具有改进的发球头移动的乒乓球机器人的制作方法

本申请要求于2014年3月5日提交的序列号为61/948,204的美国临时申请的优先权，其以引用方式并入本文。

背景技术：

本公开涉及用于乒乓球发球的机器人发球机组件，更具体地涉及具有允许实现乒乓球的各种发射轨迹的改进的头部移动的机器人发球机组件。

乒乓球是一项流行的竞技和休闲运动。该游戏的目的是使选手站在桌台的一侧，使得执有乒乓球拍的每个选手能进行乒乓球的发球、回球和对拉。然而，选手可能常常希望在没有另一个选手的情况下玩乒乓球游戏。为此，已开发出各种乒乓球发球装置或机器人。这些装置将球发给选手，使得选手能在机器人的方向上回球。

迄今为止，乒乓球机器人已结合各种特征。针对Newgarden的美国专利号3,794,001描述了一种用于给予旋转量上的变化的相对简单的装置，该旋转量上的变化被应用于由发球机发出的球。美国专利号3,794,001的公开内容以引用方式并入本文。

美国专利号4,844,458针对一种具有平移头的乒乓球机器人；美国专利号4,854,588描述了一种能够使击球轨迹发生变化的乒乓球机器人；美国专利号4,917,380公开了一种具有横向可折叠槽的乒乓球机器人，该槽带有捕捉球并允许其落入槽中的网阵列，球在槽中被喂送至机器人发球机；以及美国专利号5,009,421公开了一种包括机器人发球机和捕球网的便携式乒乓球发球装置。这最后两个引用的专利采用了折叠网结构，其还被用于附接至乒乓球桌并喂球给机器人发球机。网结构包括从中心构件径向延伸的多个臂以及悬挂在臂之间的网状物。网状物具有下边缘，其与用于接收从网状物落下的球的槽装置协同连接。槽被安置成喂球给机器人发球装置。上述专利中的公开内容以引用方式并入本文。

虽然本领域先前已知的装置是实用的且有用的，但它们在机器人头部发射球的路线方面会受到限制。即，在很大程度上，它们是来回移动并改变轨迹速度等的平移头。然而，主要由于常规平移头的重量，使得它们在改变发射球的轨迹、轨迹角度、球上的旋转等方面具有有限的方式。

因此，期望有一种用于将多个球相继发至选手的复杂的发球机装置，其采用具有改进的或扩展的发射轨迹的相对简单、廉价型轻量化设计。

技术实现要素：

简单地说，公开了一种机器人乒乓球发球机组件。

在一个方面中，机器人乒乓球发球机组件包括发球头组件，该发球头组件通过发射管将乒乓球射出。在一个方面中，发球头组件具有充分移动，即，头部可沿垂直路径、水平路径移动且可绕发射管的纵轴线旋转360°。

在一个方面中，发球头组件包括球发射管、顶部发射轮和相对的底部发射轮，这两个发射轮均至少部分地延伸至管中。发射轮包括轻量型塑料材料。发射轮中的每一个包括轮轴和在轮轴的每一端处的外轮缘。硅O形圈落座于每个轮缘上。在一个方面中，顶部轮的轮轴比底部轮的轮轴更窄。此外，底部轮的轮轴和轮缘限定大致为凹形的构型，该构型更好地使球落座并使其稳定。顶部轮借助于比底部轮更窄的夹具夹住球，从而使球稳定并允许更精确地控制排驱，包括所需的速度和旋转。

在一个方面中，发射管具有后部分和重叠的前部分，在这两个部分的接合处承有O形圈以提供平滑的轻量表面以使发球机头部绕发射管的纵轴线进行旋转移动。

在另一个方面中，发球头组件的操作元件包括轻量材料，其允许通过小的伺服马达大范围地移动发球头。

在另一个方面中，发球机头部的移动是通过无线单元来控制，所述无线单元可以是手持型的或被安装在桌台上。在一个方面中，该单元是可编程的平板计算机。

本发明的又一个方面是一种可被扩展为接纳网组件或槽组件的机器人发球机组件。

附图说明

图1是根据本公开的邻近可编程的平板控制器放置的机器人乒乓球发球机组件的立体图；

图2是发球头的前视图；

图3是发球头和齿轮组件的左视图；

图4是发球头和齿轮组件的右视图；

图5是移除了振荡器盖的俯视图，其中振荡器盖被上下颠倒地放置，其示出了振荡器盖、平移驱动齿轮和伺服马达的底部平面图；

图6是沿图5的线6-6截取的齿轮和马达群的前视图；以及

图7是沿图3的线7-7截取的局部剖视图。

具体实施方式

虽然本公开能够以许多不同的形式来体现，但仍在附图中示出并将在本文详细描述本公开的优选实施例，要理解的是，本公开将被视为对本公开的原理的例证且不欲将本公开的广泛的方面限于所示的实施例。

