一种新型柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，具体的说，涉及了一种新型柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人。

背景技术：

网球球员在没有训练人员的陪同下，通常只能通过面对墙面击球来进行训练。但球在经反弹后方向与速度不易控制且缺乏互动性，此方法很难有效地对练习者的击球技术进行规范与提高。

而对于羽毛球训练，其自我训练方法更为有限。

目前市场上的多数网球或羽毛球教练机多采用与棒球发射装置类似的对转双轮机构进行网球的发射。此类网球或羽毛球辅助训练装置通常较为笨重且位置固定，其发球范围仅能覆盖装置前方球场有限的扇形区域，无法适应全场地灵活发球的要求。

虽然一些设计者还提出了采用气动装置进行发球的训练装置，减轻了重量，但此类装置同样具有发球覆盖范围有限的缺点，此外如何为此类气动装置提供稳定且安静的气源也成为其普及的重大障碍。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、较大空间机动发球、电动控制发球动作、提升发球频率、扩展性好的一种新型柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种新型柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人，包括四个分布在球场四角的柔索驱动装置、八根柔索和一个末端发射装置，所述柔索驱动装置包括底座、分别安装在底座上的立柱、一对柔索驱动器以及安装在立柱顶端的顶部滑轮，每个柔索驱动器均连接一条所述柔索，由同一柔索驱动装置驱动的两条柔索中，一条直接连接所述末端发射装置，另一条绕过所述顶部滑轮后连接所述末端发射装置，所述末端发射装置由八根所述柔索控制位置及发射角度。

基上所述，所述柔索驱动器包括基板、伺服电机、驱动机构、滑槽、动滑轮模块和定滑轮模块构成，所述动滑轮模块和所述定滑轮模块中均安装滑轮并构成滑轮组，所述柔索的一端固定在所述基板上，然后绕过所述滑轮组，所述动滑轮模块安装在所述滑槽中，所述伺服电机通过所述驱动机构驱动所述动滑轮模块沿所述滑槽移动。

基上所述，所述基板上还安装有柔索防松器，所述柔索防松器包括防松器支架、限位辊轮、导轨轴、压簧、滑块、压紧轮和环形防松牙板与调节螺钉，所述防松器的进口和出口均安装有一对限位辊轮，所述导轨轴安装在所述防松器支架上，所述滑块安装在所述导轨轴上，所述压紧轮安装在所述滑块上，所述环形防松牙板对应所述压紧轮安装在所述防松器支架上，所述压簧套装在所述导轨轴上并驱使所述滑块移动使得所述压紧轮总是与所述环形防松牙板抵接，所述压簧的压力可通过所述调节螺钉进行调节，所述柔索依次经过进口处的一对限位辊轮、所述压紧轮和出口处的一对限位辊轮。

基上所述，所述末端发射装置为长条形，所述末端发射装置横向两端的四角位置分别设置四个扣环，八根所述柔索分别与八个所述扣环一一对应固定连接。

基上所述，所述末端发射装置包括贮球筒、定子、动子、抓放装置与控制动子收放的电动销b，所述贮球筒安装在所述定子的后端，所述贮球筒下端安装一控制装载球的电动销a，所述控制动子收放的电动销b通过与弹性定位钩配合控制动子的收放，所述动子在动力机构的驱动下沿所述定子移动，所述抓放装置安装在所述动子上并随动子的运动状态调整抓放状态，所述贮球筒的出球口对应所述抓放装置设置。

基上所述，所述定子包括亚克力基板构成的主体、前基板、后基板、沿动子移动方向安装在所述主体上的电磁线圈序列、对应所述电磁线圈序列安装在所述主体上的导电铜板、导向轴、缓冲弹簧和三级导轨，所述主体固定在所述前基板和所述后基板之间，所述动子通过陶瓷轴套安装在所述导向轴上，所述动子为金属动子，所述动子上安装电刷，所述电刷与所述导电铜板接触，所述导向轴的两端分别固定在所述前基板和所述后基板上，所述导向轴的两端部均安装有缓冲弹簧，所述三级导轨安装在所述主体侧部，所述抓放装置对应所述三级导轨设置以便随着三级导轨的轨道变化而调整抓放状态。

