投籃機器人設計

第1章結論.................................1

1.1輔助投籃機器人的研究背景與現實意義.................................2

1.2輔助投籃機器人的國內外發(fā)展現狀.....................................2

13輔助投籃機器人的可行性分析..........................................2

131二維定點........................................................3

132三維定點........................................................3

第2章總體方案設計及參數確認...............................................5

2.1總體方案設計........................................................5

2.1.1工作原理.......................................................5

2.1.2輔助投籃機器人總體設計........................................5

2.2輔助投籃機器人的參數確定............................................6

2.2.1輔助投籃機器人各部件尺寸、型號確定............................6

2.2.2彈簧選擇.......................................................6

2.3本章小結.............................................................6

第3章控制裝置與彈簧裝置設計...............7

3.1控制裝置的設計......................................................7

3.1.1電源電路.......................................................7

3.1.2主控芯片.......................................................8

3.1.3藍牙模塊.......................................................9

3.1.4主程序模塊....................................................10

3.1.5速度控制模板..................................................10

3.2彈簧機構的設計.....................................................10

3.2.1彈簧的設計及計算..............................................10

3.2.2彈簧的強度計算:...............................................11

3.3電磁裝置的設計.....................................................13

3.5制動裝置的設計.....................................................14

3.5.1制動設計的一般原則............................................15

3.5.2制動效能......................................................15

3.5.3制動器的尺寸及質量............................................15

3.6本章小結.............................................................15

第4章其他零部件的設計....................................................17

4.1萬向輪的選擇........................................................17

4.2電機驅動輪的設計...................................................17

4.2.1計算滾動阻力戶/...............................................18

4.2.2空氣阻力的計算................................................18

4.2.3加速度阻力....................................................18

4.2.4電機功率的估算................................................19

4.3彈簧裝置支架設計...................................................19

4.4電磁裝置的設計......................................................19

4.5鋪助投籃機器人總、裝圖...............................................2()

4.6本章小結...........................................................20

第5章驅動輪零件...........................21

5.1電機的選擇..........................................................21

5.2聯軸器的設計.......................................................21

5.3驅動輪支架設計.....................................................21

5.4驅動輪設計.........................................................22

5.53區(qū)動輪總、裝圖.......................................................23

5.6本章小結...........................................................23

結語....................................................................24

參考文獻.................................................................25

第I章緒論

第1章緒論

機器人是一個高度交叉的前沿學科。機器人的誕生和發(fā)展無疑是人類科學技術在二

十世紀取得的巨大成就。在過去的40年中，越來越多的機器人被應用于各個行業(yè)，越

來越多的機器人科學家從事不同方向的機器人的研發(fā)和應用。機器人在世界經濟的各個

領域和人類生活的各個方面都忠于人類。機器人在上個世紀為人類文明做出了重要貢

獻，機器人將在二十一世紀為人類文明做出新的重要貢獻。雖然在中國的機器人的研究

和開發(fā)起步較晚，但在國家有關部門的支持和廣大機器人科技和教育工作者，以其發(fā)展

有助于迅速，已在工業(yè)機器人領域的成長。特種機器人和智能機器人已經取得了令人矚

目的成就，為中國機器人技術的進一步發(fā)展打下了良好的基礎。機器人科學是一門綜合

了機械、電子、材料、計算機、傳感器、仿生、人工智能等多種前沿科學的綜合性學科,

是最能體現一個國家基礎科學技術和制造業(yè)水平的學科之一。近年來，隨著計算機、傳

感器和人工智能等技術的飛速進步，機器人科學得到了前所未有的發(fā)展。在制造行業(yè)中，

尤其是汽車工業(yè)，機器人已經成為生產線上的主力，可以說一個企業(yè)其生產線上機器人

的質量和數量幾乎可以說明這個企業(yè)的生產效率和水平。不僅如此，機器人的應用也擴

展到很多其他領域，比如偵察、探測機器人，護理機器人，農業(yè)機器人，甚至還有家用

的清潔機器人。非工業(yè)用途的研究型和教學型機器人，其意義遠不僅是它們巨身所能帶

來的直接經濟價值。這類機器人往往是各種學科最新技術的交叉實驗平臺，在新型機器

人上應用的技術有可能很快就出現在其他領域的實際產品中，不但促進了機器人自身的

發(fā)展，也帶動了其他相關領域產品的進步。當今世界，機器人特別是工業(yè)機器人已經發(fā)

