畢畢 業(yè)業(yè) 設設 計 論計 論 文 文 題目 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 英文 Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single chip 院 別 機電學院 專 業(yè) 機械電子工程 姓 名 學 號 指導教師 日 期 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 摘要摘要 隨著我國乒乓球運動員不斷在世界各級比賽中取得優(yōu)異成績 喜愛乒乓球運動和 打乒乓球的人越來越多 同時 利用乒乓球發(fā)球機來提高乒乓球技術水平的人也越來 越多 為了使練習者能更好地學習乒乓球技術以達到健身和訓練的目的 本文針對已 有乒乓球發(fā)球的特點 技能訓練需求 人體力學的需求 再結合現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機的 市場需求 設計了一種新型 簡易的乒乓球發(fā)球機 基于單片機的乒乓球發(fā)球機 本 文綜述了國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機的現(xiàn)狀 對已有發(fā)球機的機械結構進行分析 對乒乓球 發(fā)球機的設計思想 工作原理 結構特點及控制系統(tǒng)進行了詳細論述 詳細介紹了該 控制系統(tǒng)的設計過程 具體包括外圍設備的選擇 電動機的選擇 PWM 驅動器的選擇等 論證說明了該控制系統(tǒng)的可靠性 根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析建立了數(shù)學模型 并利用 MATLAB 進行運動仿真 分析出控制落球點各參數(shù)的合理取值范圍 得出其相互 制約關系 設計的乒乓球發(fā)球機包括機械結構部分 主要由儲球機構 撥球機構 螺 旋送球機構 高度調(diào)整機構 橫擺機構 縱擺機構 發(fā)球機構 機座 限位加固支架 簡易可拆卸手拉桿以及傳動機構等十一部分組成 以及控制系統(tǒng)部分 由伺服電動機 驅動 可發(fā)出多種帶有不同旋轉性質(zhì)的球 采用 AT89C51 單片機作為控制的核心 是 一種新型 性價比高的簡易自動型乒乓球發(fā)球機 使其可以通過按鍵來控制實現(xiàn)供球 的快慢 發(fā)球的力度 旋轉 球速 使用方便 可滿足不同的用戶訓練需求 關鍵詞 關鍵詞 乒乓球發(fā)球機構設計 單片機 MATLAB 運動仿真 Mechanism Design and Movement Simulation of Table Tennis Serving Machine Based on Single chip ABSTRACT Under the circumstance that Chinese table tennis players have been constantly making outstanding achievements more people are enjoying table tennis and preferring to improve playing skill by training with serving machine This thesis aims to describe the design of Single chip based table tennis serving machine by addressing on the characteristics of serving and requirements both on skills training and human mechanics and combining with the present market of table tennis serving machine and to help trainees mastering table tennis techniques better for achieving the goal of body building The thesis is to summarize the present development both in home and foreign markets and to analyze the mechanical structures of the existing serving machines Moreover the designing philosophies and procedure operating principles and structural features of table tennis serving machine which include the selecting principles for external facilities motors and the PWM Drivers will also be described in detail to prove the stability of the operating system The reasonable parameter spans which are for controlling the dropping points are confirmed