自动乒乓球发球机设计及其控制系统的研究

中南大学硕士学位论文自动乒乓球发球机设计及其控制系统的研究姓名：崔静申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：刘少军20071203中南大学硕士学位论文摘要摘要为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的，本文针对乒乓球发球的特点，从总体上设计了一种新型的乒乓球发球机：自动乒乓球发球机。本文综述了国内外乒乓球发球机的现状，对已有发球机的机械结构进行分析，根据所需实现的功能，提出了改进的设计方案。针对该发球机发球装置的缺陷，采用对转双轮的发球原理，使其能够实现旋转球和不旋球的发射；考虑原摆动装置的机械结构繁琐，不宜进行自动控制，对其进行了改进设计；此外，增加设计了升降装置，使发球功能更完善。根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，并利用MATLAB进行仿真，分析出控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。论述了该自动乒乓球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统，并详细介绍了该控制系统的设计过程，具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM驱动器的选择等，论证说明了该控制系统的可靠性。改进后设计的乒乓球发球机是一种新型的、性价比高的自动型发球机，它可以发出各种适合练习者需要的球，利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行控制，以满足练习者的不同技术需求。同时设置了随机发球模式，对发球速度、发球角度和发球高度等参数进行随机化，实现落球点的随机变化。关键词：乒乓球发球机，对转双轮，运动分析，发球模式中南大学硕士学位论文英文摘要kindsofballsforthepractitioners．Itcontrolsthespeed，theangleandtherotationdirectionoftheballbyusingthecomputer．TherandomservingpatternWaSdesigned．Thefallpointsofthetabletennisbecomerandomly,bytherandomizationoftheservingspeed，angleandheight．KEYWORDS：thetabletennisservingmachine，thedoublewheelsfacetofacecircumrotating，movementanalysis，servingpattemH原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明作者签名：关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名堑比日中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1．1引言现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占比例呈增长趋势。可以预见，随着2008年北京奥运会的临近，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也将会不断扩大。而乒乓球作为我国的国球，它集健身、竞技、娱乐于一体，不仅可以锻炼身体，还可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，因此在我国有着广泛的群众基础。对于初学者，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，这样要提高技术水平就很慢，也会削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业选手，由于人手发球速度和频率会有一个极点，而且陪练员长时间发球也不可能，因此要进行变化多、强度大的多球练习比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练，可以解决这些问题，所以发球机的使用越来越普及了。由于目前发球机的出球性能决定了它多适用于基础阶段人员使用，对于技术水平较高或有复杂组合技术的使用者以及进行实战训练还比较困难。本课题设计研究了一种多功能的自动型乒乓球发球机，它主要利用机械电子相结合的技术，对现有发球机的结构和控制电路加以改进升级，使其便于实现自动控制。这种发球机可以人为的将发球速度控制在10mls到20mls，发射多速度、多角度的单一路线球或组合路线球以及随机球，并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了自选模式训练、随机模式训练和具有记忆功能的强化训练，使得使用者掌握规范全面技术的时间大为缩短。1．2国内外乒乓球发球机的研究现状在六十年代末和七十年代初，欧洲出现了乒乓球发球机。它是通过一定的机械装置，按乒乓球技术训练的不同要求，将球不断发射出来。发球机发出的球，比人速度更快，力量大，且旋转更强，所以，它对提高乒乓球运动员的训练水平有一定的作用。目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可以分为三类：一类是轮式发球机，一类是压气式发球机，另一类是捶击式发球机【I】【21。其中轮式发球机的原理是由于装有轮子的通道空间很小，当球从滑轨滚入通道时，轮子就将球喷出．这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一样的。这种发球方式有两种，一种是单2中南大学硕士学位论文第一章绪论轮驱动，另一种是双轮驱动。单轮驱动发球机的弊端是：发出来的球如果速度快，那么同时旋转也强；如果速度慢，那么同时旋转也弱。这和人们实战打球是完全不同的，实际上球速和旋转并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋转并不强；而弧圈球虽然旋转极强，但是速度未必很快。双轮驱动的发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可发出各种旋转的球，同时也可以发出不转球。