专利名称：一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于排球专项训练的辅助系统，尤其是基于单片机控制的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，该机械手模拟拦网运动员手臂的左右摆动和伸缩动作，提高排球运动员的扣球技术水平。
背景技术：
扣球是排球运动中发、垫、传、扣、拦的五大技术之一。在排球比赛中，扣球是主要的得分技术。在关键时刻，能否扣球得分，关系到在比赛中能否获得主动权甚至是比赛的胜利。一个排球运动员要熟练的掌握扣球技术，都必须要经过长期的专项训练，基于科学训练理论和技术，适当引入辅助训练系统和专用设备，可以有效减少陪练教练的工作强度，可以为提高运动员的训练水平提供必要的技术保障。目前，排球运动专项训练辅助设备的科学研究工作虽已取得丰富成果，但是在产品化和商用方面尚处于起步阶段，不能够满足当前国际排球技术发展对排球专项训练系统的科学化、信息化和工业化需求，在一定程度上阻碍了我国排球运动的发展进程。如中国专利CN201701712U中设计的排球扣球手法辅助练习器，该设计的主要是构成是一个长手柄与一对模拟手掌，两者相连接构成该排球球扣球手法辅助练习器。陪练教练手握长手柄，伸举模拟手掌进行拦网。虽然应用该排球扣球手法辅助练习器，可以避免陪练教练的起跳动作，但对陪练教练的体能有一定要求。在专利“一种用于排球扣球技术训练的机械手”中设计的机械手，可以实现训练前调节好机械手的高度及与水平面的夹角并将其固定，训练过程中陪练教练在场地外使用键盘控制模拟手的伸缩。虽然应用该机械手，可以降低对陪练教练的体能要求，但该用于排球扣球技术训练的机械手只有三个自由度，即机械手的上下移动、机械手与水平面的夹角可调以及模拟手的伸缩。该用于排球扣球技术训练的机械手只能在某一特定位置进行拦网，拦网范围小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够模拟拦网真实情境的简单、安全和实用的辅助训练系统。在排球扣球技术训练中使用该机械手，排球运动员可以针对某一范围的拦网多次练习某些专项扣球技术。陪练教练在场地外通过按键控制辅助训练系统工作。本发明所采用的技术方案-种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是底座(I)为圆柱形，该底座(I)中心处圆柱形凹槽，凹槽内壁设有内螺纹，立柱(2)为圆柱形，该立柱(2)底端外周上设有与凹槽内壁上的内螺纹相配合的外螺纹，该底座(I)与该立柱(2)通过螺纹机械旋
接在一起。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是支架(3) —端为圆柱形套筒，一端为T型，支架(3)的圆柱形套筒可无缝隙的套在立柱(I)上，并可在无阻碍的情况下沿立柱(I)下上下移动。套筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，旋钮(9)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(9)，可紧固该支架(3 )与该立柱(2 )，使该支架(3 )固定于该立柱(2 )上，不可上下要移动。向外旋转该旋钮(9)，该支架(3)与该立柱(2)松开，该支架(3)可以在沿立柱(2)上下移动，从而调节机械手的高度。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是箱体外壳(4)的左侧表面突出两个圆筒，这两个圆筒可无缝隙的套接在支架(3)的T型两端，并可在无阻碍的情况下做以该支架(3) T型的横杆为轴的转动，圆筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，两个旋钮(10、11)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(10、11)，可紧固该箱体外壳(4 )与该支架(3 )，该箱体外壳(4 )不转动，向外旋转该旋钮(10、11)，该箱体外壳(4)与该支架(3)松开，该箱体外壳(4)可以做以该支架(3) T型的横杆为轴的转动，从而调节机械手与水平面夹角。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是箱体外壳(4)的右侧表面有两个圆孔以及前表面的左下角处有一个圆孔，连接键盘模块(14)的导线从箱体外壳(4)的下表面的圆孔引出，控制两根连臂(5、6)转动的两个步进电机的转轴分别从箱体外壳(4)的右侧表面的两个圆孔伸出，两根连臂(5、6)的一端分别与两个步进电机的转轴通过螺丝固接在一起，两个步进电机的转轴转动，便可带动两根连臂(5、6)做机械转动，从而实现机械手的左右摆动。