by establishing mathematical model to describe the mechanical analysis on the fling process of the ball At the same time MATLAB is used for motion simulation The designed table tennis serving machine is consisted by two parts mechanical hardware which is consisted by 11 parts the equipment to store balls poking ball institutions helical ball Sending institutions Height adjusting mechanism Yaw rate institutions swings institutions serving machine base frame Limit reinforcement stents simple and easy removable hand rods and transmission mechanism and controlling system The serving machine is driven by servo motors which can serve balls in all Rotating directions This equipment takes AT89C51 monolithic integrated circuit as the control core which is designed to be a new model cost effective and simply equipped serve machine It can be controlled by the push button controls for the serves with dynamic spins and various levels of speed To conclude this table tennis serving machine is convenient which can satisfy the different user s training needs Key words Mechanism Design of Table Tennis Serving Machine Single chip MATLAB Movement Simulation 目錄目錄 1 緒論緒論 1 1 1 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 2 1 1 1 國外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 2 1 1 2 國內(nèi)乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 3 1 2 選題的目的和意義 4 1 3 本次畢業(yè)設計的任務 4 1 4 本章小結 5 2 乒乓球的運動分析乒乓球的運動分析 6 2 1 乒乓球發(fā)球機發(fā)球原理 6 2 2 乒乓球飛行過程的力學分析 6 2 3 乒乓球質(zhì)心運動的數(shù)學模型 9 2 4 乒乓球飛行過程的仿真分析 13 2 5 發(fā)球機參數(shù)設計 16 2 6 本章小結 17 3 乒乓球發(fā)球機的機械結構設計乒乓球發(fā)球機的機械結構設計 18 3 1 乒乓球發(fā)球機的總體結構設計 18 3 2 乒乓球發(fā)球機的各個子機構設計 21 3 2 1 儲球機構 21 3 2 2 撥球機構 21 3 2 3 螺旋送球機構 21 3 2 4 高度調(diào)整機構 22 3 2 5 橫擺機構 22 3 2 6 縱擺機構 23 3 2 7 發(fā)球機構 24 3 3 乒乓球發(fā)球機的電動機選擇 24 3 4 本章小結 26 4 乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計 27 4 1 控制系統(tǒng)總體設計 27 4 2 控制系統(tǒng)各硬件電路設計 31 4 2 1 看門狗電路系統(tǒng)設計 32 4 2 2 鍵盤和液晶顯示器電路系統(tǒng)設計 34 4 2 3 電機轉速測量電路系統(tǒng)設計 36 4 3 電機的控制系統(tǒng)設計 38 4 3 1 直流電機控制系統(tǒng)設計 39 4 3 2 步進電機控制系統(tǒng)設計 44 4 4 簡易乒乓球發(fā)球機的軟件設計分析 48 4 5 本章小結 49 結論結論 50 參考文獻參考文獻 51 致謝致謝 52 附錄附錄 A 圖紙和程序圖紙和程序 53 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 1 1 1 緒論緒論 乒乓球被稱為我國的 國球 歷年來 中國乒乓球隊在各項國際大賽中所向披靡 穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)著 霸主 地位 乒乒乓乓天下無雙 乒乓球不僅給我們帶來了無限榮耀 更是在日常生活中 為我們帶來快樂與健康 乒乓球擁有著濃厚的群眾基礎 是全民 