压缩式发球机是利用空气压缩机来发射球的，球被装入长桶的底部由一个窄．1：3固定住，这个窄13的直径比球的直径略小一些f3】。当压缩空气推挤乒乓球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。这种发球机的缺点是噪音极大而且不能提供高的性能，同时，空气压缩消耗的功率很大，难以使用电池来供电；它的优点是价格比较便宜。捶击式发球机有多种设计方案，最常见的是通过凸轮带动摆杆，将落入发球口的乒乓球击出去，这种方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。．按控制类型可以分为两类；一类是半自动，简单操作系列；另一类是全自动，电脑程控系列【4】【5l。半自动乒乓球发球机，无论是安装还是使用都比较麻烦，而’。且发球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改变各项技术参数，就必须停下来，人工来校准调整机头旋转角度，来实现各种旋转球，手动抬高或降低机头，来调整球的射程弧度，而且机械性能比较差，经常卡球，但这类产品在市场上占的比重还是比较大，而且有很多俱乐部还在用它，究其原因，主要是因为价格低，虽然是功能不强但丢掉还是可惜的。全自动乒乓球发球机，是由全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，可发出攻球、前冲弧圆球、削球、长胶球等高性能的球，其中包括九种与真人发射基本相同的基本球，另外还能发多种速度不同的球，从而可派生出多种多样性能的球【6】，使用非常的人性化。其电脑记忆功能还能记录球员打球的路数，能起到专业陪练效果。这种机器虽然性能很高，但价格也比较贵。1．2．1国外乒乓球发球机的研究现状国外的乒乓球发球机发展比较快，其功能比较齐全，自动性能也比较高，既可以满足普通练习者的需求，也可以满足专业运动员的日常训练要求。目前，世界上生产乒乓球发球机的厂家比较多，具有代表意义的厂家是美国的NEWGY公司和日本的Butterfly公司。1．NEWGY公司之乐吉发球机：其发球原理是由电动机带动的位置可调旋转轮和一固定的摩擦块组成发射机构，当球进入发球通道，由旋转轮将球旋出发球口来，旋转轮的位置不同，则可得到不同旋向的球。3中南大学硕士学位论文第一章绪论该系列乒乓球发球机一般可分为三个等级，初级发球机是为初学者和娱乐者设计的，中级发球机是为中级和比赛级球员设计的，而高级发球机是专为专业运动员和爱好乒乓球的行家设计。该系列发球机的特点之一是使用者可以根据自己的水平状况选择合适的发球机等级，当水平提高时，该发球机可以通过升级包快速方便的达到高的等级。通过控制球桌旁的控制盒可以调节发球速度、发球频率、旋转速度以及出球口角度；通过手动调节出球口上的旋钮可以发射出上旋、逆旋、侧旋甚至混合旋转等各种璇向的球；通过手动调节发球机后的两个控制杆可以实现发球角度摆动范围的变化，利用两杆的不同组合可有八种摆动范围选择，还可实现定点发球；通过设置球型号开关调节旋转轮与摩擦块之间距离，可以选择适合所使用球型(38mm／40mm)的发射轨道；通过将发球机安装在不同的位置可以实现不同的发球角度和发射弧度【刀。2．Butterfly公司之Amicu$发球机：其发球原理是采用两个高速旋转的轮子(旋转方向相反)，由于轮子的空间小于球的直径，当球从滚道滚入两轮之间的时候，轮子将球旋出，但它只能形成。的侧旋球。其旋转速度和球发射速度没有关联，可以发射慢旋的短球和快速45的突发球，这是同类发球机无法做到的。该发球机有三个不同的发球模式可选择，一种是规则模式，发射固定落点的球；一种是自动模式，发射随机球或组合球；另外一种是自定义模式，根据需求自己编写发球模式的程序。同时它具有记忆功能，能够保存使用者输入的程序以及记录前一使用者的选择模式和命令。在使用者一端装有控制界面，实现对发球机的远程控制。该发球机结构紧凑，底座下有轮子，使用者可方便调整发球机位置，但其高度不能调节【引。1．2．2国内乒乓球发球机的研究现状相对国外而言，国内的乒乓球发球机起步比较晚，但发展很快，从最初的全手动发球机到现在的全自动发球机，甚至有些产品性能超过了国外的同类产品。主要有以下几个典型方面：1．半自动式乒乓球发球机：该发球机是福建省的林清云所设计的，其机械结构包括机身壳体、基座、储球斗、发球机构、弧度调节机构、角度摆动机构及电机调速电路。其工作原理是：由于储球斗装于机器上方，乒乓球可通过自身重力落入发球机构，发球机构中的拨叉在电动机的带动下击打落入球道的乒乓球，乒乓球经球道前端的摩擦辊高速切搓后成旋转状飞出球道。4中南大学硕士学位论文第一章绪论其发球机构由拨叉、电动机和凸轮组成，拨叉由L形臂和直臂两部分组成，与机身底盘问有一弹簧相连，L形臂可摆动到球道的入球端，直臂与双扇结构的凸轮面相接触。通过电动机带动凸轮转动，在弹簧的作用下，拨叉即可做出打击动作，将乒乓球击出。其弧度调节机构可以调节出球的弧线，而角度摆动机构完成出球角度的左右摆动变化，形成丰富的出球线路；电机调速电路即可控制出球频度和旋转强度。该发球机的特点是结构简单，发球速度快，经济实惠；缺点是故障率高，质量差、发球变化少，调节不方便【9】。2．双蛇牌乒乓球发球机：该发球机是双蛇公司研发生产的全自动电脑控制操作系列的发球机，它是在研究总结众多发球机的优缺点的基础上，专为乒乓球运动爱好者开发出的具有突破性的创意产品。其主要特点是通过电脑编成实现“一键一功能一，即使用者通过遥控器或者控制面板上的按键来改变发球特性，只要按一下按键，就可以自动发出攻球、前冲弧圈球、削球、长胶球、高吊球性能的球；还可以自动发出上旋球、下旋球、不转球、右侧上、右侧下、左侧上、左侧下、右侧旋、左侧旋九种基本旋转发球方式的球。该发球装置设计有云台旋转机构，并安装有旋转角度极限装置，可以左右各旋转20。，在训练时，使用者可根据自己的需求进行任意调整，通过细调可以．派生出多种多样性能的球，从而使发出的球更接近入工发球，也更具有人性化。发球装置主球道的滑轨设计为三根可更换式的滑轨，从而解决了球在此段摩擦大，运行中阻力大的缺点。其机头摩擦轮设计为组装式，由轮毂、压圈和橡胶组成，其优点是更换橡胶圈方便，成本低，保证射点准确。其电脑控制系统具有记忆功能，使得在关机前处于什么状态，再次开机时会仍然处于该状态。由于其旋转机构需手动调机，使整个装置不能完全实现自动化n∞。3．许绍发智能乒乓球教练机：该发