展成為一個規(guī)模巨大的產業(yè)。據粗略估算，全球現在至少有76萬臺機器人正投入使用。

中國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。2000年我國工業(yè)機器人的擁有量約為3500

臺，其中國產的占五分之一。研究與市場脫節(jié)是我國機器人產業(yè)化過程中一個急需解決

的問題。同時，我國的企業(yè)也缺少大規(guī)模集成的經驗，難以形成很強的競爭力。為了改

善落后局面，使我國在相關領域能夠迅速達到世界先進水平，我們必須做到技術超越，

利用技術的優(yōu)勢彌補不足。而各類機器人競賽就是進行機器人科學教育和研究的一個非

常好的途徑，也是向大眾普及機器人知識、提高全社會對機器人產業(yè)關注程度的極佳渠

道。每年世界各地都有各種主題的機器人比賽，但是在籃球方面的機器人比賽還沒有盛

行，所以本文揩對輔助投籃機器人的設計展開研究，希望此篇論文能夠我給體育機器人

賽事的發(fā)展提供理論卜的支撐。

第1章緒論

小。只有保持合理的角度并與特定的速度配合使球沿著理想軌跡落入預定目標，據測

試5-8m外遠距離投射角度約30—60°,因得知出手角度并非一成不變的，與高度、投

籃方式、速度都有關聯。本文將從出手角度下手，通過數學推算出一道適用于立定投

籃型機器人的投籃公式。

1.3.1二維定點

為了更加準確推算出投籃公式，本推算不忽略空氣阻力與物體質量，已知籃球場尺

寸:28mmx15mm。

如圖1-1所示，建立坐標系，以A點為原點。A點為籃球場前邊中心點，并且為籃

筐中心點，無視籃筐厚度與籃筐大小。則籃球場每個端點分別為B(-7.5,1.57),

C(7.5,1.57),D(-

7.5,-26.43),E(7.5,-26.43)

設投籃機坐標點為(x,y),則該點到y=0的距離為|y|,到x=0的距離為|x|;