健身中的一項重要運動 乒乓球運動的特點是球體輕 速度快 旋轉變化多 富有技 巧性和趣味性 乒乓球運動由于所需的設備比較簡單 且不受年齡 性別限制 運動 量可大可小 因此深受健身運動者的喜愛 全民對乒乓球的健身運動熱潮愈演愈烈 健身器材的市場需求也在不斷的擴大 隨著乒乓球這項運動的廣泛開展 使用乒乓球發(fā)球機進行輔助訓練也越來越普及 因為發(fā)球機能代替許多對手之間練習中所練不到的東西 例如對于高水平的選手 使 用乒乓球發(fā)球機練習具有極其重要 積極作用 很多人都知道在運動隊有一種練習叫 多球練習 即通過陪練員或教練員親自揮拍 將一個一個的乒乓球發(fā)到對方臺面 運動 員連續(xù)擊球不斷 提高練習強度 使運動員的相持能力增強 另外也可作為一種體能訓 練 但由于是人手發(fā)球 速度及頻率始終會有一個極點 而且教練員長時間發(fā)多球也不 可能 所以選用發(fā)球機來代替就會事半功倍 雖然它沒有人手發(fā)球的千變?nèi)f化的效果 但由于它是機械的東西 速度及頻率都可以調(diào)節(jié)到快于正常打球的極限 而且是一個 連續(xù)過程 這些是人手發(fā)多球所做不到的 對初學者來講 使用乒乓球發(fā)球機練習也 具有不可忽視的功效 剛開始學打球的時候 由于擊球動作不正確 所以不是您將球打 出界就是我將球打下網(wǎng) 撿球的時間比真正在臺上練球的時間還要多 所以要提高技 術水平就會很慢 而且也會削弱自己打乒乓球的興趣 但使用發(fā)球機作為輔助訓練 效 果就會大不一樣 開始的時候 把發(fā)球機的出球速度和頻率都調(diào)節(jié)慢一點 弧度稍調(diào)高 一點 發(fā)球機發(fā)出的落點也是從單一定點開始 然后到半臺 最后到全臺兩點 對旋轉 球的練習也是同一道理 開始的時候練習打上旋球 掌握好了以后慢慢開始練打下旋球 左側旋 右側旋等各種旋轉的球 通過這樣循序漸進 您的球技也自然會有很大的進步 大家都知道過去練武術的人 其中練一項打沙袋 開始袋里裝的是幼沙 再是粗沙 最 后是堅硬的石頭 曾有記載 香港已故武打明星李小龍中國功夫練得爐火純青 揚威國 際 他的練習方法其中有一項就是與機械練拳器對打 雖然它不是一個有智慧的東西 但它的擊拳速度 力量都高于一般對手 能征服它 說明您功夫到家 用發(fā)球機練習也 2 是這個道理 只有運用高于和難于自己能應付的訓練手段 技術水平才會提高得快 使 用乒乓球發(fā)球機輔助練習可以說是幫助運動員提高技術水平多種途徑之一 本課題設計研究了一種多功能的基于單片機控制的簡易乒乓球發(fā)球機 它主要利 用機械電子相結合的技術 對發(fā)球機的結構進行研究與改善設計 使其便于實現(xiàn)控制 這種發(fā)球機可以人為的將發(fā)球速度控制在到 1 并且在設計中兼顧考慮 sm10sm20 了業(yè)余愛好者和專業(yè)選手的不同需求 提供多種訓練模式 使得使用者掌握規(guī)范全面 技術的時間大為縮短 1 11 1 國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀國內(nèi)外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 乒乓球發(fā)球機是很多球館和球友家庭的必備娛樂和訓練工具 在六十年代末和七 十年代初 歐洲就出現(xiàn)了乒乓球發(fā)球機 乒乓球自動發(fā)球機適用于社會 學校 家庭 專業(yè)訓練場館使用 發(fā)球機可發(fā)各種性質(zhì)的球 既可用于娛樂健身 又適合于專業(yè)訓 練 性價比特別高 目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機 按出球方式可以分為三類 一類是輪式發(fā)球機 一類是壓氣式發(fā)球機 2 另一類是捶擊式發(fā)球機 按控制類型可以分為兩類 一類是半 自動 簡單操作系列 另一類是全自動 電腦程控系列 目前市場上銷售的乒乓球發(fā)球機品牌有 超級教練 樂吉高手 泰德 奧奇 雙 蛇 小飛豚 許紹發(fā) 多尼克等八大品牌 最熱銷的乒乓球發(fā)球機品牌有 超級教練 樂吉高手 泰德 奧奇 雙蛇等五大品牌 熱銷乒乓球發(fā)球機品牌簡介 超級教練 性價比比較高 適合于鍛煉健身使用 樂吉高手 美國的老品牌 是目前所有發(fā)球機中廠家承諾終身免費維修的 泰 德 中等價位的發(fā)球機 金屬材質(zhì) 外觀造型大器 奧 奇 和泰德同屬于中等價位 也是金屬材質(zhì) 雙 蛇 目前國內(nèi)最高端的一款發(fā)球機 價格也是目前國內(nèi)最高的 全自動化 帶遙控器 1 1 11 1 1 國國外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀外乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 國外的乒乓球發(fā)球機起步早 發(fā)展比較快 其功能比較齊全 自動性能也比較高 既可以滿足普通練習者的需求 也可以滿足專業(yè)運動員的日常訓練要求 目前 世界 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 3 上生產(chǎn)乒乓球發(fā)球機的廠家比較多 比較有影響力的有 1 NEWGY 公司之樂吉發(fā)球機 其發(fā)球原理是由電動機帶動的位置可調(diào)旋轉輪和 一固定的摩擦塊組成發(fā)射機構 