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是两只模拟手(7、8)分别和两根连臂(5、6)通过两个肘关节(12、13)连接在一起，两个肘关节(12、13)内分别有一个步进电机，两个步进电机的转轴转动，便可带动两只模拟手(7、8)做伸缩运动，达到拦网的目的。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是电源模块用于为控制部分的各模块提供能量。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是键盘模块(14)上设有5个按键，5个按键分别为“L”键(Left)、“R”键(Right)、“E”键(Extend)、〃S〃键(Shrink)和〃D〃键(Disjunctor),当“L”键按下时,两根连臂(5、6)相对于排球网向左转动，当“R”键按下时，两根连臂(5、6)相对于排球网向右转动，当“E”键按下时，两只模拟手(7,8)伸出，当〃S"键按下时，两只模拟手(7、8)缩回，当"D"键按下时，若电源模块为开启状态，则单片机控制电源模块关闭，若电源模块为关闭状态，则单片机控制电源模块开启。所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是步进电机驱动器根据单片机给出的控制信号，驱动步进电机转轴的转动，从而带动两根连臂(5、6)的转动以及两只模拟手(7、8 )做伸缩运动，达到拦网的目的。所述的用于排球扣球技术训练的机械手，其特征是步进电机驱动器根据单片机给出的控制信号，驱动步进电机转轴的转动，从而带动两根连臂(5、6)的转动以及两只模拟手(7、8 )做伸缩运动，达到拦网的目的。本发明的优势在于本发明能够模拟单人拦网，为排球运动员提供排球扣球技术训练的真实环境，从而获得良好的训练效果。排球运动员还可以针对某一范围的拦网多次练习某些专项扣球技术，提高专项技能水平。陪练教练在远离排球网的位置按键控制模拟手掌的伸缩，不必进行起跳，不消耗大量人力，避免起跳给脚踝、膝盖、手指带来的意外伤害。
图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明系统工作流程示意图；图3是本发明中控制部分的各模块连接关系示意图；图4是本发明中控制部分的电路结构示意具体实施例方式一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，第一自由度为机械手的上下移动，第二自由度为机械手与水平面的夹角可调，第三自由度为机械手的左右摆动，第四自由度为模拟手的伸缩。该用于排球扣球技术训练的四自由度机械手包括机械部分和控制部分两部分。陪练教练在场地外，操作键盘模块(14)，通过按键的不同输入不同的信号，单片机根据输入信号的不同向步进电机驱动器输出不同的信号，步进电机的转轴根据步进电机驱动器控制信号的不同做出相应的转动，从而带动机械手的摆动以及两只模拟手(7、8)的伸缩，达到模拟拦网的目的。所述机械部分包括一个底座(I)、一根立柱(2)、一根支架(3)、一个箱体外壳
(4)、两根连臂(5、6)、两只模拟手(7、8)和两个肘关节(12、13)。机械部分的实施方式如下底座(I)为圆柱形,半径为200mm,高为200mm。底座(I)中心处有一半径为50mm,深度为80mm的圆柱形凹槽，凹槽内壁设有内螺纹。立柱(2)为圆柱形,半径为50mm,高为2000mm。该立柱底端外周上设有与凹槽内壁上的内螺纹相配合的外螺纹，该底座(I)与该立柱(2)通过螺纹机械旋接在一起。支架(3)—端为圆柱形套筒，一端为T型。支架(3)的圆柱形套筒可无缝隙的套在立柱(I)上，并可在无阻碍的情况下沿立柱(I)下上下移动。套筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，旋钮(9)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(9)，可紧固该支架(3)与该立柱(2)，使该支架(3)固定于该立柱(2)上，不可上下要移动。向外旋转该旋钮(9 )，该支架(3 )与该立柱(2 )松开，该支架(3 )可以在沿立柱(2 )上下移动，从而调节机械手的高度。箱体外壳(4)为一长方体，该箱体外壳(4)的长为250_，宽为200_，高为200_。左侧表面突出两个圆筒，这两个圆筒可无缝隙的套接在支架(3)的T型两端，并可在无阻碍的情况下做以该支架(3)T型的横杆为轴的转动。