现在参照附图，示出了机器人乒乓球发球机组件20的一个说明性实施例。机器人乒乓球发球机组件20包含限定内部球通道23的长形本体22。圆形球收集器设备24位于本体的底部且与球通道相连通。喂球收集器板25以直角从本体22的底部向外延伸。捡球机构26与球收集器安装部分24操作性地相关联，该捡球机构26具有捡起球的多个内部指状物(不可见)以及弹簧28，弹簧28搅动球并阻止这些球在入口处搁置。

机器人乒乓球发球机组件20包括与球通道23相连通的球引导器29。球引导器29和通道23的上开口通常被振荡器盖30(图5)覆盖且被封闭在球引导器壳体31内。如所示，球引导器壳体31是由四个壁限定的大致为矩形的结构。然而，前壁包括球出口32。下文将描述位于盖30内的其他部件。机器人乒乓球发球机组件20包括发球头组件33，该发球头组件33位于本体22的顶部处并与球引导器29和通道23操作性地连通。

在一个方面中且一般来说，机器人乒乓球发球机组件20按如下方式进行操作：球流至喂球收集器板25中。捡球机构的马达引起捡取轮通过主齿轮和传动齿轮进行旋转。随着捡取轮旋转，附接至捡取轮的多个弹簧28进行旋转，随着球喂送至捡取机构的底部中而有效地分离球。当每个捡取指状物(不可见)旋转至捡取机构的底部时，其与球相接合并将球向上推至球通道中。随着球堆积在队列中，它们将在本体的通道23内部向上移动并移至上部的球引导器29中。

可采用球传感器开关以在球通过该开关时对每个球进行计数。传感器把信号发送至数字控制器以允许数字控制器在指定数量的球之后停止球的递送。数字控制器还可准确地检测何时遗漏掉捡球，以及随后使捡球机构的旋转加速以维持通过机器人的球的恒定流量。球引导器29将球导引至发球头组件33中以进行排驱。一旦处于发球头组件33内部，则通过使发射轮旋转来接合球(如下文将解释的)，以及从发球头组件33排出球(如将在下文更详细解释的)。无论如何，在受让人的序列号为13/500,774的同时待审的专利申请中公开了球收集器和相关联的结构功能、球引导器和球通道以及元件的功能的代表性实施例的一个方面，上述申请以引用方式并入本文。将要理解的是，机器人乒乓球发球机组件、特别是位于发球头组件下面的元件的操作可按不同的方式进行。本公开涵盖了将乒乓球递送至发球头组件的任何机器人结构。

一般来说，机器人发球机组件20可被安装在容器(例如，球桶或球篮)中，或通过利用5,485,995号美国专利(该专利以引用方式并入本文)中阐述的附接器具可拆卸地直接安装至乒乓球桌的边缘上。机器人发球机组件20可被用于5,335,905号美国专利(该专利以引用方式并入本文)中所公开的那类乒乓球网和发球机组件(未示出)中。本发明的机器人发球机组件可包括具有网阵列的横向可折叠槽，该网阵列捕捉球并允许其落入槽中，球在槽中被喂送至机器人发球机。网结构包括从中心构件径向延伸的多个臂以及悬挂在臂之间的网状物。网状物具有下边缘，其与用于接收从网状物落下的球的槽协同连接。槽被安置成喂球给机器人发球装置。

将详细地讨论发球头组件33的各个方面。发球头组件33包括发球头34，其被设计为改变球的递送角度、球的速度和球上的旋转。发球头组件33枢转地附接至球引导器壳体31，如将在下文解释的。一般来说，参照图2和3，发球头组件33限定纵轴线A1。发球头34可绕纵轴线A1旋转360°(如由图2中的箭头B指示的)。此外，发球头组件33可相对于垂直轴线A2上下枢转约120°(如由箭头C所示的)。此外，发球头组件33可相对于垂直轴线A3来回或从一侧至另一侧地平移约180°(如由箭头D指示的)。