基上所述，所述抓放装置包括绝缘底座、抓手、从动杆，所述绝缘底座固定在所述动子上，所述抓手包括扭簧和销轴构成的弹力机构始终促使所述抓手向外展开，所述从动杆的下端与所述三级导轨滑动配合，所述从动杆的中部穿过所述绝缘底座上的导向孔，所述从动杆的顶部抵接所述抓手的外侧。

基上所述，所述三级导轨包括起始段、加速段和释放段，所述起始段低于所述加速段，所述释放段低于所述起始段，所述起始段、所述加速段和所述释放段依次顺滑过渡。

基上所述，所述驱动结构包括连接所述伺服电机输出轴的一对啮齿轮、由该对啮齿轮变向后传动的同步带机构、由该同步带机构传动的一对钢丝卷盘和绕设在一对所述钢丝卷盘上的钢丝，所述动滑轮模块与所述钢丝固定连接。

基上所述，所述主体由两块几字形亚克力板对接构成，所述亚克力板的中部开设一系列开口，所述电磁线圈序列依次安装在所述开口中，所述亚克力板的上下缘共胶接4块所述导电铜板，所述导电铜板和所述电磁线圈序列的导线排布在所述亚克力板中部的集线管中，所述动子为工字型动子，所述动子上下两端的侧部对应4块所述导电铜板安装4个电刷，所述前基板和所述后基板之间安装2根导向轴，所述工字型动子的上下两端对应2根导向轴开设两个导向孔，所述陶瓷轴套安装在所述导向孔内。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明具有以下优点：

1、采用八根柔索固定末端发射装置，八根柔索分别由八个对应的柔索驱动装置通过拉伸动作进行状态调整，直接连接末端发射装置的四根柔索和绕过顶部滑轮的四根柔索由于拉伸方向的不同，可相互配合实现发球位置、发球角度的灵活调整，实现3个自由度的平移运动、俯仰动作及偏航运动共5个自由度的运动。

2、采用电磁弹射原理进行发球，电磁弹射输出功率大，更易实现自动化控制，采用机械结构自动实现球的抓放，能极大缩短发球准备时间，提高发球频率。

3、末端发球装置结构紧凑小巧，灵活性高，降低控制难度。

4、模块化设计，扩展性能好，可以简单更换末端发球装置，实现多种球类的切换使用。

附图说明

图1是柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人结构示意图。

图2是柔索驱动装置的结构示意图。

图3是柔索驱动器爆炸视图。

图4是柔索驱动器驱动机构的爆炸视图。

图5是柔索驱动器中动滑轮模块爆炸视图。

图6是柔索驱动器中柔索防松器爆炸视图。

图7是柔索防松器的工作示意图。

图8是末端发射装置整体结构示意图。

图9是末端发射装置爆炸视图。

图10是末端发射装置定子后端结构示意图。

图11是末端发射装置定子前端结构示意图。

图12是发射装置动子与抓放装置结构示意图。

图13a、图13b和图13c是抓放装置工作过程示意图。

图14是发射羽毛球的工作过程示意图。

图中：1支架；2柔索驱动器；3柔索；4末端发射装置；

1.1顶部滑轮；1.2支柱；1.3u型紧固螺栓；1.4底座；

2.1长螺栓；2.2钢丝卷盘；2.3轴承；2.4支撑块；2.5基板；2.6螺母及垫片；2.7驱动系统；2.8燕尾槽；2.9动滑轮模块；2.10柔索端固定螺栓；2.11柔索防松器；2.12定滑轮模块；2.13定位螺钉；2.14钢丝调紧装置；2.15钢丝；2.16弹性挡圈