圆筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，两个旋钮(10、11)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(10、11)，可紧固该箱体外壳(4 )与该支架(3 )，该箱体外壳(4 )不转动。向外旋转该旋钮(10、11)，该箱体外壳(4)与该支架(3)松开，该箱体外壳(4)可以做以该支架(3) T型的横杆为轴的转动，从而调节机械手与水平面的夹角。箱体外壳(4)的右侧表面有两个圆孔以及前表面的左下角处有一个圆孔,连接键盘模块的导线从箱体外壳(4)的下表面的圆孔引出，控制两根连臂(5、6)转动的两个步进电机的转轴分别从箱体外壳(4)的右侧表面的两个圆孔伸出。两根连臂(5、6)的一端分别与两个步进电机的转轴通过螺丝固接在一起。两个步进电机的转轴转动，便可带动两根连臂(5、6)做机械转动，从而实现机械手的左右摆动。转动角度以及转动速度由单片机编程控制。两根连臂(5、6)的另一端分别与两只模拟手(7、8)通过两个肘关节(12、13)连接在一起。两只模拟手(7、8)的手臂长为250mm，宽为100mm。两只模拟手(7、8)分别与两个肘关节(12、13)内的两个步进电机的转轴通过螺丝固接在一起。两个步进电机的转轴转动,便可带动两只模拟手(7、8)做伸缩运动。转动角度以及转动速度由单片机编程控制。
上述机械部分的构件一个底座(I)、一根立柱(2)、一根支架(3)、一个箱体外壳(4)、两根连臂(5、6)和两个肘关节(12、13)，均采用韧性较好的熟铁制成。两只模拟手(7、8)采用弹性较好的轻质橡胶制成。
所述的控制部分包括一个键盘模块(14)、一个电源模块、一个单片机、两个步进电机驱动器和四个步进电机。控制部分的实施方式如下电源模块用于为控制部分的各模块提供能量。键盘模块(14)上连有6根导线，其中I根为地线，另外5根为与单片机I/O端口相连的控制线。键盘模块(14)上设有5个按键，5个按键分别为“L”键(Left)、“R”键(Right)、“E” 键(Extend)、〃S〃 键(Shrink)和 〃D〃 键(Disjunctor)。当 “L” 键按下时，两根连臂(5、6)相对于排球网向左转动；当“1 ”键按下时，两根连臂(5、6)相对于排球网向右转动；i“E”键按下时，两只模拟手(7、8)伸出；当〃S"键按下时，两只模拟手(7、8)缩回；当"D〃键按下时，单片机首先验证电源模块为开启状态还是关闭状态，若电源模块为开启状态，则单片机控制电源模块关闭；若电源模块为关闭状态，则单片机控制电源模块开启。单片机上连有9根导线，其中2根为电源线，还有3根为与键盘模块(14)相连的控制线，另外4根为与步进电机驱动器相连的控制线。单片机用于存储程序，识别键盘模块
(14)的输入信息，并向步进电机驱动器输出相应的信息。两个步进电机驱动器上各连有8根导线，其中I根为地线，还有3根为与单片机I/O端口相连的控制导线，另外4根为与步进电机相连的控制线。步进电机驱动器根据单片机给出的控制信号，驱动步进电机转轴的转动。四个步进电机上各有4根导线。控制两根连臂(5、6)转动的两个步进电机上的4根导线均与其中一个步进电机驱动器相连，控制两只模拟手(7、8)伸缩的两个步进电机上的4根导线均与另一个步进电机驱动器相连。步进电机驱动器驱动步进电机转轴的转动，从而带动两根连臂(5、6)做机械转动以及两只模拟手(7、8)做伸缩运动，达到拦网的目的。上述控制部分的各模块中电源模块和键盘模块(14)构造简单，可以手工制作。上述控制部分的各模块中单片机、步进电机驱动器和两个步进电机均可在市面上买到。单片机选用MSP430系列的单片机，MSP430系列的单片机具有以下特点1、处理能力强2、运算速度快3、超低功耗
在本发明中，单片机接5V电源，I/O端口被占用6个引脚，工作频率选为8MHz主频。步进电机驱动器选用42 二相步进驱动器DQ542MA该型号的步进电机驱动器，采用直流18 50V供电，适合驱动电压18V 50V，电流小于4. OA外径42 86毫米的两相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制，电机的转矩波动很小，低速运行很平稳，几乎没有振动和噪音。高速时力矩也大大高于其它二相驱动器，定位精度高。在本发明中，步进电机驱动器接24V电源，并将电机每转的步数分别设置为400两个步进电机选用42步进电机42BYGHW609，该型号的步进电机42BYGHW609具体参数如表格I所示
权利要求
1.一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是底座(I)为圆柱形，该底座(I)中心处圆柱形凹槽，凹槽内壁设有内螺纹,立柱(2 )为圆柱形，该立柱(2 )底端外周上设有与凹槽内壁上的内螺纹相配合的外螺纹，该底座(I)与该立柱(2)通过螺纹机械旋接在一起。
