专利名称：五自由度高仿真乒乓球发球机械手的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种乒乓球的发球机械手，具体是一种采用PLC控制的电气液联动系统和乒乓球高仿真发球机械手结构。
背景技术：
国内和国外的乒乓球自动发球机都取得了一定的成果，各种不同的乒乓球发球机都具有各自的优缺点，综合分析后发现，这些发球机由于自身结构的限制，都不能完全实行自动控制，某些功能的实现需要手动调节，同时，发球模式单一，不能真正的模拟真人发球。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能模拟真人发球的具有五自由度的高仿真乒乓球发球机械手。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，包括机架以及设置在机架上的落球装置和击球装置，其特征在于:所述的击球装置包括:
一沿X方向移动的第一固定架，在该第一固定架上连接有一用于驱动该第一固定架在所述的机架上移动的第一驱动；
一沿Z方向移动的第二固定架，在该第二固定架上连接有一用于驱动该第二固定架在所述的第一固定架上移动的第二驱动；
一沿Y方向移动的第三固定架，在该第三固定架上连接有一用于驱动该第三固定架在所述的第二固定架上移动的第三驱动；
一绕Z方向旋转的第四固定架，在该第四固定架上连接有一用于驱动该第四固定架在所述的第三固定架上转动的第二伺服电动机或气马达；
一绕X方向旋转的第五固定架，在该第五固定架上连接有一用于驱动该第五固定架在所述的第四固定架上转动的第一伺服电动机；
一球拍，固定在所述的第五固定架上。所述的第一驱动为液压缸驱动；所述的第二驱动为气压缸驱动；所述的第三驱动为气压缸驱动。还包括一回收球装置，该回收球装置包括集球斗以及连接在集球斗下的回球管，在集球斗和回球管之间还设置有第一拨球机构。所述的第一拨球机构包括拨球轮架和步进电机，所述步进电机与拨球轮架连接。所述的落球装置包括落球管和位于落球管口的第二拨球机构。所述的第二拨球机构包括一挡板和一与挡板连接的驱动气缸。本发明仿真发球机，模拟真人手臂动作，球拍实现向前后、左右、上下、和分别绕X、Z轴运动，采用一个液压缸控制左右移动，两个气缸分别控制前后和上下两个方向的运动，一个伺服电机和第二个伺服电机或气马达控制球拍绕X、Z轴运动，还采用了另外一个相对较小的气压缸来进行落球，即落球缸，同时用一个调速步进电机来进行传送球，提高发球机的效率。该发球机应用PLC控制技术，实现通过远程控制来改变发球快慢、发球力度、发球高度及角度等的功能，模拟进行人工发球，实现随机发球的效果。
图1本发明的结构示意图。图2图1的侧视图。图3图1的A向示意图。图4本发明机械手的整体控制示意图。其中:1、发球齿轮，2、步进电机，3、机架，4、喉箍，5、第一固定架，6、端盖拉杆，7、导轨，8、双作用双活塞杆液压缸，9、输球软导管，10、第二固定架，11、双作用单活塞杆气缸，12、磁性开关,13、三位五通电磁换向阀，14、导向杆，15、第一伺服电机,16、第二伺服电机或气马达，17、球拍夹具，18、悬臂架，19、发球支架，20、悬挂支架，21、缓冲双作用单活塞杆气缸，22、第三固定架，23、第四固定架，24、第五固定架，25、球拍，26、集球斗，27、底座，28、步进电机支架，29、电缆，30、气压管线，31、发球机，32、控制柜，33、空压机。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明作详细说明:
如图1、图2所示，本发明发球机械手结构，包括机架I以及设置在机架I上落球装置、击球装置和回收球装置三个部分。回收球装置采用回收球系统，主要由回收球网、空气回球器、步进电机、拨球轮架和回球管组成。通过回收球网，把散落的球通过斜坡，集合到空气回球器，回收球网也可以采用集球斗26代替。回球管通过喉箍4固定在机架I上，乒乓球在空气回球器中由于重力的作用下落进入回球管，此时步进电机28带动拨球轮架转动一定角度并带动乒乓球从回球管中克服重力作用进入到待落球处，等待发射。落球装置采用落球系统，第一种结构主要由落球管、分别控制Y，Z轴两个方向的运动的两个气缸、吸盘和传感器以及相应的固定机构等构成。落球机构的主要作用是由气缸配合吸盘吸附乒乓球，间歇将待落球处的乒乓球运送到落球口处并完成落球，如此往复，实现乒乓球的间歇循环发球。同时利用传感器同步发出信号给击球机构使之运动进行击球。落球系统的第二种结构主要由落球管和位于落球管口的第二拨球机构组成，其中第二拨球机构包括挡板和与挡板连接的气缸组成，通过气缸的间歇动作使得挡板运动，从而将乒乓球间歇的落下。落球系统的第三种结构主要通过调速步进电机带动落球齿轮从而将乒乓球间歇的落下。落球装置的落球管和回收球装置的回球管通过输球软导管9连接成一个整体。击球装置米用击球系统，击球系统由底盘移动机构和闻仿真兵兵球击球机构两部分组成:
