架上的落球裝置和擊球裝置，其特征在于:所述的擊球裝置包括: 一沿X方向移動的第一固定架，在該第一固定架上連接有一用于驅動該第一固定架在所述的機架上移動的第一驅動； 一沿Z方向移動的第二固定架，在該第二固定架上連接有一用于驅動該第二固定架在所述的第一固定架上移動的第二驅動； 一沿Y方向移動的第三固定架，在該第三固定架上連接有一用于驅動該第三固定架在所述的第二固定架上移動的第三驅動； 一繞Z方向旋轉的第四固定架，在該第四固定架上連接有一用于驅動該第四固定架在所述的第三固定架上轉動的第二伺服電動機或氣馬達； 一繞X方向旋轉的第五固定架，在該第五固定架上連接有一用于驅動該第五固定架在所述的第四固定架上轉動的第一伺服電動機； 一球拍，固定在所述的第五固定架上。
2.根據權利要求1所述的五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，其特征在于:所述的第一驅動為液壓缸驅動；所述的第二驅動為氣壓缸驅動；所述的第三驅動為氣壓缸驅動。
3.根據權利要求1或2所述的五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，其特征在于:還包括一回收球裝置，該回收球裝置包括集球斗以及連接在集球斗下的回球管，在集球斗和回球管之間還設置有第一撥球機構。
4.根據權利要求3所述的五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，其特征在于:所述的第一撥球機構包括撥球輪架和步進電機，所述步進電機與撥球輪架連接。
5.根據權利要求3所述的五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，其特征在于:所述的落球裝置包括落球管和位于落球管口的第二撥球機構，所述的落球管與所述的回球管連接。
6.根據權利要求5所述的五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，其特征在于:所述的第二撥球機構包括一擋板和一與擋板連接的驅動氣缸。
全文摘要
本發明公開了一種五自由度的高仿真乒乓球發球機械手，包括機架以及設置在機架上的落球裝置和擊球裝置，所述的擊球裝置包括一沿X方向移動的第一固定架，在該第一固定架上連接有一第一驅動；一沿Z方向移動的第二固定架，在該第二固定架上連接有一第二驅動；一沿Y方向移動的第三固定架，在該第三固定架上連接有一第三驅動；一繞Z方向旋轉的第四固定架；一繞X方向旋轉的第五固定架；一球拍，固定在所述的第五固定架上。本發明仿真發球機，模擬真人手臂動作，球拍實現向前后、左右、上下、和分別繞X、Z軸運動，該發球機應用PLC控制技術，實現通過遠程控制來改變發球快慢、發球力度、發球高度及角度等的功能，模擬進行人工發球,實現隨機發球的效果。
文檔編號A63B67/04GK103083888SQ20131004138
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者高佩川 申請人:南京工程學院