當x大于0時，則arctan(|x|/|y|)為投籃機器人逆時針擺正的角度。

當x小于()時，則arctan(|x|/|y|)為投籃機器人順時針擺正的角度。

國二

—e—

圖1-1籃球場坐標系

132三維定點

投籃角度調整，標準投籃角度為30度、45度和60度。下文將以30度作為投籃

算例。高度調整，忽略機器人體積、形狀，投籃出手點高度設為1800mm,并以此作為

算例。籃圈相對地面高度為3050mm。同時，簡化三維坐標為二維坐標，如圖1-2所示。

3

第I章緒論

y

圖1?2投籃機器人球場位置示例

已知機器人二維坐桁為（x,y）,得到擺動角度為。

（1）通過下式算得機器人出手點到籃圈中心點的距離。

0=arctan瑞）

（2）作地面直線L,交于將過投籃出手點垂直于地面的射線

L="二+2

L2,又交于與過籃圈中心點垂直于地面的射線L3,并做一條與其平行且該與兩條

射線相交的直線L4O建立新坐標系于這四條直線所構成的長方形中，以L3與地面直線

的交點為原點，則投籃出手點的坐標點G為（L』.8）,如圖1-3所示。

圖1-3投籃三維定點

4

第2章總體方案設計及參數確認

第2章總體方案設計及參數確認

2.1總體方案設計

2.1.1工作原理

將一個信號發(fā)射裝置放在人體上源源不斷的發(fā)出信號，而在本設計的機器人內部裝

有信號接收裝置，它可以在當人體與機器人位置比較接近時接收到處在人體的信號發(fā)射

裝置發(fā)射而來的信號，通過判斷距離從而可以定位人體的位置接著進行信號處理，調整

好與人身上發(fā)射裝置的距離，與此同時驅動電動機讓機器人可以通過電機的轉動帶動輪

子的轉動朝人的位移方向做出移動。當人的運動發(fā)生停止并且準備投籃時，接收器接收

到發(fā)射裝置停止運動，31動機器人上方的彈簧裝置模擬干擾投籃動作。

2.1.2輔助投籃機器人總體設計

輔助投籃機器人主要由整體軀干、驅動裝置、控制裝置、彈簧機構等部仁組成。

(1)驅動裝置

機器人一共有四個輪子，位于后半部分的兩個輪選用萬向輪，它可以隨意旋轉，并

且能夠起到支撐的作用。前面則為電機驅動輪，可以為機器人位移時提供動能，同時也

可以通過轉動來使機器人達到轉向的目的。

(2)軀干部分

軀干整體形狀設計為圓臺狀，分為底座和軀干部位，材質選為硬質塑料能夠盡可能

的減輕機器人重量，圓告狀能夠提高機器人運動時的穩(wěn)定性以及減小在運動時所產生的

空氣阻力。

(3)控制結構

采用BLK-MD-BC04-B藍牙模塊，支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并

支持SPP藍牙串口協議，這是一款公司自主研發(fā)的藍牙模塊，它的優(yōu)點十分多，不僅價

格便宜，工作時的功耗也非常低，體積也很小，方便安裝在機器上，最重要的是它的靈

敏性不錯，受外界干擾的能力比較強，它的功能非常完善，僅僅需要少量的元件即可發(fā)