當球進入發(fā)球通道 由旋轉輪將球旋出發(fā)球口來 旋 轉輪的位置不同 則可得到不同旋向的球 2 Butterfly 公司之 Amicus 發(fā)球機 其發(fā)球原理是采用兩個高速旋轉的輪子 旋 轉方向相反 由于輪子的空間小于球的直徑 當球從滾道滾入兩輪之間的時候 輪子 將球旋出 但它只能形成 45 的側旋球 其旋轉速度和球發(fā)射速度沒有關聯(lián) 可以發(fā) 射慢旋的短球和快速的突發(fā)球 這是同類發(fā)球機無法做到的 1 1 21 1 2 國內(nèi)國內(nèi)乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀乒乓球發(fā)球機的研究現(xiàn)狀 根據(jù)相關資料顯示 國內(nèi)的乒乓球發(fā)球機起步相對比較晚 但發(fā)展很快 從最初 的全手動發(fā)球機到現(xiàn)在的全自動發(fā)球機 甚至有些產(chǎn)品性能超過了國外的同類產(chǎn)品 國內(nèi)現(xiàn)有的乒乓球發(fā)球機的類型有兩種 一種是半自動式發(fā)球機 它需要通過人工 對機頭旋轉角度進行手動調(diào)整 從而實現(xiàn)各種發(fā)出各種角度的旋轉球的目的 同時需要 通過抬高或降低機頭以對球的射程弧度進行手動調(diào)整 這種發(fā)球機操作麻煩 功能基 本 越來越不能滿足專業(yè)訓練對發(fā)球機的要求 另一種發(fā)球機是半自動式發(fā)球機 通過 電腦編程進行操作調(diào)節(jié) 它的操作系統(tǒng) 需要設置參數(shù)來實現(xiàn)各種發(fā)球意圖 這種半自 動式發(fā)球機雖然可發(fā)出各種變化的球 但由于設備體積大 使用不方便 因此局限性較 大 主要有以下幾個經(jīng)典產(chǎn)品 一是半自動式乒乓球發(fā)球機 該發(fā)球機是福建省的林清云所設計的 其機械結構 包括機身殼體 基座 儲球斗 發(fā)球機構 弧度調(diào)節(jié)機構 角度擺動機構及電機調(diào)速 電路 該發(fā)球機的特點是結構簡單 發(fā)球速度快 經(jīng)濟實惠 缺點是故障率高 質(zhì)量差 發(fā)球變化少 調(diào)節(jié)不方便 二是雙蛇牌乒乓球發(fā)球機 該發(fā)球機是雙蛇公司研發(fā)生產(chǎn)的全自動電腦控制操作 系列的發(fā)球機 它是在研究總結眾多發(fā)球機的優(yōu)缺點的基礎上 專為乒乓球運動愛好 者開發(fā)出的具有突破性的創(chuàng)意產(chǎn)品 其主要特點是通過電腦編成實現(xiàn) 一鍵一功能 即使用者通過遙控器或者控制面板上的按鍵來改變發(fā)球特性 只要按一下按鍵 就可 以自動發(fā)出攻球 前沖弧圈球 削球 長膠球 高吊球性能的球 還可以自動發(fā)出上旋 球 下旋球 不轉球 右側上 右側下 左側上 左側下 右側旋 左側旋九種基本 4 旋轉發(fā)球方式的球 其電腦控制系統(tǒng)具有記憶功能 使得在關機前處于什么狀態(tài) 再 次開機時會仍然處于該狀態(tài) 由于其旋轉機構需手動調(diào)機 使整個裝置不能完全實現(xiàn) 自動 三是許紹發(fā)智能乒乓球教練機 3 該發(fā)球機是由三鼎公司采用生產(chǎn)研制 采用微 電腦控制 在一定程度上實現(xiàn)了訓練過程的自動化 其桌面分割為多個小方塊 可根 據(jù)程序設定準確地將球射到指定區(qū)域 其不足之處是不能像真正的人工發(fā)球可根據(jù)實 際情況來應變發(fā)球 由于發(fā)球程序模式所限 所發(fā)球具有一定的規(guī)律 1 21 2 選題的目的和意義選題的目的和意義 乒乓球運動堪稱我國的國球 如今隨著生活的水平提高以及人們對生活物質(zhì)要求 的增加 乒乓球運動越來越受到人們的喜歡 成為人們健身活動的主要項目之一 雖 然愛好乒乓球運動的人越來越多 但往往由于缺少陪練人員或者陪練的發(fā)球力度 角 度 遠近距離及球的旋轉等技術發(fā)揮不穩(wěn)定而導致訓練效果欠佳 為了解決這兩大難 題 設計一種既經(jīng)濟又實用的乒乓球發(fā)球機具有積極重要的時代意義 讓更多的人能 更舒適 更有效地進行多球練習 乒乓球發(fā)球機是集電子 機械和計算機技術為一體 的綜合技術產(chǎn)物 采用單片機控制 不僅能夠提高發(fā)球性能 而且能夠降低成本 可 以大大地提高訓練效率 而且每位乒乓愛好者都希望有一位與自己水平相當?shù)呐憔氄?在當今工作忙 生活節(jié)奏快的條件下 乒乓球發(fā)球機則是個理想的 不受時間限制的 良師益友 功能多 價格低 能夠針對不同練習者的特點進行擊球方式的設定及套路 設定的發(fā)球機 則是乒乓球愛好者的共同愿望 從經(jīng)濟觀點或科研方面考慮 乒乓球 發(fā)球機的開發(fā) 研究與應用都能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展 其未來的前景將會 很大 1 31 3 本次畢業(yè)設計的任務本次畢業(yè)設計的任務 本次畢業(yè)設計是以現(xiàn)有乒乓球發(fā)球機為背景 設計小巧 經(jīng)濟 方便的乒乓球發(fā) 球機 并對其進行機械結構設計和控制系統(tǒng)設計 分析乒乓球發(fā)球機的工作原理及工 作過程 并闡述了這種工作過程的可靠性及優(yōu)越性 繪制發(fā)球機的總裝圖和零件圖 