2.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是支架(3)—端为圆柱形套筒，一端为T型，支架(3)的圆柱形套筒可无缝隙的套在立柱(I)上，并可在无阻碍的情况下沿立柱(I)下上下移动。套筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，旋钮(9)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(9)，可紧固该支架(3)与该立柱(2)，使该支架(3)固定于该立柱(2)上，不可上下要移动。向外旋转该旋钮(9)，该支架(3)与该立柱(2)松开，该支架(3)可以在沿立柱(2)上下移动，从而调节机械手的高度。
3.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是箱体外壳(4)的左侧表面突出两个圆筒，这两个圆筒可无缝隙的套接在支架(3)的T型两端，并可在无阻碍的情况下做以该支架(3) T型的横杆为轴的转动，圆筒的侧面有一圆孔，圆孔内壁设有内螺纹，两个旋钮(10、11)底端外周上设有与圆孔内壁上的内螺纹相配合的外螺纹。向内旋转该旋钮(10、11)，可紧固该箱体外壳(4)与该支架(3)，该箱体外壳(4)不转动，向外旋转该旋钮(10、11)，该箱体外壳(4)与该支架(3)松开，该箱体外壳(4)可以做以该支架(3) T型的横杆为轴的转动，从而调节机械手与水平面夹角。
4.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是箱体外壳(4)的右侧表面有两个圆孔以及前表面的左下角处有一个圆孔，连接键盘模块(14)的导线从箱体外壳(4)的下表面的圆孔引出，控制两根连臂(5、6)转动的两个步进电机的转轴分别从箱体外壳(4)的右侧表面的两个圆孔伸出，两根连臂(5、6)的一端分别与两个步进电机的转轴通过螺丝固接在一起，两个步进电机的转轴转动，便可带动两根连臂(5,6)做机械转动，从而实现机械手的左右摆动。
5.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是两只模拟手(7、8)分别和两根连臂(5、6)通过两个肘关节(12、13)连接在一起，两个肘关节(12,13)内分别有一个步进电机，两个步进电机的转轴转动，便可带动两只模拟手(7、8)做伸缩运动，达到拦网的目的。
6.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是电源模块用于为控制部分的各模块提供能量。
7.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是键盘模块(14)上设有5个按键，5个按键分别为“L”键(Left)、“R”键(Right)、“E”键(Extend)、〃S〃 键(Shrink)和 〃D〃 键(Dis junctor),当“L”键按下时,两根连臂(5、6)相对于排球网向左转动，当“R”键按下时，两根连臂(5、6)相对于排球网向右转动，当“E”键按下时，两只模拟手(7、8)伸出，当〃S"键按下时，两只模拟手(7、8)缩回，当"D"键按下时，若电源模块为开启状态，则单片机控制电源模块关闭，若电源模块为关闭状态，则单片机控制电源模块开启。
8.根据权利要求1所述的一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，其特征是步进电机驱动器根据单片机给出的控制信号，驱动步进电机转轴的转动，从而带动两根连臂(5、6)的转动 以及两只模拟手(7、8)做伸缩运动，达到拦网的目的。
全文摘要
本发明设计了一种用于排球扣球技术训练的四自由度机械手，涉及一种用于排球专项训练的辅助设备。该机械手的四个自由度分别为机械手的上下移动、机械手与水平面的夹角可调、机械手的左右摆动和模拟手的伸缩。本发明能够模拟单人拦网，为排球运动员提供排球扣球技术训练的真实环境，从而获得良好的训练效果。排球运动员还可以针对某一范围的拦网多次练习某些专项扣球技术，提高专项技能水平。陪练教练在远离排球网的位置按键控制模拟手的左右摆动以及伸缩，不必进行起跳，不消耗大量人力，避免起跳给脚踝、膝盖、手指带来的意外伤害。
文档编号B25J11/00GK103007510SQ20121053988
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者张兰超, 苏畅, 胡文龙 申请人:哈尔滨黑石科技有限公司