揮它強大的功能。單片機通過采集藍牙數據，判斷人的當前位置，然后控制直流電機，

實現機器人能夠追蹤人的運動并且對于投籃動作做出攔截反應。

(4)彈簧結構

為了模仿人體對于投籃訓練者的干擾，采用彈簧結構，通過焊接的方式，將桿和鋼

板焊接在一起，彈簧壓縮后恢復原長會產生一定的彈力，底部為吸盤式電磁鐵，通過電

5

第2章總體方案設計及參數確認

流控制根據電磁轉換的原理實行彈簧的壓縮，從而實現對人投籃時的干擾。

2.2輔助投籃機器人的參數確定

2.2.1輔助投籃機器人各部件尺寸、型號確定

輔助投籃機器人的總體尺寸，輔助投籃機器人叔體為下底80cm,上底為40cm高為

120cm的掏空臺體，薄壁厚度約為5mm,臺體中間有一個掏孔的鋼板，其作用是能夠為

彈簧提供支撐作用,上方為彈籥裝置其中用40cm的桿連接上下支架°本設計共有四個

輪子，分別是兩個驅動輪和兩個萬向輪，最上方的模擬干擾手為40cm。

2.2.2彈簧選擇

彈簧選擇原長為30cm,勁度系數較小，因為勁度系數越小，彈簧進行單位長度的形

變量所需要的力越小，本設計的彈簧是為了能夠使上方干擾臂以一定加速度運動，因此

不需要太大勁度系數的力。彈簧的勁度系數主要跟制造彈簧時我們規(guī)定的彈簧的大小以

及材質有關，彈簧材料直徑越大，彈簧的圈數和密度越少，工作環(huán)境溫度越低則彈簧的

勁度系數就越大。因此本設計彈簧的選擇應該是長度為30cm,外徑為6cm左右，圈數

為6圈，彈簧絲直徑為6mm的低碳鋼作為設計彈簧的材質，以此用來保證彈簧的彈性。

2.3本章小結

本章主要確定以及選擇設計的總體方向和各部分零部件的尺寸，通過選擇外部材料

和內部零部件，使設計有了整體的規(guī)劃，將大致框架確定好后接下來能夠確定其他零部

件的設計進行計算校核。

6

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

第3章控制裝置與彈簧裝置設計

3.1控制裝置的設計

3.1.1電源電路

如下圖所示，我們需要將最開始的12V電壓通過傳導最后變成3.3V的電壓作為此單

片機工作電源電路的提供源。開始時電壓通過傳導經過有著三個引腳的三端穩(wěn)壓器L78

型，它后面的05表示將電壓穩(wěn)定為5V,電壓接著通過圖中3的線路傳導致線性穩(wěn)壓芯

片LM1117,它可將5v的電壓穩(wěn)定為3.3V的電壓給HT66F70A單片機提供電源。本設計

所選擇的兩款單片機都是進行正電壓輸出的三端穩(wěn)玉電路，它們的連接方式比較簡單，

容易操作而且成本非常低，對于我們來說是一個非常不錯的選擇。

圖3-1穩(wěn)壓芯片

接下來我們選擇的是LM2596T-5.0開關電源芯片，它屬于降壓型電源管理單片集成

電路的開關電壓調節(jié)器，上述通過穩(wěn)壓傳導將12V穩(wěn)定成5V的電壓的最主要的最主要目

的就是為了給它提供電源。LM2596系列的工作模式分為正常功耗與低功耗庵種模式，

它的輸出電壓分為3.3V、5V、12V.AD/等，其最大輸出電壓為37V。此系列的的控

制器適用于簡單的高頻率變?yōu)榈皖l率的變換器、正吸和負極互相轉換的變換器。根據它

的輸出電壓大小又細致的劃分為LM2596T-3.3、LM2596T-5.0、LM2596T-12、

LM2596T-ADJ等。LM2596T-5.?？刂菩酒粌H能嚼簡化我們對于電路設計時的步驟，

同時還節(jié)約了設計時的所需要的成本，它的低功耗模式可以增加其使用壽命并且可以外

部控制，僅僅通過幾個外圍元件就可實現控制的目的。

7

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

IC1LN12.596-5.0

士

POWERO

O/

T1NN

InOOOFB

UT

ULLC1

匚

圖3-2LM2596電源芯片

上圖所示中，有兩個濾波電容。和C2,從左邊進入芯片第一個是輸入濾波電容，當

電壓由于電流或其他因素影響產生突變時，他能抑制住這種電壓的突變，并且在

LM2596-5.0控制器需要電流導通的時候能夠提供電流，保證其能夠正常工作。整個芯

片中有一個二極管明，當天天天團時，電流停止傳導，此時二極管可以為電感L提供電

流。最右邊則是輸出濾波電容C2,當整個環(huán)路通電時，它能夠為整個環(huán)路提供穩(wěn)定電壓。

3.1.2主控芯片

HT66F70A系列單片機是一款性價比高、功能強大具有八位精簡指令集的微控制器。

該系列的微型控制單元具有許多實用的功能，由于它的flash存儲器能夠進行多次程序

的編寫，這讓使用者能夠更加方便的使用這款單片機。它擁有兩個不同的數據儲存器，

RAM和EPROM,RAM可進行普通數據的存儲，而EPROM可以用來進行對序號、校準數據

等非易失性數據的存儲。對于其模擬功能來說，該單片機包含一個多通道12位A/D轉換

器和雙比較器的功能。此產品擁有多個定時器模塊，可為使用者進行定時、脈沖產生及

PWM產生帶來非常大的方便。它的內部安裝有完整的SPI和12c功能，此功能的巨大優(yōu)點

是能為設計產品的人提供易于與外部硬件通信的接口。內部保護特性，例如看門狗定時

器、低電壓復位和低電壓檢測等功能的設置，再加上優(yōu)秀的抗干擾和ESD保護性能，當

該微控制器在比較惡劣的環(huán)境下比如受到外界嚴重電磁干擾的情況下依舊能夠正常工

作。該微控制器提供了諸多的功能選項，它的內部還構建了完整實用系統振蕩器，不需

要其他的外圍元器件。由于其能夠在不同的工作狀態(tài)之間進行穩(wěn)定的動態(tài)轉換，能夠減

少功耗，并且優(yōu)化了單片機的操作。再加上時基功能、靈活的1/()使用等諸多其他的優(yōu)

秀特性，使得該微控制器應用廣泛，例如量測儀表、工業(yè)控制、各種小型家電、醫(yī)療健

8

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

康器材、電機控制等方面。其引腳圖如下圖所示

>pPP

nHPZAPPAP

3HaAN56A7

/AA/TS/S/S/

Tzn-ODIOKC

PNTcJS//3

二f5AS

N23/NAOUC§

Ac7ONA/5A/Apps

NpoN4C6N7Nga2

n-nnnXnnnnnn

-

?