参照图3至图5，发球头组件33通过支架36附接至球引导器壳体31。支架36包括后壁37、在壁的第一侧上的耳状物38和在相对侧壁上的弓形齿轮40。齿轮40延伸约120°。壁37中具有与在球引导器壳体31的前壁中的开口32互补的圆形开口(不可见)。将要理解的是，对两个开口进行配置和调整尺寸以允许常规的乒乓球通过。

如在图5中最佳所见的，在后壁37的顶部上有半圆形齿轮42且在壁37的底部处有枢轴销(不可见)。枢轴销被接合在位于球引导器壳体31的前底边缘处的枢轴销孔或底座中。存在枢轴销43，其接合位于振荡器盖30的前边缘中的枢轴座44。齿轮42被安置成接合位于振荡器盖30中的平移驱动齿轮46。平移驱动齿轮46是由同样位于振荡器盖30中的平移伺服马达48来驱动的。伺服马达48的致动实现绕垂直轴线A3的从一侧至另一侧的移动(如由图2中的箭头D指示的)。

后球发射管部分50通过耳状物38处的枢轴52以及通过弓形齿轮40处的枢轴54被枢转地安装在支架36中。后球发射管部分50包括在管的顶表面上的第一止动件56以及在球发射管部分50的底表面上的第二或下止动件(不可见)。各个止动件为头组件沿箭头C(图3)的上下运动划定界限。

存在绕后管部分50的前向端可旋转地连接的前球发射管部分60。前球发射管部分60的后端62安装在后发射管50的前向端的周围。如在图7的剖视图中看出的，在发射管的两个重叠部分之间具有两个特氟龙(Teflon)O形圈套管64。这个套管准许前向发射管部分绕后发射管部分平滑地旋转，从而实现由图2中的箭头B指示的180°旋转移动。而且，特氟龙套管减少了与金属的球轴承等常规上相关联的重量。

各个发射管进行协作以限定孔66，该孔66进行大小调整并被配置成适应球的通行。图7示出发射轮和发射管组件的一个方面。存在穿过前向发射管部分60至孔66中的第一开口68以及穿过前向发射管部分的壁的相对的第二开口70。在壁上存在邻近第一开口的第一轮安装凸缘72，且在壁上存在邻近第二开口的第二轮安装凸缘74。第一发射轮76可旋转地附接至第一凸缘且第二发射轮78可旋转地附接至第二凸缘。各个发射轮包括轻量材料，例如，轻量塑料等，其减小了重量并减小了相关联的驱动马达上的负荷。

如所示，轮76和78具有轮轴79和外轮缘80、82。每个轮缘包括具有高摩擦系数的材料84的覆盖物，如硅酮O形圈等。可应用覆盖物或优选地，覆盖物为可更换的，例如，可更换的橡胶带或O形圈等。轮76和78可具有一个以上的轮缘或O形圈，或可具有高摩擦系数材料的大致为固体的表面以提高至球的能量传递。

如在图2中看到的，第二发射轮78具有凹形前轮廓以及比第一轮76更宽的材料宽度。这个方面允许乒乓球落座于下轮的轮缘80和82之间以实现稳定性。各个轮的轮缘通过开口68和70稍向孔66中突出。发射轮中的任一个或两个与小的轻量马达操作性地相关联以转动轮。在这个布置中，球进入发射管66中，大致在发射轮的轮缘之间定心，嵌套在轮78的凹部中且被推动穿过孔66并推出发球头。轮缘上的O形圈提供了针对球的良好摩擦表面。替代地，轮缘或轮自身的表面可由具有高摩擦系数的材料建构而成。在任何情况下，轮在可控大小的四个离散位置中与球相接触。随着球通过两个轮，这提供了一定程度的“自定心”。当O形圈磨损时，也易于对它们进行更换，从而避免需要像现在这样来更换整个轮子。