根據(jù)乒乓球飛行過程的受力分析進行數(shù)學建模 并利用 MATLAB 仿真其過程 分析出控 制落球點各參數(shù)的合理取值范圍 得出其相互制約關系 最后對發(fā)球機進行相應分析 設計 完成其設計方案 同時對控制電路進行相應的設計 最終得出結論 說明設計 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 5 出基于單片機的乒乓球發(fā)球機是完全可行的 具體內(nèi)容可分為以下幾個大部 第一部分 乒乓球發(fā)球機的結構設計 第二部分 乒乓球發(fā)球機的控制系統(tǒng)設計 第三部分 乒乓球發(fā)球機的程序設計 第四部分 乒乓球運動過程仿真 第五部分 繪制總裝配圖和零件圖 1 41 4 本章小結本章小結 綜上所述 乒乓球發(fā)球機在我國起步比較晚 對其的進一步的研究和發(fā)展具有重 要的現(xiàn)實意義 隨著人們生活水平的提高 全民對乒乓球的健身運動熱潮愈演愈烈 健身器材的市場需求也在不斷的擴大 乒乓球運動作為我國的國球 受到人們的廣泛 喜愛 更急需研究開發(fā)一種能夠適應各種訓練場所的器材 在當今工作忙 生活節(jié)奏 快的條件下 乒乓球發(fā)球機則是個理想的 不受時間限制的良師益友 正是在這種情 況下 無論從人們需求 經(jīng)濟觀點 或是科研方面考慮 乒乓球發(fā)球機的開發(fā) 研究 與應用是極其必要的 必能極大地推動體育運動事業(yè)的發(fā)展以及不斷滿足人們的生活 需求 6 2 2 乒乓球的運動分析乒乓球的運動分析 2 12 1 乒乓球發(fā)球機發(fā)球原理乒乓球發(fā)球機發(fā)球原理 乒乓球發(fā)球機是集電子 機械和計算機技術為一體的綜合技術產(chǎn)物 它具有自動 化程度高 靈敏度高 穩(wěn)定性可靠等多種特性 其基本發(fā)球原理是利用對轉雙輪高速 旋轉摩擦乒乓球的原理 如圖 2 1 乒乓球由于受到兩個由直流電機帶動工作的旋轉方 向相反的高速摩擦輪的作用 可以獲得一定的初速度 圖 2 l 對轉雙輪發(fā)球原理圖 根據(jù)上圖的原理可以看出 當電動機帶動兩個摩擦輪轉動 同時摩擦乒乓球使其 獲得一定的動能 乒乓球才可以發(fā)射出去 這種原理方案簡單又實用 既能保證乒乓 球發(fā)射的穩(wěn)定性 又能極好地控制乒乓球發(fā)射的轉向 角度及速度 使用戶隨心所欲 地練習打乒乓球 設輪子的角速度分別為 1 2 半徑都為 R 那么就可以計算出摩擦輪的線速度 為 1 1 R 2 2 R 當 1 2時 乒乓球不旋轉 所獲得的瞬時速度即初速度為 1 2 當 1 2時 乒乓球沿摩擦輪 2 方向旋轉 所獲得的初速度為 1 2 2 當 1 2時 乒乓球沿摩擦輪 1 方向旋轉 所獲得的初速度也為 1 2 2 因此通過調(diào)節(jié) 測量兩摩擦輪的角速度就可以改變 求得乒乓球的初速度 2 2 2 2 乒乓球飛行過程的力學分析乒乓球飛行過程的力學分析 乒乓球發(fā)球機是集電子 機械和計算機技術為一體的綜合技術產(chǎn)物 它具有自動 化程度高 靈敏度高 穩(wěn)定性可靠等多種特性 其發(fā)球的基本原理是利用單輪高速旋 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 7 轉摩擦球的原理 乒乓球的質(zhì)量 直徑 經(jīng)發(fā)球機發(fā)出去后 產(chǎn)生速度和角 kgm0027 0 md040 0 速度 速度給出運動的大小和方向 角速度表明了旋轉軸的方向 測試表明 乒乓球運 動最大速度達 旋轉球的最高轉速可達 1 sm20min3000r 乒乓球在空氣中運動時 受到以下三個力的作用 1 重力 mgG 2 空氣阻力 與速度 方向相反 D F v 當乒乓球在空氣中運動時 由于空氣存在粘性和慣性 會產(chǎn)生阻力 乒乓球將留 下湍流尾跡 該阻力包括摩擦阻力和壓差阻力 摩擦阻力的大小取決于邊界層的性質(zhì) 是層流還是紊流 壓差阻力是由于邊界層產(chǎn)生分離的結果 其實際大小可通過風洞實 驗測定 為方便通常采用的計算公式是 其中 一空氣密度 2 2 AvCF DD 一迎風面積 一速度 一阻力系數(shù) 是一個無量綱的量 2 4 2 dA v D C 空氣阻力的大小與雷諾數(shù)有密切關系 如圖 2 2 當雷諾數(shù)凡時 乒乓球前1 e R 后的氣流層不發(fā)生分離 阻力正比于速度 隨著雷諾數(shù)增大 在護范 53 10310 e R 圍時 包圍球體的邊界層發(fā)生分離 阻力系數(shù)基本為常數(shù) 在大于某一臨界雷諾數(shù)時 光滑球為 邊界層完全變成湍流 分離點后移 阻力系數(shù)突然下降 由于 5 103 e R 包圍粗糙球的邊界層更容易分離 粗糙球的臨界雷諾數(shù)比光滑球的要小 假設大氣溫度為 20 度時 則取空氣密度為 空氣粘度系數(shù) 3 205 1 mkg mPa 5 1082 1 則雷諾數(shù)為 vvvdRe 3 5 10648 2 1082 1 040 0 205 1 其中 一乒乓球球的直徑 一乒乓球在空氣中的速度 dv 8 圖 2 2 球體阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關系 當乒乓球速度達最大 時 由圖 2 2 可知 包圍乒乓smv20 4 10296 5 e R 球的氣流層處于層流狀態(tài) 其阻力系數(shù)基本為常數(shù) 