PF1/AN11/C1PUZDPB7；SOI；SDA

於

PF0/AN10?C1NUMZ3PD6/SCK/SCL

PE7/AN9/1NT1UZDPD7/SCS

”

PE6/AN8/1NT0U=3PC2/PCK/TCK2>C0X

VSSU32=3PC3/PINT/TP2/TP2B/TP2I/C1X

VDDUHT66F60A/HT66F70A=□PC4；INT2/TCK3/TP2/TP2BTP2l/INTaPiNT

PB4;XT2U48LQFP-A30=□PCS/INTarrPa'TPOBTPlB/TPlBB/rTPlIaINTI/PCK

PB3/XT1U=JPDC/,TPS/TPSBSC&TCKa

VSS2U28nPD1/TP2/TP2aTP2l；SDO；SCK^SCL

PB17OSC1Ur=□P02；SDI7SDA/TCKO

PB2/OSC2UxZ3PD3/^TP^TP3B/SDaSCK/SCUTCK1

PESTP3^TP3BUuuuuuuuuuuuu25Z3PD4/TP2/TP2B/TP2I

SPFPEPEPEPEPCPPPCPP

OE23/2-OOVCWC6SO

W/SZ/TfT/

BPSIOOS^P3SSW

一DSCC

A一T

O/W/寫OOP

號

A1II片MM

3HTNTNN22S2O

KC2lOTBBPfB

8388gWT

nT/npT

pPpl0P

二

;二

BBBl8

//A

SS

CC

O0

OM5

圖3-3HT66F60A單片機

3.1.3藍牙模塊

本設計采用BLK-MD-BC04-B藍牙通信模塊,BLK-MD-BC04-B藍牙通信模塊為一

款自主開發(fā)的無線數據傳輸產品，使用它時能耗較低，占用空間位置很小，而且價格便

宜靈敏性非常高，受到外界干擾的能力很強，是現如今藍牙數據傳輸領域智能化的性價

比非常高的產品。

9

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

BLK-IC-0CO4-0

H

UART-7X

O\

UART-RX/

9\

UART-CTS/

M8\

UART-RTS/

M7\

.J

PCM-CIK6

ploc/\

PCM-OUT5

HOwC/\

PCM-K4

7\

PCM-SYNCplot3

/\

*AKXO)pwc2

JSLMX1)PKK

MOCO

11X24

RESET0PKKO/

\

x8-SOEdplocN/

oSosWoa

lJ>Il—PKGXD

?-?K—dBO

3WdSssH

Ssn。1

圖3-4BLK-MD-BC04-B藍牙模塊

3.1.4主程序模塊

實現超聲波傳感器的數據采集、判斷;電機的控制；串口數據的發(fā)送等功能。通過系

統初始化運行，將采集到的藍牙數據進行數據處理最后向單片機發(fā)送串口數據。

圖3?5主程序模塊運行

3.1.5速度控制模板

通過微型處理器計算出人所在位置，自動跟隨人同步移動，并且保持一定距離，當

停止運動時，微型處理器計算出與人的距離變小，機器停止運動。

3.2彈簧機構的設計

3.2.1彈簧的設計及計算

10

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

1.彈簧的參數計算：

圓柱彈簧的主要尺寸有：彈簧絲直徑"、彈簧圈外徑D、彈簧圈內徑1)1、彈簧圈中

徑。2、節(jié)距t、螺旋升角。、自由長度H。等。

圖3?6彈簧尺寸設計

如果設計一款符合機器使用的彈簧，其中C是最重要的參數之一。C為彈簧的彈性

系數，c=與，C越小，材料在受力時抵抗彈性變形的能力越大，用我們通俗的話來說

a

就是彈簧越硬，此時彈簧內外側的各部分之間相互作用的力相差越大;相反見彈簧會越

軟。

彈簧總圈數與其工作圈數之間的關系為：

%=〃+今1￡|式(3-1)