壳体88封闭前向发射管和轮子。将要注意的是，在壳体88的面上存在多个指示灯90。在一个方面中，存在4个绿色的LED和4个红色的LED以指示传入的球上的旋转量。这个特征向用户提供了关于球上有多少旋转的视觉线索。相比较而言，在实际的游戏中，选手通过仔细观看对手并确认在与球接触的瞬间的球拍角度、击球角度和球拍速度来确定旋转量。但通过机器人，则难以根据任何感观输入来确定旋转量。一般来说，被点亮的绿色LED的数目将向用户发出关于球上的上旋量的信号(1个LED＝轻上旋，4个LED＝重上旋)，而被点亮的红色LED的数目将发出关于后旋量的信号。如果没有LED被点亮，则发出无旋转(死)球的信号。

可将前述旋转的组合赋给球。绕发射管的纵轴线A1对头组件进行旋转可控制被赋给球的旋转类型。发射头可旋转约180°，如由图2中的箭头B所指示的。当头组件旋转时，在头组件内的发射轮的位置相应地变化。例如，发射轮可在球的顶侧、底侧、左侧或右侧以及介乎中间的所有点上进行功能性定向以改变旋转。此外，如上文所描述的，轨迹可通过沿由箭头C指示的路径将发射头上下倾斜或移动以及沿由箭头D所指示的路径来回倾斜或移动而进行改变，从而在球发射特征方面提供几乎无限的变化。现在将具体参照图5和6来描述实现这种移动的各种元件。

如上文阐述的，通过平移驱动齿轮46和半圆形齿轮42来实现平移移动。沿由箭头C限定的路径进行的上下移动是由齿轮92来驱动的，该齿轮92接合支架36上的弓形齿轮40。齿轮92被操作性地附接至伺服马达94。马达94的致动使齿轮92转动，齿轮92转而驱动发球头组件绕枢轴52和54上下移动。头组件沿由箭头B所指示的路径的旋转移动是通过驱动齿轮96来实现的，该驱动齿轮96接合齿轮100的同心减速齿轮段98。齿轮100被旋转地安装在套管101内。在前向发射管的后端的外部周围存在主周向齿轮102。周向齿轮102与齿轮100操作性地相关联。驱动齿轮96是由伺服马达104来供电的。伺服马达104的致动使驱动齿轮96转动，驱动齿轮96转而对齿轮100进行驱动(通过减速齿轮段98)，该齿轮100转而对周向齿轮102进行驱动。

将要理解的是，一次可致动一个或多个伺服马达。因此，可同时实现两个或多个伺服马达的致动，从而可按无限数目种方式提供发球头的平稳且安静的移动和接合以提高打球体验。

各种齿轮优选地由耐久性、轻量材料(例如，塑料或尼龙或其它合成材料)制成，这降低了重量以准许平稳且安静的移动。将要注意的是，对所描述的各种齿轮连同其相关联的马达的构型和大小进行选择以获得球发射头沿所描述的路径箭头B至D的最佳的、多变的移动速度从而改变球发射特征。使用小的轻量伺服马达减小了发球头组件的重量以便于移动，该移动至今受限于大型或较重的马达、齿轮和金属轴承的使用。此外，发球头的移动可通过用户进行预编程，如将在下文描述的。

乒乓球机器人被操作性地连接至数字控制器(如在图2中由附图标记110指示的)。在有代表性的方面中，控制器110为平板计算机且包括触摸屏显示器112，该触摸屏显示器112用于对显示在显示屏上的菜单进行导航并从菜单中作出选择。平板控制器110使用基于菜单的控制系统，该控制系统与许多其他机器人使用的开关、拨号盘、操纵杆和指示器相比是具有多得多的用户友好性的系统。控制器可由生产商进行预编程或允许用户按需要对控制器进行编程。

在任何情况下，在序列号为13/500,774的同时待审的专利申请(该申请以引用方式并入本文)中公开了可编程功能的一个方面。简单地说，当第一次被开启时，菜单系统默认为“正常模式”。然而，用户具有改变默认值的选项，因此机器人可按更复杂的模式(如果需要的话)启动。在任何情况下，正常模式允许控制球速、球频率(称为等待时间)以及振荡。可通过正常模式的额外“页面”或通过切换至训练模式来激活额外的特性，在该训练模式中可激活各种预设的打球模式。替代地，当数字控制器连接至Windows个人计算机时，个人计算机模式允许个人计算机对机器人发球机组件的操作直接进行编程和控制。

