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 we decribe the current situation of the table tennis robot’s 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 which 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 System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1985~1988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 Billingsley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，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 Hashimoto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 robot which learn from failure”一文中提到，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”一文中提出，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 国外机器人国内：丁敬林在“Balancing of a inverse pendulum with a ping-pong ro bot”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，来完成该执行机构的改进。

1.4技术要求要求电机能在0.2s~0.3s的时间内把球拍移动速度加速到3m/s。

球拍的移动范围：X方向上至少在1700mm，Y方向上至少在1500mm。

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①和②：图2.1 自由度分析图1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的确定图2.2 自由度分析图2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②。

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，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。