I)底盘移动机构:由第一固定架5和第一驱动即液压缸组成，其中第一驱动为双作用双活塞杆液压缸8，双作用双活塞杆液压缸8带动第一固定架5沿乒乓球桌边X向可控移动。在第一固定架5的下端设置有导轨7，通过双作用双活塞杆液压缸8的作用，使得第一固定架5的导轨7在机架I的导槽内滑动。2)击球机构:由第一伺服电机15、第二伺服电机或气马达16、联轴器、第二驱动、第三驱动、第二固定架10、第三固定架22、第四固定架23、第五固定架24以及球拍25等组成。第二驱动为双作用单活塞杆气缸11，第三驱动为缓冲双作用单活塞杆气缸21。在第二固定架10上有导向杆14，其中第三固定架22套在导向杆14上并以导向杆14为导向并在双作用单活塞杆气缸11的作用下上下移动。双作用单活塞杆气缸11和缓冲双作用单活塞杆气缸21纵横十字联动，通过PLC控制程序实现两个Y向和Z向的运动，准确击打落球。击球时由第五固定架24的球拍夹具17固定的球拍25做仿真打击，其中球拍夹具17为万向夹紧机构。通过第一伺服电机15和第二伺服电机或气马达16改变击发球运转形式，与双作用单活塞杆气缸11和缓冲双作用单活塞杆气缸21组合实现击发高仿真旋球。第一伺服电机15和第二伺服电机或气马达16分别控制X轴方向的球拍旋转和Z轴方向的球拍旋转，并以此实现各种旋转球。机械手的自由度为5个，X方向用第一驱动的液压缸控制，可以实现随时停止，实现发球的空间位置可变，即横向移动气缸。Y、Z轴方向则分别通过第二驱动的气缸和第三驱动的气缸控制，即前后移动和纵向移动，而落球则通过另外一个气缸控制，即气缸充当阀门的作用。此外绕X轴和Z轴旋转的两个自由度则分别通过第一伺服电机和第二伺服电机或气马达来实现，即五个可控自由度。输入球装置通过调速步进电机2带动发球齿轮I来实现，动作过程则由PLC控制系统控制实现。该乒乓球发球机能够实现发球频率可调，能够调节乒乓球转速的大小，以及乒乓球球速的快慢。并且能够自动收集运动员击回的乒乓球进入储球设备准备循环发球。本发明机械手采用PLC控制，在本机构控制部分，采用了三菱公司的FX2n系列PLC——FX2n。基于FX2n的控制特点，定义好各个端子的控制动作，对应在X方向、Y方向、Z方向的行程始端和末端都安装行程开关作为PLC的信号，在落球缸位置安装有传感器检测落球点有无球，从而给电机信号控制电机输送兵兵球。在X方向上，安装有伺服电机，调整伺服电机控制器的电子齿轮比给伺服电机脉冲，控制球拍在X方向上的转动角度。Z方向上安装有第二个伺服电机或气马达，带动球拍的转动。以上这些控制信号均由PLC完成，并且按照设定的发球种类PLC选择程序内部设定的子程序，完成发球过程。本发明五自由度高仿真乒乓球发球机械手采用PLC控制电、气、液联动方式控制乒乓球球拍发出事先设定的球，其整个控制图如图4所示，发球机31的多个驱动气缸通过气压管线30连接至空压机33，步进电机和伺服电机则通过电缆连接至控制柜32。
权利要求
1.一种五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，包括机架以及设置在机架上的落球装置和击球装置，其特征在于:所述的击球装置包括: 一沿X方向移动的第一固定架，在该第一固定架上连接有一用于驱动该第一固定架在所述的机架上移动的第一驱动； 一沿Z方向移动的第二固定架，在该第二固定架上连接有一用于驱动该第二固定架在所述的第一固定架上移动的第二驱动； 一沿Y方向移动的第三固定架，在该第三固定架上连接有一用于驱动该第三固定架在所述的第二固定架上移动的第三驱动； 一绕Z方向旋转的第四固定架，在该第四固定架上连接有一用于驱动该第四固定架在所述的第三固定架上转动的第二伺服电动机或气马达； 一绕X方向旋转的第五固定架，在该第五固定架上连接有一用于驱动该第五固定架在所述的第四固定架上转动的第一伺服电动机； 一球拍，固定在所述的第五固定架上。
2.根据权利要求1所述的五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，其特征在于:所述的第一驱动为液压缸驱动；所述的第二驱动为气压缸驱动；所述的第三驱动为气压缸驱动。
3.根据权利要求1或2所述的五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，其特征在于:还包括一回收球装置，该回收球装置包括集球斗以及连接在集球斗下的回球管，在集球斗和回球管之间还设置有第一拨球机构。
4.根据权利要求3所述的五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，其特征在于:所述的第一拨球机构包括拨球轮架和步进电机，所述步进电机与拨球轮架连接。
5.根据权利要求3所述的五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，其特征在于:所述的落球装置包括落球管和位于落球管口的第二拨球机构，所述的落球管与所述的回球管连接。
6.根据权利要求5所述的五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，其特征在于:所述的第二拨球机构包括一挡板和一与挡板连接的驱动气缸。
全文摘要
本发明公开了一种五自由度的高仿真乒乓球发球机械手，包括机架以及设置在机架上的落球装置和击球装置，所述的击球装置包括一沿X方向移动的第一固定架，在该第一固定架上连接有一第一驱动；一沿Z方向移动的第二固定架，在该第二固定架上连接有一第二驱动；一沿Y方向移动的第三固定架，在该第三固定架上连接有一第三驱动；一绕Z方向旋转的第四固定架；一绕X方向旋转的第五固定架；一球拍，固定在所述的第五固定架上。本发明仿真发球机，模拟真人手臂动作，球拍实现向前后、左右、上下、和分别绕X、Z轴运动，该发球机应用PLC控制技术，实现通过远程控制来改变发球快慢、发球力度、发球高度及角度等的功能，模拟进行人工发球,实现随机发球的效果。
文档编号A63B67/04GK103083888SQ20131004138
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月4日 优先权日2013年2月4日
发明者高佩川 申请人:南京工程学院