一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法
【专利摘要】一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法包括控制系统、机械系统和击球方法；控制系统包括主控板和舵机驱动板；机械系统包括驱动模块、传动模块和击球模块；击球方法为：1)主控板计算击球角度，并发出控制信号给舵机驱动板；2)舵机驱动板对1)输出的控制信号进行功率放大，生成大电流控制信号，并将此信号传送给舵机；3)舵机接收舵机驱动板的控制信号；4)舵机依据3)中舵机驱动板发来的控制信号进行顺时针旋转；同时，齿轮将舵机旋转移动转化为齿条向下平移，齿条带动击球杆向下移动；5)电磁铁开关闭合驱动电磁顶杆推动击球杆将球击出；6)舵机反向旋转相同角度使击球杆回到初始位置。
【专利说明】
_种足球机器人可调整击球杆系统及其方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，属于机械机构、智能足球机器人技术领域。
【背景技术】
[0002]Robocup足球机器人中型组是一项综合性极强的比赛，其地位相当于世界杯在足球界的地位，比赛的最终目的是到2050年，战胜人类足球队。其一年一次的举办无疑是机器人界的一大盛宴，是一种系统性、综合性极强的科技创新比赛，对促进人工智能的发展，机器人自动化的进步，有着不可忽视的贡献。
[0003]在现今国内的足球机器人队伍中，主流的击球机构设计方案是击球杆与机体铰接，通过调整电磁铁推力来调整踢出足球的飞行轨迹，但由于击球杆不可调节，使得踢出球的飞行轨迹单一。由于机器人高度限制和结构的限制，机器人在传球时需要踢出低平球，使得己方机器人更容易接住;在射门时应该踢出高抛球，使得对方守门员机器人更不容易发现而更容易进球得分。传统的击球机构结构单一，无法实现更多的功能，所以催生出新的可调整击球机构设计方案，经检索，相关度较大的文献及专利如下:
[0004](I)在《微型机与应用》2012年第31卷第19期的文章“足球机器人电磁击球系统设计”中，介绍了一种足球机器人击球系统的设计方案，设计了能够实现平射和挑射的电磁击球机构，提出了一种实用型升压电路以及击球电磁铁驱动电路控制方法，通过试验对足球机器人击球系统的两种击球效果进行了分析，结果表明，足球机器人电磁击球系统在迅速升压可控的驱动电路下能够实现不同的击球效果，达到了设计目的。缺点是平射和挑射两个动作需要用两套线圈和击球杆实现，造成了结构冗余，提高了制造成本，增加了结构的复杂度。
[0005](2)申请号:CN 201710961U，题为“足球机器人的踢球系统”的实用新型专利，包括主控器、踢杆、驱动机构和电源，所述主控器通过驱动机构与踢杆连接;所述驱动机构包括压缩气体储存瓶、电磁继电器、电磁阀和气缸，所述电磁继电器、电磁阀、电源形成一回路，所述主控器与电磁继电器连接，所述压缩气体储存瓶通过电磁阀与气缸连接，所述气缸与踢杆连接。本专利减轻了结构重量，能较好的踢出低平球，缺点是击球杆不可调节，飞行轨迹单一，难以踢出高抛球。
[0006](3)申请号:CN204745644U，题为“一种足球机器人踢球装置”的实用新型专利，包括机架、曲柄滑块机构与击球机构。曲柄滑块机构和击球机构均安装在机架上；曲柄滑块机构通过电机驱动滑块沿滑轨移动，通过连杆带动安装在射门升降架上的击球机构上下移动，以调节击球机构中击球机构与球心在垂直方向的相对位置，从而可以调节机器人传球或射门时足球的出射角度。击球机构中的击球杆通过电磁铁驱动，使电磁铁的电磁顶杆可推动击球杆转动，带动击球杆下部的击球板快速传球或以期望出射角度射门。本专利能实现传球和以期望出射角度射门两种动作，并且可以根据需要在这两个动作之间进行快速切换。但是击球杆采用直杆形式，在踢高抛球时击球杆中部先于底部触碰到球，造成干涉，限制了击球角度。
[0007]本发明致力于解决以上问题，设计了一种可调节击球杆，采用大扭力舵机作为驱动装置，通过齿轮传动对击球杆的垂直位置进行快速精确调节，利用击球杆的圆弧特性避免干涉，完成足球机器人的平射和挑射动作。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于设计一种可调节的击球杆来击出不同的射门或传球曲线，从而更好的适应足球场上的形势，提出了一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法。
[0009]—种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，包括控制系统、机械系统和击球方法;
[0010]控制系统包括主控板和舵机驱动板；
[0011]控制系统各部分功能是:主控板计算出击球角度并发出控制信号；舵机驱动板接收来自主控板发出的小电流控制信号并进行功率放大，生成大电流控制信号；
[0012]机械系统包括驱动模块、传动模块和击球模块;驱动模块又由机架、舵机和螺栓A构成，传动模块由齿轮、齿轮轴、连接销A以及齿条构成，击球模块由滑杆、螺栓B、连接销B、电磁铁开关、电磁顶杆和击球杆构成；
[0013]其中，舵机上嵌有舵机齿轮;齿条横截面为十字形，且齿条底端开孔;所述的击球杆为圆弧型，且中部开槽;电磁顶杆可发生水平方向的相对运动；