平板控制器使用脉宽调制来控制马达速度。这将确保当电位计被设置为最低速度时将一直以满的12伏特(或更大)来驱动马达，而不是仅1至2伏特。这将有助于防止干扰球的问题(特别是当在机器人发球机组件中使用新的或脏的球时)，并防止根据本公开所使用的马达会发生的其他低电压问题。

控制器允许设置发球机头部的运动和速度并弃除控制杆和控制杆适配器。随机设置允许球随机地放置在任何位置处、改变球速以使球在桌台上行进得更短或更深，以及同样用于等待时间，因此培养节奏感是更加困难的。这使得机器人发球机更难以预测且与人类打球的方式更加相似。控制器可进行重新编程以纠正问题或在将来添加新的能力。

控制器110可通过串行端口连接至Windows个人计算机，该Windows个人计算机包含能够创建可在用户之间转移的“训练文件”的软件程序，例如，教练可为其学生创建3个训练文件以完成本周的每一天的训练并在该周结束时评估学生们的进步之后向他们发送新的训练。可选地，有机器人的选手团体可在他们之间交换文件。训练文件将限定马达速度、球的位置以及在相继击球之间的延迟。对可包括在训练文件中的连续球的数目没有限制。

“训练”模式将具有可通过控制器运行的设定好数目的标准训练，而无需使数字控制器连接至个人计算机。可调整供训练的球速和等待时间，由此单次训练将适于广泛的球技。训练中的连续球的数目是通过被分配至每次训练的微芯片上的存储空间的量来确定的。

“正常”模式允许对马达速度进行单独控制并允许更精确地设置球的位置、对在连续击球之间的精确延迟进行更精细的控制并能够在已递送了某一数目的球或已过去某个时间量之后停止递送。

“设定”模式允许对设置进行校准和对选项进行选择。

“计数/时间”选项允许通过球的数目(在正常模式中)、重复的次数(在训练模式中)或时间量来控制球的递送。

额外地，无线通信接口(例如，WiFi或蓝牙)是合适的。

控制器可适当地进行编程，使得可以以英文、德文、法文、西班牙文、中文和日文来显示菜单系统中的菜单。甚至存在一个特殊的特征，其中即使数字控制器已按用户无法阅读的语言进行了设置，仍可进行语言的选择。

控制器可被设置成用于左手或右手操作，使得针对左手选手或右手选手而言可正确地运行训练。可将速度和振荡校准至已知的标准，使得为一个机器人撰写的训练可由许多其他机器人共享并正确地运行。可将球传感器校准至特定的喂球机构，以消除遗漏的或延迟的捡取或双投。

控制器可包括出厂默认恢复和自我诊断的特殊功能，该特殊功能可将设置恢复至出厂默认设置以及产生故障检修代码以允许技术人员快速知道数字控制器是否恰当地发挥作用。

软件程序安装在个人计算机上且在PC和机器人控制器之间建立连接。软件程序允许用户将训练来回地读写至数字控制器、从头开始创建新的训练、直接从个人计算机运行训练以及将训练文件保存在个人计算机上。软件程序还可将被存储在数字控制器中的所有64个训练恢复成原始出厂设置。

另一方面，平板控制器可结合个人计算机的所有功能。

可通过从文件菜单选择保存命令将训练文件保存在平板控制器上以供今后使用。随后，将显现对话框，其允许给予训练文件不同的名字。可使用文件菜单上的打开命令来召回之前已保存的训练文件。选择打开命令将显示对话框，其允许用户导航至之前保存的训练文件。一旦选择训练文件，就出现来自该训练中的顺序步骤。

前面所公开的伺服马达、LED灯和操作所需的任何其他马达适当地接有电线并被连接至电源，例如，通过电源线或适当的电池。

上述实例表明，本公开由权利要求限定，本公开具有广泛的应用且不应仅限于详细示出和描述的实施例。相反地，本公开应仅限于权利要求的明确性词语，且权利要求不应受限于说明书中所示的详细实施例，这些详细实施例表示本公开的最佳模式而非保护的范围。保护范围仅受所附权利要求的范围的限制且审查员应在该基础上审查权利要求。