有論文提出 4 網(wǎng)球在 時 其阻力系 smvsm286 13 min3250 min800rr 數(shù)的表達式為 52 196 4 053 22 1 508 0 v CD 由上式可知 只依賴于 其中 是球運動的線速度 使球旋轉的角速度 D C v v 對于乒乓球可以忽略球旋轉的減速度 認為是常數(shù) 本文可采用它來分析乒乓球的 運動軌跡 經(jīng)過分析 選取 757 0 D C 3 馬格努斯力 其方向垂直于和 L F v 當乒乓球旋轉著在空氣中飛行時 通過球體上方的流速會加快 而通過球體下方 的流速則會減慢 由于摩擦力的作用 球體的表面上有一層薄薄的流體邊界層 邊界 層里的流體對球體的相對速度為 0 在邊界層中 離球體表面的距離越遠則流速越快 在球體旋轉的狀況下 因為球體上方的流速增大而下方的流速減小 上方的流線也比 下方的流線密 所以球體上下方的流體就產(chǎn)生壓力差 此外 球體上方氣流的分離點 會被推向更后方 結果在球體周圍產(chǎn)生不對稱的流動模式和垂直于流動方向的凈升力 即馬格努斯力 如果球體表面比較粗糙 不只是摩擦力增加 也會使升力增加 如圖 2 3 當發(fā)球機發(fā)出下旋球時 由右手定則顯示球的角速度方向為由發(fā)球機向 右 馬格努斯力方向向上 而上旋球的力則向下 馬格努斯力的計算公式為 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 9 v v AvCF LL 2 2 1 為馬格努斯力升力系數(shù) 和阻力系數(shù)相似 須由實驗測得 引用文獻 1 數(shù)據(jù)得 L C 與相比小得多 但對乒乓球的軌跡有很大影響 經(jīng)過 v CL 981 0 022 2 1 L C D C 分析 選取 50 0 L C 圖 2 3 馬格努斯力的形成 2 32 3 乒乓球質(zhì)心運動的數(shù)學模型乒乓球質(zhì)心運動的數(shù)學模型 要研究乒乓球在空氣中的質(zhì)心運動 首先要明確乒乓球在空氣中的質(zhì)點運動主要 用那些量來描述 由于乒乓球運動的基本問題是個平面運動問題 所以要知道乒乓球 質(zhì)心在空氣中的運動規(guī)律 必須知道乒乓球離開發(fā)球機后任意時間 的坐標 若t yx 能知道 時的乒乓球質(zhì)心運動速度 的大小和方向 乒乓球的傾角 就可以確定乒tv 乓球將以什么速度飛向何方 因此如果能夠知道變量和等五個變量之間的vyxt 函數(shù)關系 就可以完全解決乒乓球質(zhì)心在空氣中運動的問題 1 建立數(shù)學模型一 4 只計重力 不計阻力與升力 10 圖 2 4 直角坐標系一 如圖 2 4 將乒乓球視為一個質(zhì)點 質(zhì)量為的乒乓球從原點 0 0 發(fā)射以初速 m 度沿角的方向射出 0 v 設乒乓球在時刻 的位置矢量為 t T tytxtr 則乒乓球的初速度為 T tytxtv 加速度為 T tytxta 乒乓球所受的重力和阻力分別為 TT tkytkxkvfmgf 0 21 則總外力為 T tkymgtkxfff 21 由牛頓第三運動定律得到運動方程為 tmytkymg tmxtkx 既 2 1 0 0 tkymgtmy tkxtmx 其初始條件為 2 2 00 x cos0 0 vx 00 y sin0 0 vy 令 2 3 txu 1 txu 2 tyu 3 tyu 4 由 2 l 2 2 和 2 3 式推出 2 4 sin0 00 cos0 00 013 021 44 43 22 21 vuu vuu gtmuktu tutu tmuktu tutu 可進一步記為 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 sin 0 cos 0 0 0 0 4321 mk mk A vv gb tutututuu T oo T T 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 11 則 2 4 可等價地寫成矩陣向量形式 2 5 0 u ufu 其中 bAuuf 一階微分方程 2 4 或 2 5 即是乒乓球運動的數(shù)學模型 4 2 建立數(shù)學模型二 4 所發(fā)球為不旋轉球 即只計重力和空氣阻力 圖 2 5 直角坐標系二 如圖 2 5 設質(zhì)量為的乒乓球從原點 0 0 發(fā)射 以初速度沿角的方向射出 m o v 乒乓球在空中任意點的坐標為 yx 則在該點的速度為 y x v dt dy v dt dx 其加速度為 y y x x a dt dv a dt dv 根據(jù)受力分析 由牛頓第三運動定律得其運動方程為 4 2 6 sin cos mgFma dt dv m Fma dt dv m Dy y Dx x 由流體動力學知 1057 7 24 04 0 205 1 2 242 2 22 vCvCvACF DDDD 令 其中 則 D Cc 4 1057 7757 0 D C4 1073 5 c 12 得 2 7 2 cvFD 將 2 7 代入式 2 6 則可得其四階方程組 gmvcvgmcv dt dv vcvmcv dt dx v dt dy v dt dx y y x v y x sin cos 2 2 3 建立數(shù)學模型三 4 所發(fā)球球為下旋球 考慮重力 阻力及升力 圖 2 6 空間直角坐標系 如圖 2 6 建立三維空間直角坐標系 設乒乓球的初速度為 它與平面的夾 o vxy 