台球机器人设计开题报告

台球机器人设计

摘要：本文对台球机器人进行研究和设计。完成了台球机器人的移动机构、回转机构、抬升机构、倾斜机构、击球机构的虚拟装配，设计了一种基于单片机的台球机器人的控制系统。该机器人能够完成自由行走，360度整圆旋转，平稳升降、倾斜，击球并复位等动作，满足台球运动所需要的各种运动形式，有趣、实用。

关键词：台球机器人控制系统。

通过对中国机器人发展现状分析，目前，我国机器人产业正处于蓬勃发展的状态，各类机器人正快速发展。工业机器人作为制造业皇冠顶端的明珠，其性能优势决定了其在工业生产中的优势地位。

目前，在机械加工与电子电气等行业生产中，工业机器人的批量使用，使生产流程工序自动化、简洁化，显著降低了生产成本，提高了生产利润【1】。同时，作为智能制造的主力军，工业机器人不断从汽车制造领域向机械、建材、物流、食品乃至航空、航天、船舶制造等领域渗透，带动相关产业的发展。

在当今科技发展水平之下，各种类型的机器人已经深入人们生产、生活的方方面面，机器人在现代生产生活中的应用领域不断扩宽，其种类也日益增多【2】。根据不同的分类方法，可以对机器人进行不同的分类，如，根据其功能可以分为操作机器人、移动机器人、信息机器人、人机机器人【2】。然而，却鲜有对台球机器人的研究。台球机器人可以达到寓教于乐的目的，很好地帮助人了解台球的基本击打技巧，通过遥控器控制机器人的各个活动，完成走位，瞄准，出杆，击打等各个动作，十分好玩有趣。

国际机器人联合会(IFR)曾预测：“机器人革命”将创造数万亿美元的市场，从而带动与机器人相关的新材料功能模块、感知获取与识别、智能控制与导航等关键技术与市场快速发展【3】。此外，机器人在医疗、餐饮服务等方面的应用，也提高了人们的生活质量，便捷了人们日常的生产生活。在我国人口红利减弱的背景下，随着产业转型升级的不断深入，机器人应用范围越来越广，我国机器人产业将迎来战略发展黄金期【3】。

台球源于英国，它是一项在国际上广泛流行的高雅室内体育运动，是一种用球杆在台上击球、依靠计算得分确定比赛胜负的室内娱乐体育项目【4】。台球运动据说是大约在14世纪，由伦敦一家名叫Billsyard的当铺老板为娱乐消遣而发明的，台球的英文名称即源于此。至18世纪末，台球作为一种游戏在英国民间很是盛行。19世纪初，世界上第一个公共台球室在伦敦开设【4】。

台球运动作为当今新兴的体育运动项目，如今在世界范围内越来越受欢迎。从前台球作为一种优雅的绅士运动，在我国并未受到重视。我国体育界对台球逐渐重视到现在将近30年，然而我国台球运动员却取得了惊人的成绩，2005年，年仅18岁的丁俊晖在世界斯诺克职业排名赛中获得冠军，这一比赛之后在全球范围内掀起了台球热【5】。

在当今科技发展水平之下，各种类型的机器人已经深入人们生产、生活的方方面面，机器人在现代生产生活中的应用领域不断扩宽，其种类也日益增多。根据不同的分类方法，可以对机器人进行不同的分类，如，根据其功能可以分为操作机器人、移动机器人、信息机器人、人机机器人。机器人不仅在“自动化”方面取得了很大的成就，其在“智能化”方面也已达到了较高的水平。然而，却鲜有对台球机器人的研究【6】。

通过对台球机器人发展现状分析，台球机器人可以达到寓教于乐的目的，很好地帮助人了解台球的基本击打技巧，通过遥控器控制机器人的各个活动，完成走位，瞄准，出杆，击打等各个动作，十分好玩有趣。

模仿人类打台球，可知，台球机器人需能够完成自由行走、360度整圆旋转、平稳升降、倾斜、击球并复位等动作，满足台球运动所需要的各种运动形式。并且需要设计台球机器人的控制系统。