本設計彈簧的總圈數為6即〃0=6,則n的值可以近似看作4

H=300〃〃〃D2=60〃〃〃d=6mmc=10

彈簧節(jié)距/的選擇公式為：

，=d+L+△式(3-2)

n

式子中人_為彈簧的最大變形量約為0.2H.△為最大變形時相鄰兩彈簧絲之間最小

距離，取值為().2d,代入公式計算

/=6+—+1.2=22.2mm

4

螺旋升角a=火一.'],通常。取5?9。

I叫)

322彈簧的強度計算:

11

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

本設計采用的彈簧為壓縮彈簧，當彈簧受軸向壓力F時，彈簧會受至I」:扭矩

T=FRcosa,彎矩MubRsina,切向力Q=Fcosa和法向力N=Fsina（式中R為

彈簧的平均半徑）。由于壓縮彈簧螺旋角a的值為通常為6~9。,所以彎矩M和法向力

N可以忽略不計。因此，在彈簧絲中起主要作用的外力將是扭矩T和切向力Q。。的

值較〃'時，cosa^l,可取T=依和。二/。

圖3-7彈簧受力圖

從上圖我們分析受力圖不難得出，彈簧受到的主要為扭矩和橫向力引起的剪應力,

對于圓形壓縮彈簧:

F.2/

TQyF8FD(1=K*舊式0-3)

T=—+—=---+-----=——廣?M

WA弓/302就3I2C

164

系數K,可以理解為切向力作用時對扭應力的修正系數，進一步考慮到彈簧絲曲率

的影響，可得

=K—式(3-4)

F為彈簧受到壓縮的力，我們需要彈簧上的輔助手以一定的加速度彈射出去，F粗

略估計值為20N,代入式子中

r=K在當"35K

3x63

K=""+任工=0.()615+1.()8=1.1415

C4C-4

12

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

7=17.1

式子中K為曲度系數，因為彈簧絲曲率和切向力會在一定程度上對扭應力造成一定

的影響。

3.3電磁裝置的設計

本設計所設計的電磁裝置是安裝在機器身體內部，通電螺線圈會產生磁力將鋼板吸

住。其工作原理如圖所示，當線圈1通入電流后，鐵芯2會產生磁場，由線圈出來的磁

力經過鐵芯、空氣隙和被磁化的銜鐵3而形成閉合回路。根據線圈中電流I的方向，可

用右手螺旋法則來確定線圈的磁感線的方向，我們所確定的N極則是磁感線出來的那一

極，而S極則是與之相反的那一極，在這個過程中銜鐵會被磁化產生磁場，由于銜鐵的

磁極與線圈磁極相反，銜鐵受到異性相吸的電磁力F的作用，被吸向鐵芯。當電源被切

斷的時候，線圈內沒有電流通過，因而產生的磁場會立即消失，沒有磁性的銜鐵將被釋

放或放下鋼板,從而江到用電源捽制磁力的目的C

圖3?8電磁裝置

當線圈通電后產生的磁場使銜鐵產生磁極的變化，此時銜鐵將會產生電磁吸力，而

它的大小與磁力線穿過磁極的總面積成正比。通常情況下，我們認定為磁感應強度B沿

磁極表面分布為均勻的，此時我們可以用以下的公式進行計算：

LB2c

r=—s

2No

在上述式子中，F表示的電磁吸力的大小，B為空氣隙中的磁感應強度我們又稱之

為磁通密度，S代表鐵芯柱的橫截面積，〃。表示的是空氣導磁系數Ao=4^xlO9H/m

13

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

如果B以高斯用來計量，則經換算可得:

/B丫

F=?s

<5O66>

因為8=（所以尸=B?