角為 在平面的投影與 x 軸的夾角為 其旋轉的角速度為 旋轉軸與軸的夾 xy z 角為 乒乓球在空間任一點的坐標為 zyx 則該點的速度為 sin sincos coscos vv dt dz vv dt dy vv dt dx z y x 根據(jù)受力分析 由牛頓定理得其運動方程 5 為 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 13 2 8 mgFF dt dz m FF dt dy m FFF dt dx m LD LD LLD sincoscossin coscoscossincos cossincossincoscoscoscos 令 2 9 2 2 2 1 vcFvcF LD 其中 4 2 4 1 1078 3 1073 5 cc 將 2 9 代入 2 8 得其非線性方程組 gmvvcmvvc dt dv mvvcmvvc dt dv mvvvcmvvc dt dv v dt dz v dt dy v dt dx xz z xy y yzx x z y x sin cos cossin 21 21 21 2 2 4 4 乒乓球飛行過程的仿真分析乒乓球飛行過程的仿真分析 由于發(fā)球后乒乓球的飛行軌跡與碰撞桌面后的飛行軌跡由很大的不同性 所以為 了體現(xiàn)統(tǒng)一的思想 發(fā)球的時候要直接將球發(fā)到對方的球桌上 不能像人與人比賽的 時候那樣發(fā)球 14 圖 2 7 乒乓球桌面坐標系 如圖 2 7 己知 乒乓球球桌的長度為 寬度為 高度為 mmL2740 1 mmL1525 2 球網(wǎng)的高度為 發(fā)球的高度為發(fā)射速度為 mmH760 mm25 15 cmcmHh30 10 飛行距離為 smsmv20 10 L 由于空氣阻力對運動物體的影響作用比較大 尤其是像乒乓球這樣質(zhì)量輕而體積 相對比較大的運動物體 更要考慮空氣阻力對其運動的影響 因此 用 MATLAB 對乒乓 球的數(shù)學模型二進行仿真 6 其不旋球飛行過程的運動軌跡如圖 2 8 所示 在不同的 發(fā)射速度下 可以得到乒乓球的不同落點 反過來要實現(xiàn)發(fā)射不同落點的球 通過改 變發(fā)球速度這些參數(shù)即可 通過分析 得出發(fā)球機發(fā)射有效球時 各個參數(shù)的極限大 小 方便后續(xù)程序編制 同時可以知道 發(fā)球高度的變化范圍選取與桌面的距離為 10cm30cm 時 即可發(fā)射有效球 因此設計發(fā)球機時 使其高度調(diào)節(jié)范圍設定為 20cm 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 15 a b 16 c d 圖 2 8 乒乓球的運動軌跡 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 17 2 52 5 發(fā)球機參數(shù)設計發(fā)球機參數(shù)設計 乒乓球發(fā)球機的工作過程是首先將乒乓球儲存在儲球機構中 當電源接通后 儲 球機構中的撥桿由輸送機構中的直流電機帶動轉動起來 其作用是攪動儲球器中的乒 乓球 以防止入球口堵塞 乒乓球靠自身重力落入輸送機構 螺旋上球器將球送入送 球通道 該直流電動機轉速控制板操作這樣就可以控制單位時間內(nèi)的發(fā)球數(shù)目球在通 道內(nèi)依次排成一列 后面的球將前面的球頂入發(fā)射機構 發(fā)射機構中的直流電機也以 設定的速度模式帶動兩個摩擦輪轉動 當球進入時 在摩擦力的作用下 將球發(fā)射出 去 7 所研究的簡易乒乓球發(fā)球機達到的主要技術性能參數(shù) 1 供球頻率 30 個 分 96 個 分 2 發(fā)球速度 lOm s 20m s 3 橫擺擺幅范圍 0 30 擺動速度 30 次 分 92 次 分 4 縱擺行程范圍 0 30 5 升降范圍 O 20cm 6 可發(fā)出上 下旋球以及不旋球 2 62 6 本章小結本章小結 本章對自動乒乓球發(fā)球機的發(fā)球原理和工作過程做了簡單介紹 同時根據(jù)乒乓球 在空中的受力情況建立了其數(shù)學模型 運用 MATLAB 分別對不同運動狀態(tài)的乒乓球的運 動軌跡進行了仿真分析 確定該乒乓球發(fā)球機可以通過調(diào)節(jié)各種參數(shù) 得到運動狀態(tài) 和不同落點的球 從而滿足設計要求 18 3 3 乒乓球發(fā)球機的機械結構設計乒乓球發(fā)球機的機械結構設計 從現(xiàn)行的乒乓球發(fā)球機市場調(diào)查數(shù)據(jù)顯示 在現(xiàn)行市場上的乒乓球發(fā)球機的結構 形式多種多樣 各不相同 功能各異 根據(jù)發(fā)球的動力等自身特點 本課題設計研究 的新型簡易自動乒乓球發(fā)球機 是通過對現(xiàn)有發(fā)球機進行分析 保留了它的一些傳統(tǒng) 結構特點 同時也進行了適當?shù)慕Y構改進以方便對其進行自動控制 簡化改善機構等 具有一定程度的創(chuàng)新 3 13 1 乒乓球發(fā)球機的總體結構設計乒乓球發(fā)球機的總體結構設計 乒乓球發(fā)球機主要由儲球機構 撥球機構 螺旋送球機構 高度調(diào)整機構 橫擺 機構 縱擺機構 發(fā)球機構 機座 限位加固支架 簡易可拆卸手拉桿以及傳動機構 等十一部分組成 乒乓球發(fā)球機的總體機構設計裝配圖如圖 3 1 所示 