2.7.1伺服电机；2.7.2键a；2.7.3锥齿轮a；2.7.4轴端挡圈及螺钉；2.7.5螺钉；2.7.6电机支撑架；2.7.7支撑架固定螺栓；2.7.8轴套a；2.7.9同步带轮a；2.7.10键b；2.7.11键c；2.7.12转轴a；2.7.13锥齿轮b；2.7.14轴套b；2.7.15轴承；2.7.16螺母及垫片；2.7.17弹性挡圈；2.7.18张紧轮；2.7.19轴承；2.7.20转轴b；2.7.21轴套c；2.7.22同步带；2.7.23同步带轮b；2.7.24键d；2.7.25转轴c；2.7.26键e；

2.9.1动滑轮组支架；2.9.2螺钉；2.9.3燕尾槽滑块；2.9.4压紧螺钉；2.9.5钢丝固定牙板；2.9.6弹性挡圈；2.9.7销轴；2.9.8轴承；2.9.9滑轮；

2.11.1销轴；2.11.2弹簧；2.11.3导轨轴；2.11.4调节螺钉；2.11.5防松器支架；2.11.6限位滚轮；2.11.7挡片；2.11.8滑块；2.11.9滑轮；2.11.10环形防松牙板；2.11.11销轴；

2.12.1滑轮；2.12.2轴承；2.12.3销轴；2.12.4弹性挡圈；2.12.5定滑轮组支架；

4.1贮球筒；4.2电动销a；4.3定子部分；4.4动子及抓放装置；4.5网球；

4.3.1后端板；4.3.2导轨轴端螺母；4.3.3柔索锚定螺栓；4.3.4导轨轴；4.3.5螺栓；4.3.6集线管；4.3.7电磁线圈；4.3.8导电铜板；4.3.9亚克力基板；4.3.10弹簧；4.3.11电动销b；4.3.12前端板；4.3.13螺钉；4.3.14三级导轨；

4.4.1螺钉；4.4.2塑料底座；4.4.3弹性定位钩；4.4.4陶瓷轴套；4.4.5动子；4.4.6螺钉；4.4.7电刷；4.4.8从动杆；4.4.9扭簧；4.4.10销轴；4.4.11抓手。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1和图2所示，一种新型柔索驱动网球羽毛球两用辅助训练机器人，包括四个分布在球场四角的柔索驱动装置、八根柔索和一个末端发射装置，所述柔索驱动装置包括底座、分别安装在底座上的立柱、一对柔索驱动器以及安装在立柱顶端的顶部滑轮，每个柔索驱动器均连接一条所述柔索，由同一柔索驱动装置驱动的两条柔索中，一条直接连接所述末端发射装置，另一条绕过所述顶部滑轮后连接所述末端发射装置，所述末端发射装置由八根所述柔索控制位置及发射角度。

通过以下内容，对各个部件的具体结构和原理进行阐述：

所述柔索驱动器包括基板、伺服电机、驱动机构、滑槽、动滑轮模块和定滑轮模块构成，所述动滑轮模块和所述定滑轮模块中均安装滑轮并构成滑轮组，所述柔索的一端固定在所述基板上，然后绕过所述滑轮组，所述动滑轮模块安装在所述滑槽中，滑槽在本实施例中采用燕尾槽，所述伺服电机通过所述驱动机构驱动所述动滑轮模块沿所述滑槽移动。所述驱动结构包括连接所述伺服电机输出轴的一对啮齿轮、由该对啮齿轮变向后传动的同步带机构、由该同步带机构传动的一对钢丝卷盘和绕设在一对所述钢丝卷盘上的钢丝，所述动滑轮模块与所述钢丝固定连接。