.3式(3-5)

5()0())

式中。的值的含義為氣隙中的磁通，1麥克斯韋=1（尸韋伯。

我們可以從圖中看到通電線圈所纏繞的鐵芯有兩個部位產生磁力，因此磁場產生的

吸力也是由兩個氣隙一起作用從而產生的效果，可以得出吸力的大小是電磁吸力的二分

之一，換句話來說應該為電磁吸力的公式是吸力的兩倍大小即

B\2

F=?S

V5000；

由于力的作用是相互的，以上彈簧受到的壓力為20N,則此時磁鐵的吸力應該大于

20N,這樣才能夠保證在通電產生磁場時，彈簧受到壓縮后能夠保持壓縮狀態(tài)。

3.5制動裝置的設計

圖3-9投籃機器人浮動鉗盤式剎車

I—制動盤2-^子3—制動塊4一支架5—防塵罩

6密封環(huán)7—活塞8—制而鉗9—活塞

如圖為浮動盤式制動器結構及零部件的拆卸。據圖可知，由輪轂上的螺栓固定裝配

好的制動器，制動鉗通過轉向節(jié)來固定，制動片主要在制動盤的兩側，制動片和制動盤

相互作用,完成制動過程C制動卡鉗和油缸清潔后加入.?緩慢的加入活塞.在安裝活塞

14

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

前，需要注意的是，必須事先安裝除塵罩和密封圈，不然灰塵和水會導致液壓泄露，影

響制動效果。正常情況下，壓力會導致密封圈產生彈性形變，之后在壓力消失其又回到

原始狀態(tài)，活塞將其返回原始位置。制動時間過長時，密封圈活塞發(fā)生移動，會使得間

隙自動調整。

圖3-10盤式制動器原理

3.5.1制動設計的一般原則

剎車制動的主要目的是使機器人在投籃人停止跑動時，能夠同步的迅速停止，確保

不撞到投籃人。制動裝置分為驅動和制動兩部分。

352制動效能

制動力和制動力矩，是在受到壓力作用后輸出的。使用制動效率系數指標來對制動

器性能進行評估。制動效率K為制動盤生效半徑R的摩擦比值和輸入的力矩Fu的比值,

即為：

FuR

3.5.3制動器的尺寸及質量

在考慮性價比，降低成本還能保證制動力的情況下，對制動產生的熱量能夠快速傳

走，使得質量和尺寸盡量減小，通過研究后在設計出了滿足制動條件了更加緊湊的且較

為輕型的制動裝置。

3.6本章小結

本章主要內容對各個裝置進行設計和計算。首先設計控制裝置，它是本設計的一個

重要裝置，因為有此裝置才可以實現機器人自動追隨人的運動，主要采用藍牙模塊和單

片機對于人的位置進行數據采集和處理從而達到可乂追蹤人的運動方式。其次為彈簧機

構中彈簧的選擇和計算，由于本設計是通過彈簧的壓縮和拉伸控制模擬手臂進這而到干

擾人的投籃。最后則為電磁裝置的設計，當彈簧受到壓縮產生形變時，與其連接的桿也

15

第3章控制裝置.與彈簧裝置設計

會向下產生位移，下方為電磁裝置，通電時會產生磁場，將連接桿的鋼板吸住，當電流

停止時彈簧不受約束力則會恢復原長。電磁裝置的原理是通電螺線圈產生的磁場。

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第4章其他零部件的設計

第4章其他零部件的設計

4.1萬向輪的選擇

本設計底部共有四個輪子，前面兩個為電機驅動輪，后面兩個為萬向輪也就是所謂

的活動腳輪，它可以進行三百六十度的旋轉。方向鴕的主要目的是提供支撐，在機器進

行轉向等指令時能夠讓機器變得平穩(wěn)。

圖4-1萬向輪

4.2電機驅動輪的設計

此機器人在行駛的過程中難免會受到各種阻力，其中包括的力有滾動阻力酊，空

氣阻力/,加速度阻力號等，而這些力統統都由驅動力F,來克服。

圖4-2驅動輪

17

第4章其他零部件的設計

4.2.1計算滾動阻力,

6=0+心式(41)