[0014]机械系统中各模块的功能是:驱动模块接收来自控制系统中舵机驱动板的控制信号，驱动舵机旋转为机械系统提供初始扭矩;传动模块将舵机的旋转运动转化为击球杆的直线运动;击球模块通过电磁铁开关推动电磁杆将球击出；
[0015]机械系统中各模块的连接与安装关系为:
[0016]驱动模块中舵机和机架相连;传动模块中的齿轮与舵机齿轮啮合，齿轮与齿条啮合连接，齿条两侧嵌入机架开的槽中，齿条底端通过连接销A与击球杆上端连接;击球模块中电磁铁开关通过螺栓B连接固定在机架上，电磁顶杆与电磁铁开关通过滑道连接，电磁铁通过连接销B与击球杆连接；
[0017]击球方法包含如下步骤:
[0018]步骤一、主控板计算击球角度，并发出控制信号给舵机驱动板；
[0019]步骤二、舵机驱动板对步骤一输出的控制信号进行功率放大，生成大电流控制信号.并
[0020]将此信号传送给舵机；
[0021 ]步骤三、舵机接收舵机驱动板的控制信号；
[0022]步骤四、舵机依据步骤三中舵机驱动板发来的控制信号进行顺时针旋转；与此同时，齿轮将舵机旋转转化为齿条向下平移，而击球杆也在齿条牵引下向下移动；
[0023]步骤五、电磁铁开关闭合驱动电磁顶杆推动击球杆将球击出；
[0024]步骤六、舵机反向旋转相同角度使击球杆回到初始位置；
[0025]经过上述步骤一至步骤六，完成了击球方法。
[0026]有益效果
[0027]本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，与其他击球杆与方法相比，具有如下有益效果:
[0028]1、本发明解决了目前足球机器人射门曲线单一难以踢出高抛球的问题；
[0029]2、本发明采用圆弧形的击球杆设计保证了击球时击球杆末端触球，从而避免了直杆击球时击球杆中段先触球所造成的干涉问题，提高了射门的稳定性和准确性；
[0030 ] 3、本发明米用齿轮齿条机构将击球杆击球瞬间的巨大反冲力得以分散，对电机进行了保护。
【附图说明】
[0031]图1是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及方法及实施例1中的总体结构及流程图；
[0032]图2是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法及实施例1中机械系统的结构示意图；
[0033]图3是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法实施例2踢高抛球时的状态不意图；
[0034]图4是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法实施例2踢高抛球时的流程图；
[0035]图5是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法实施例3踢低平球时的结构示意图；
[0036]图6是本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法实施例3踢低平球时的方法流程图；
[0037]附图标记说明:
[0038]图2中:I为滑杆，2为电磁铁开关，3为舵机，4为螺栓A，5为机架，6为齿轮，7为齿条，8为连接销A，9为螺栓B，10为连接销B，11为电磁顶杆，12为击球杆。
【具体实施方式】
[0039]为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。
[0040]实施例1
[0041 ]图1所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法总体结构图。由图1可以看出，本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及方法包括控制系统、机械系统以及击球方法三部分;机械系统又包含驱动模块、传动模块和击球模块，控制系统驱动机械系统实现击球方法，击球方法包括高抛球及低平球。
[0042]图2所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法及本实施例中机械系统的结构示意图，包括I滑杆，2电磁铁开关，3舵机，4螺栓A，5机架，6齿轮，7齿条，8连接销A，9螺栓B，1连接销B，11电磁顶杆，12击球杆。
[0043]本发明及本实施例的击球方法流程为控制系统先判断是否为高抛球模式，若是，则计算高抛球击球角度，(对应于图1中的“是”)继而机械系统的驱动模块计算并提供相应的初始转矩，传动模块将旋转运动转换为平移运动(直线运动)，最后击球模块击球;球被击出后再恢复初始位置;若否，(对应于图1中的“否”)则控制系统会计算踢低平球所需击球角度，驱动模块计算并提供相应的初始转矩，传动模块将旋转运机械系统击出低平球。
[0044]实施例2
[0045]图3所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法于本实施例中踢高抛球时的状态示意图，由图3可以看出，此时齿条运动至最下端，带动击球杆下移使击球点形成50°的击球角度，等待电磁铁闭合推动击球杆击出高抛球。