具体的，如图3、图4和图5所示，伺服电机2.71通过螺钉2.75、螺栓2.77与电机支撑架2.76安装在柔索驱动器的两块基板2.5中间远离定滑轮模块2.12的一端。锥齿轮a2.7.3通过键a2.7.2与轴端挡圈2.7.4固定在电机轴上，并通过与锥齿轮b2.7.13的啮合将动力传动至转轴a2.7.12，其中转轴a2.7.12通过两个轴承2.7.15固定在基板内部，锥齿轮b2.7.13通过键c2.7.11与轴套b2.7.14安装在转轴a2.7.12上。随后同步带轮a2.7.9（由键b2.7.10与轴套a2.7.8安装在转轴a2.7.12上）将动力通过同步带2.7.22传递至同步带轮b2.7.23。同步带2.7.22通过张紧轮2.7.18张紧，此处张紧轮2.7.18通过弹性挡圈2.7.17与轴承2.7.19安装在固定在基板上的转轴b2.7.20上。同步带轮b2.7.23通过键d2.7.24与轴套c2.7.21安装在转轴c2.7.25上，转轴c2.7.25则通过两对轴承2.3与弹性挡圈2.16安装在基板内部。而基板两侧的钢丝卷盘2.2则通过键e2.7.26安装在转轴c2.7.25上，至此电机2.7.1的动力即可驱动钢丝卷盘2.2转动，进而带动钢丝2.15沿平行于燕尾槽2.8方向平移。连接在钢丝2.15上的动滑轮模块2.9则随两侧的钢丝2.15的平移而沿燕尾槽2.8方向移动。

动滑轮模块2.9两侧的燕尾槽滑块2.9.3通过由螺钉2.9.2安装在动滑轮组支架2.9.1两侧，燕尾槽滑块2.9.3可保证动滑轮模块2.9沿基板2.5内的燕尾槽2.8平稳移动。12个安装有轴承2.9.8的滑轮2.9.9通过销轴2.9.7与弹性挡圈2.9.6安装在动滑轮组支架2.9.1上。在安装过程中，基板外侧平行于基板燕尾槽2.8的钢丝2.15通过伸出在燕尾槽2.8的燕尾槽滑块2.9.3外侧的开槽内，并通过钢丝固定牙板2.9.5由螺钉2.9.4进行压紧固定，以此保证钢丝2.15与动滑轮模块2.9的同步运动。

动滑轮模块2.9的移动可改变缠绕在动滑轮模块2.9与定滑轮模块2.12上的柔索3的长度的变化，如图中所示，若12个滑轮均缠绕上柔索3，则动滑轮模块的移动则可放大24倍，对于网球训练一个长度越一米左右的柔索驱动器2可实现柔索3大约24米的收放长度，足以应对半个球场（18.3米×18.3米）内的平移与姿态调整。

柔索3初始端通过柔索端固定螺钉2.10压紧在基板2.5上，随后柔索3依次绕过动滑轮模块2.9与定滑轮模块2.12上的滑轮组，柔索另一端连接在末端发射器上。

柔索驱动器可通过调整绕在动、定滑轮模块间柔索的圈数对驱动器的收放长度进行灵活调整。

为提高传动精度，钢丝2.15需在钢丝卷盘2.2上缠绕多圈，且需通过钢丝调紧装置2.14进行张紧。

如图6所示，所述基板上还安装有柔索防松器，所述柔索防松器包括防松器支架、限位辊轮、导轨轴、压簧、滑块、压紧轮和环形防松牙板与调节螺钉，所述防松器的进口和出口均安装有一对限位辊轮，所述导轨轴安装在所述防松器支架上，所述滑块安装在所述导轨轴上，所述压紧轮安装在所述滑块上，所述环形防松牙板对应所述压紧轮安装在所述防松器支架上，所述压簧套装在所述导轨轴上并驱使所述滑块移动使得所述压紧轮总是与所述环形防松牙板抵接，所述压簧的压力可通过所述调节螺钉进行调节，所述柔索依次经过进口处的一对限位辊轮、所述压紧轮和出口处的一对限位辊轮。