上述式子中心是該機器人的輪子與籃球場表面的滾動摩擦阻力，弓是輪子與軸承

之間的阻力。

心=。｝=啜式"-2)

~2

上面式子中，P表示的是輪子和地面間的壓力及整個機器人的整體重量，輔助投籃

機器人的總體重量為60kg,則尸=600N,d為車輪軸直徑，設計數值為c/=132w〃，D

為車輪直徑,在該設計中。=156僧〃,Q為輪子所受的載荷,而〃為摩擦因數通常為0。15

代入式子中：

小0.015x13.2

=600x---------=0.76?7

156

F.,=er=600x0.015=9N

Ff=F-16N

422空氣阻力的計算

空氣阻力是當機器人開始運動時由于和周圍的空氣產生了相對位移從而形成

的作用在軀干部位的阻力，而影響空氣阻力大小的原因有很多，比如外部環(huán)境的影響風,

風的大小會影響所受空氣阻力的大??；還與機器人的體積大小以及所用材料的材質有

關，當所用的材質比較光滑時，受到的阻力相對會比較??；當運動時速度的大小也會影

響所受阻力的大小。本設計的運動速度較低，工作環(huán)境中風的影響不會太大，而且整體

的設計為圓臺狀光滑表面，因此所受的空阻力會十分小可以忽略不計，則

4.2.3加速度阻力

當機器人開始加速時，需要克服自身的重量產生的慣性力，這個慣性力即為加速度

阻力。下面為計算公式：

鳥二而7?〃max式K-3)

式子中m為本設計滿載時的重量，而K為旋轉慣量換算系數，它的值經過查表可得

為1.06,則為機器人加速時加速度的最大值04〃//,代入可得

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第4章其他零部件的設計

F,==1.06x600x0,4=254.4^

F'=RJ+F",+FJ.=9.76+0+254.4=264.16N

4.2.4電機功率的估算

電機驅動功率的公式：

Ip

P=一v一式（4-4）

〃T]

本設計中為雙驅動輪結構，因此"2,〃為電機的工作效率〃=0.8,匕ax是最大速度

0.8〃?/s,代入公式P=-x2M16x68=13208lv

20.8

4.3彈簧裝置支架設計

機器人的軀干部位為厚度5mm的硬質塑料所組成的掏空臺體，中間被一塊硬質鋼

板分隔，鋼板中央掏出一個小孔，為了能夠讓桿能通過鋼板與上方彈簧裝置連接，鋼板

中心設計一個卡槽用來加固彈簧。

圖4-3支架結構

上圖為彈簧裝置的支架結構，它的下面為長度l（）（）mm寬度50mm的鋼板，它的作

用是當彈簧受到擠壓變形后，整個支架會向下產生一段位移，在鋼板下方有電磁裝置，

通電后產生磁場可以將鋼板吸住。鋼板的上方為焊接的桿，它的作用是連接上方鋼板與

下方鋼板，長度為400mm,桿上半部位板的上方連接有兩個模擬人體手臂的橡膠手進

行投籃干擾。

4.4電磁裝置的設計

本設計需要電磁裝置用來產生磁場使彈簧機構立生作用，其工作原理為通電螺線圈

產生磁場，其三維圖如圖4.4所示

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第4章其他零部件的設計

圖4-4電磁裝置

4.5輔助投籃機器人總裝圖

圖4?5總裝圖

4.6本章小結

本章主要是對其他重要零部件的設計計算，重要零部件有萬向輪以及驅動輪，對其

進行三維建模的繪制，對于驅動輪進行了電機的計算選擇，其次對于彈簧支架以及彈射

裝置進行了設計及三維建模，最后和整體的零部件進行總體的裝配，一個大體上較為完

整的輔助投籃機器人設計便設計出來。

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第5章驅動輪零件

第5章驅動輪零件

5.1電機的選擇

本設計選用SGMGV-O3A3A21型號電機，具額定輸出功率為300W,其圖如圖5-1所