[0046]图4所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法及本实施例中踢高抛球时的方法流程图。从图中可以看出，在踢高抛球时具体通过以下步骤实现:
[0047]步骤A、主控板计算高抛球击球角度Θ，并发出控制信号给舵机驱动板；
[0048]其中，击球角度Θ范围为40°至50° ；
[0049]步骤B、舵机驱动板接收控制信号进行功率放大，传送给舵机；
[0050]步骤C、舵机接收舵机驱动板的控制信号，并顺时针旋转角度X;
[0051 ]其中，舵机的旋转角度X为180°至270° ;
[0052]步骤D、齿轮将电机旋转运动转化为齿条向下平移距离D;
[0053]其中，齿条平移距离D范围为5cm至7cm;
[0054]步骤E、击球杆在齿条牵引下向下移动相同距离D;
[0055]步骤F、电磁铁开关闭合驱动电磁顶杆推动击球杆将球击出；
[0056]步骤G、舵机反向旋转角度X使击球杆回到初始位置；
[0057]经过上述步骤A至步骤G，完成了本实施例一种足球机器人可调整击球方法的高抛球。
[0058]实施例3
[0059]图5所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法及本实施例中踢低平球时的状态示意图。如图5所示，此时齿条下降距离小，只形成大概10°的击球角度，等待电磁铁闭合推动击球杆击出低平球。
[0060]图6所示为本发明一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法及本实施例中踢低平球时的流程图。由图6可以看出，本发明在踢低平球时，具体通过以下步骤实现:
[0061]步骤1、主控板计算出击球角度Φ，并发出控制信号给舵机驱动板；
[0062]其中，计算出的击球角度Y范围为10°至40°;
[0063]步骤2、舵机驱动板接收控制信号，并将此信号进行功率放大并传送给舵机；
[0064]步骤3、舵机接收舵机驱动板的控制信号，并顺时针旋转角度Y；
[0065]其中，舵机的顺时针旋转角度Y为60°至180°;
[0066]步骤4、齿轮将电机旋转运动转化为齿条下移距离L;
[0067]其中，齿条平移距离L范围为Icm至5cm;
[0068]步骤5、击球杆在齿条牵引下下移距离L;
[0069]步骤6、电磁铁开关闭合驱动，电磁顶杆推动击球杆将球击出；
[0070]步骤7、舵机反向旋转角度Y使击球杆回到初始位置；
[0071]经过上述步骤I到步骤7，完成了本实施例一种足球机器人可调整击球方法的低平球。
[0072]以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，其特征在于: 包括控制系统、机械系统和击球方法； 控制系统包括主控板和舵机驱动板； 机械系统包括驱动模块、传动模块和击球模块;驱动模块又由机架、舵机和螺栓A构成，传动模块由齿轮、齿轮轴、连接销A以及齿条构成，击球模块由滑杆、螺栓B、连接销B、电磁铁开关、电磁顶杆和击球杆构成； 其中，舵机上嵌有舵机齿轮;齿条横截面为十字形，且齿条底端开孔;所述的击球杆为圆弧型，且中部开槽;电磁顶杆可发生水平方向的相对运动。2.如权利要求1所述的一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，其特征还在于: 所述的控制系统各部分功能是:主控板计算出击球角度并发出控制信号；舵机驱动板接收来自主控板发出的小电流控制信号并进行功率放大，生成大电流控制信号； 机械系统中各模块的功能是:驱动模块接收来自控制系统中舵机驱动板的控制信号，驱动舵机旋转为机械系统提供初始扭矩;传动模块将舵机的旋转运动转化为击球杆的直线运动;击球模块通过电磁铁开关推动电磁杆将球击出。3.如权利要求1所述的一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，其特征还在于: 机械系统中各模块的连接与安装关系为: 驱动模块中舵机和机架相连;传动模块中的齿轮与舵机齿轮嗤合，齿轮与齿条嗤合连接，齿条两侧嵌入机架开的槽中，齿条底端通过销与击球杆上端连接;击球模块中电磁铁开关通过螺栓B连接固定在机架上，电磁顶杆与电磁铁开关通过滑道连接，电磁铁通过连接销B与击球杆连接，击球杆上端通过连接销A与齿条下端连接。4.如权利要求1所述的一种足球机器人可调整击球杆系统及其方法，其特征还在于: 击球方法包含如下步骤: 步骤一、主控板计算击球角度，并发出控制信号给舵机驱动板； 步骤二、舵机驱动板对步骤一输出的控制信号进行功率放大，生成大电流控制信号，并将此信号传送给舵机； 步骤三、舵机接收舵机驱动板的控制信号； 步骤四、舵机依据步骤三中舵机驱动板发来的控制信号进行顺时针旋转； 与此同时，齿轮将舵机旋转移动转化为齿条向下平移，而击球杆也在齿条牵引下向下移动;齿轮将舵机旋转运动转化为齿条向下平移； 步骤五、电磁铁开关闭合驱动电磁顶杆推动击球杆将球击出； 步骤六、舵机反向旋转相同角度使击球杆回到初始位置； 经过上述步骤一至步骤六，完成了击球方法。
【文档编号】A63H13/04GK105963973SQ201610517226
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】张毅, 张屹康, 汪金奎, 李弋豪
【申请人】北京理工大学