具体的，为解决此问题，设计柔索防松器2.11。如图6所示，柔索防松器2.11的柔索进出口处分别有一组通过销轴2.11.1安装在防松器支架2.11.5上的限位滚轮2.11.6。防松器支架2.11.5的中线处上下排布着两根导轨轴2.11.3，导轨轴2.11.3上分别安装有一对挡片2.11.7与弹簧2.11.2及一个滑块2.11.8。滑块2.11.8上有一个通过销轴2.11.11安装的滑轮2.11.9。此处导轨轴2.11.3上的弹簧2.11.2将驱使滑块2.11.8沿导轨轴2.11.3移动，将滑轮2.11.9的凹槽抵住安装在防松器支架2.11.5上的环形防松牙板2.11.10上。且其预紧力可通过调节螺钉2.11.4调节挡片2.11.7位置进行调整。

如图7所示，柔索由防松器入口进入，绕过滑块上的滑轮并由出口引出。解决了柔索驱动器在柔索松弛时，柔索缠绕容易出现错位甚至卡死的问题。

当柔索3处于松弛状态时，柔索张力沿导轨轴2.11.3的分量无法克服弹簧2.11.2预紧力，柔索3将被滑轮2.11.9抵在环形防松牙板2.11.10上，以防止柔索驱动器2内部动、定滑轮模块上的柔索3发生松弛。当柔索3张力满足要求时，索张力沿导轨轴2.11.3的分量克服弹簧2.11.2预紧力，滑轮2.11.9脱离环形防松牙板2.11.10，此时柔索3可正常收放运动。

如图8所示，所述末端发射装置4为长条形，所述末端发射装置横向两端的四角位置分别设置四个扣环，八根所述柔索3分别与八个所述扣环一一对应固定连接。

如图9所示，所述末端发射装置包括贮球筒4.1、定子4.3、动子4.4、抓放装置，所述贮球筒4.1安装在所述定子的后端，所述贮球筒4.1下端安装一控制装载球的电动销a4.2，所述动子4.4在动力机构的驱动下沿所述定子4.3移动，所述抓放装置安装在所述动子4.4上并随动子4.4的运动状态调整抓放状态，所述贮球筒4.1的出球口对应所述抓放装置设置，所述后基板上安装控制动子收放的电动销b，所述控制动子收放的电动销b通过与弹性定位钩配合控制动子的收放。

具体的，贮球筒4.1通过螺栓连接在定子4.3后端。通过电动销a4.2的伸缩来装载需发射的球4.5。当电动销a4.2伸出时，贮球筒内的球4.5被挡在筒内。当电动销a4.2收起时球4.5通过重力落入动子4.4上的抓放装置内。

如图10和图11所示，所述定子包括亚克力基板构成的主体、前基板4.3.12、后基板4.3.1、沿动子移动方向安装在所述主体上的电磁线圈序列4.3.7、对应所述电磁线圈序列4.3.7安装在所述主体上的导电铜板4.3.8、导向轴4.3.4、缓冲弹簧4.3.10和三级导轨4.3.14，所述主体固定在所述前基板4.3.12和所述后基板4.3.1之间，所述动子4.4通过陶瓷轴套4.4.4安装在所述导向轴4.3.4上，所述动子为金属动子，所述动子4.4上安装电刷4.4.7，所述电刷4.4.7与所述导电铜板4.3.8接触，所述导向轴4.3.4的两端分别固定在所述前基板4.3.12和所述后基板4.3.1上，所述导向轴4.3.4的两端部均安装有缓冲弹簧4.3.10，所述三级导轨4.3.14安装在所述主体侧部，所述抓放装置对应所述三级导轨4.3.14设置以便随着三级导轨的轨道变化而调整抓放状态。

具体的，在本实施例中，所述主体由两块几字形亚克力板4.3.9对接构成，定子的亚克力基板4.3.9的中部开有一系列开口用以安装电磁线圈序列4.3.7，此外亚克力基板4.3.9的上下缘共胶接有4块导电铜板4.3.8。安装在亚克力基板4.3.9上的导电铜板4.3.8与电磁线圈序列4.3.7的导线均排布在安装在亚克力基板4.3.9与电磁线圈序列4.3.7间的集线管4.3.6内。