移动机构：用于完成机器人的直走与转向。

旋转机构：整个底板可以实现360度的整圆旋转，使得机器人具有更大的工作范围。

升降机构：使得机器人在上升或者下降时能够有很好的稳定性。

倾斜机构：这时使得球杆取得一个击球角度，使之能够更好的击球

击球机构：使球杆能在所需力的范围下击打出去

控制系统：以上各个机构均与控制机构连接，并由控制机构实现控制，实现机器人的整体前行，转弯，停止，旋转，升降，击打等动作，台球机器人整体控制模式。

4.1 移动系统设计

移动机构包括底座1，以及接于底座1的两只前轮51和两只后轮50。前轮51为定向轮，后轮50为驱动轮，两只驱动轮分别独立地与减速器以及直流电机连接。直流电机通过齿轮驱动后轮50旋转，减速器用于控制后轮50转速的变化。当直流电机正转或者反转时可以实现机器人的前进和后退；当减速器控制两只后轮50产生速度差时，即使得机器人整体实现转向的目的。

（直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，因此直流电机可提供稳定的转速，可保证后轮的稳定运动。）

图1

图2

4.2旋转机构设计

实现相对底座1的转动。具体而言，底座1上固定有起支撑作用的固定板3，与底座1以及固定板3转动连接的转轴7，底板9与转轴7固定连接，且底板9通过深沟球轴承6转动支撑在固定板3上。底座1上固定有电机，电机与转轴7之间通过同步带16连接，当电机正转或者反转的时候，通过同步带16以及转轴7可以带动底板9的转动，进而带动底板9之上整个机械和底板9一同进行转动，整个底板9可以实现360度的整圆旋转，使得机器人具有更大的工作范围。

（旋转动力机构包括电机以及连接在电机与转轴之间的同步带。）

图3

4.3升降机构

当两根线性推杆20同时伸长或者缩短时，可以控制机器人的上半部分上升或者下降，采用前后双推杆的方式，使得机器人在上升或者下降时能够有很好的稳定性。

图4

4.4倾斜机构

机构的连接：两线性推杆的顶部分别于与顶板29、连接板23转动连接。连接板23上固定有第一滑杆26，第一滑杆26上滑动有第一滑块25，第一滑块与顶板29转动连接，顶板29上有第二滑杆45，第二滑杆上有第二滑块27，第二滑块与球杆47转动连接。第二滑块27 安装了用于固定球杆47 的托架，这样球杆便可以通过第二滑块27 的带动来前后移动。

当两根线性推杆20的长度存在差异时，第一滑块25在第一滑轨26上滑动，从而使得顶板29以及机器人的上半部分相对底座产生倾斜角度，顶板29能够取得一个角度，这时使得球杆47也取得一个击球角度，使之能够更好的击球。

第二滑杆45 的端部与第二滑块27 之间设置有弹簧48。当球杆47 击打球后，弹簧47 通过自身弹力的回复可推动第二滑块27 以及球杆47 回到原位。

4.5击打机构

顶板上固定有立杆32，立杆32上转动设置有榔头41；顶板上安装固定有一个高速电机36，高速电机36通过皮带37连接到一个电离合器33，进而带动可分离地连接在电离合器33上的轴，榔头41即与该轴固定。当电离合器33通电时，轴转动，带动固定在轴上的榔头41升高，当电离合器33断电时，榔头41在重力作用下转动，进而击打球杆47。调整电离合器33的通电时间，即轴的转动时间可以控制榔头41的高低，从而来控制击球力的大小。

图5

图6

4.6控制系统设计

台球机器人的电源采用24V输出电压的蓄电池为直流电机供电。以上各个机构均与控制机构连接，并由控制机构实现控制，实现机器人的整体前行，转弯，停止，旋转，升降，击打等动作。

图7

图8

2017年12月---- 2018年1月：收集资料，完成课题背景研究及文献综述。

2018年2月： 确定设计系统总体方案，书写开题报告。

2018年3月： 各个机构的选择和设计。

2018年4月： 台球机器人整体布局的设计、电气控制的设计。

2018年5月： 编写毕业论文，毕业答辩准备和答辩。

参考文献：

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[13]何铭新钱可强徐祖茂主编.机械制图（第6版）.高等教育出版社.

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