在前后基板的中线处有通过螺母4.3.2固定的两根端部攻有螺纹的导向轴4.3.4。在靠近前后端板内侧的导向轴4.3.4上还分别套由两组共四个弹簧4.3.10，以实现对动子4.4的减速与能量存储。

如图12所示，所述抓放装置包括绝缘底座、抓手、从动杆，所述绝缘底座固定在所述动子上，所述抓手包括扭簧和销轴构成的弹力机构始终促使所述抓手向外展开，所述从动杆的下端与所述三级导轨滑动配合，所述从动杆的中部穿过所述绝缘底座上的导向孔，所述从动杆的顶部抵接所述抓手的外侧。

具体的，绝缘底座4.4.2通过螺钉4.4.1固定在工字型金属动子4.4.5上，两根从动杆4.4.8分别穿过绝缘底座4.4.2上的导向孔安装在绝缘底座上，从动杆4.4.8通过底端的豁口连接在定子的三级导轨4.3.14上，所述抓手通过销轴4.4.15安装在绝缘底座两侧，且其通过扭簧4.4.9作用使抓手4.4.11的外侧始终与从动杆4.4.8的顶部相接触。

抓手的具体形状，可根据球类不同，进行切换。

所述亚克力基板的4.3.9上部两侧有两根通过螺钉4.3.13安装在前后端板的上的三级导轨4.3.14，用以驱动动子与抓放装置4.4的动作。

如图13a、图13b、图13c所示，所述三级导轨包括起始段a、加速段b和释放段c，所述起始段低于所述加速段，所述释放段低于所述起始段，所述起始段、所述加速段和所述释放段依次顺滑过渡。

在a段抓手4.4.11在从动杆4.4.8与扭簧4.4.9的驱动下微微张开，以方便球4.5从贮球筒4.1装载至绝缘底座4.4.2上，并避免球4.5从绝缘底座4.4.2前方滚出。

随着动子4.4移动至b段，从动杆4.4.8由于三级导轨4.3.14的形状变化向上运动，抓手4.4.11受到从动杆4.48的驱动开始合拢，将球4.5固定在绝缘底座4.4.2内。

随着动子4.4运动至定子4.3前端的c段。三级导轨4.3.14驱动从动杆4.4.8向下移动，抓手4.4.11张开。此时球4.5不再受抓手4.4.11约束可脱离绝缘底座4.4.2向前移动。

如图14所示，为抓手更换为羽毛球状态下的末端发射装置结构图。

工作过程：柔索机器人通过外部控制系统，实时控制八根柔索的状态，通过八根柔索的状态调整控制末端发射装置的发射位置、俯仰角度和偏航角度，以达到灵活多变的训练目的。

发球通过以下几个步骤实现：

装载阶段：动子手动移动至定子后端，电动销b伸出，定子上的弹性定位钩从电动销b的下方穿过，并通过回弹与电动销b相钩连。抓手由从动杆驱动稍微张开。随后电动销a动作，贮球筒内最下端的球由重力作用落入抓手。此时导向轴末端的弹簧处于压缩状态。

释放定子与加速阶段：导电铜板与电磁线圈开始通电，电动销b释放松开动子。弹簧给予动子以一个初速，且动子上的电流在电磁线圈磁场中受到洛伦兹力的加速开始向前移动。随着动子在三级导轨b段运动，从动杆开始驱动抓手抓紧球，球与动子一起向前加速运动。

发射与减速阶段：当动子移动三级导轨c段时，从动杆开始驱动抓手张开，此时动子开始压缩前端导向轴上的弹簧并减速，球由于抓手约束的消失及惯性作用继续向前运动，至此球被发射出去。

回程阶段：球被释放出去后，动子继续压缩定子前端弹簧减速，在速度降为零后开始反向运动，此时对调定子亚克力基板上部与下部的导电铜板的正负极，使动子反向加速运动，回至定子末端，或手动控制其回到末端，再次开始装载阶段。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。