總體機構三視 圖如圖 3 2 所示 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 19 圖 3 1 總體機構裝配圖 20 圖 3 2 總體機構三視圖 本畢業(yè)設計乒乓球發(fā)球機構總體設計思想是 乒乓球螺旋送球機構設置在機座的底座內(nèi)部 而儲球機構 撥球機構 高度調(diào)整 機構 橫擺機構 縱擺機構 發(fā)球機構設置在底座的上端 儲球機構 即儲球器 中 設有撥球機構 即撥球桿 乒乓球在儲球器中 經(jīng)電機帶動下的撥球機構攪動 乒乓 球進入入球孔靠自身重力落入螺旋送球機構 而又不至于卡在輸送的管道口 在送球 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 21 通道中設有可以轉動的螺形上球器 由其將乒乓球推入乒乓球傳送通道 球在通道內(nèi) 依次排成一列 后面的球將前面的球頂入發(fā)射機構 送球通道前段為水平設置 中段 為長度可調(diào)節(jié)的豎直設置 連接首段和中段的彎形管成阿基米德螺旋線形 本次設計 使用的阿基米德螺旋線形方程為 a 2 theta t 360 r a theta 的管道 連接中段 和發(fā)球口的部分為可任意拉伸 彎曲且具有柔韌性的上弧形軟管 上弧形桿的內(nèi)部為 空管 使乒乓球能夠沿空管上行 高度調(diào)整機構 橫擺機構 縱擺機構協(xié)調(diào)控制發(fā)球 的高度橫擺和縱擺方向 發(fā)球機構由高速旋轉的發(fā)射輪組成 傳動機構包括電動機和 齒輪 機座則由底座 底座蓋板組成 限位加固支架起到限制發(fā)球口上升的最高高度 和固定送球管等部件的作用 此外 乒乓球發(fā)球機還設計配備了使其便于移動的帶有 滾輪的可拆卸的簡易手拉桿裝置 高度調(diào)整機構 橫擺機構 縱擺機構 發(fā)球機構由 各支架固定 發(fā)球機構中的雙輪高速旋轉 可異步調(diào)速 靠摩擦將球發(fā)射出去 調(diào)節(jié) 兩輪速度即可實現(xiàn)不同旋向球 調(diào)節(jié)縱擺機構可調(diào)節(jié)出球口的豎直方向上下角度的變 化 即可改變發(fā)球的弧度 通過橫擺機構即可調(diào)節(jié)出球的水平方向左右角度的變化 調(diào)節(jié)上球器的電機轉速 即可改變發(fā)球的頻率 針對所要設計的自動乒乓球發(fā)球機的特點 其機械功能應包括 通過控制盒上相應 按鍵來實現(xiàn)各種功能 如改變發(fā)球速度 頻率 旋向 以及出球角度和弧度 對市場 上的乒乓球發(fā)球機的結構進行分析 為能保證這些功能的實現(xiàn) 需對其部分復雜機械 結構進行改進 加入方便進行自動控制的元件 通過分析 主要對市場上原乒乓球發(fā) 球機進行以下幾方面的改進設計 即儲球機構 撥球機構 螺旋送球機構 高度調(diào)整 機構 橫擺機構 縱擺機構 發(fā)球機構 簡易可拆卸手拉桿以及 PWM 調(diào)速器等的設計 要設計好整個自動乒乓球發(fā)球機的機械結構 首先要了解乒乓球和乒乓球桌的參 數(shù) 乒乓球是一種硝化纖維組成的 直徑為 40 毫米的圓球 它質(zhì)輕而心空 彈性好 重量為 2 7 克 標準的乒乓球桌的長為 2 74 米 寬為 1 525 米 球網(wǎng) 15 25 厘米 8 球的飛行方向 球在球臺上空沿一定弧線飛行 如果要準確地落到對方臺面 不僅受到 球臺長度和球網(wǎng)高度的限制 而且還受到球臺寬度的制約 為此必須要求乒乓球的飛 行方向正確 保證乒乓球既不會出界 又能落到戰(zhàn)術所需要的區(qū)域 22 3 23 2 乒乓球發(fā)球機的各個子機構設計乒乓球發(fā)球機的各個子機構設計 3 2 13 2 1 儲球機構儲球機構 圖 3 3 儲球機構 3 2 23 2 2 撥球機構撥球機構 圖 3 4 撥球機構 3 2 33 2 3 螺旋送球機構螺旋送球機構 螺旋送球機構如圖 3 5 所示 乒乓球螺旋送球機構設置在機座的底座上 在送球 通道的螺旋送球機構中設有由電機帶動的螺旋上球器 由其將乒乓球推入乒乓球傳送 通道 球在通道內(nèi)依次排成一列 后面的球將前面的球頂入發(fā)射機構 通過調(diào)節(jié)電機 的轉速可以調(diào)節(jié)發(fā)球的頻率 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 23 圖 3 5 螺旋送球機構 3 2 43 2 4 高度調(diào)整機構高度調(diào)整機構 高度調(diào)整機構如圖 3 6 為能更加完善乒乓球發(fā)球機 的功能 增加實現(xiàn)更多不同的球路變化 本乒乓球發(fā)球機 構設計增加了可調(diào)節(jié)發(fā)球高度的升降機構 考慮到設計的 經(jīng)濟性 實用性和適用性 其結構采用為由步進電動機帶 動齒輪轉動 則與齒輪嚙合的齒條帶動可以移動的導球管 上上下移動 齒條固定在可移動的送球管道帶動搖擺機構 和發(fā)射機構一起上下移動 從而實現(xiàn)了出球口高度的調(diào)節(jié) 齒輪齒條是機械上常使用的且經(jīng)濟使用的傳動元件 其主要功能是將旋轉運動轉換成線形運動 同時兼具較高 精度 可逆性和高效率的特點 本設計齒輪齒條的選擇是 根據(jù)升降機構的快速響應性和發(fā)球高度的變化來決定的 采用 3Ocm 長 齒頂高 ha 1 齒根高 hf 1 25 齒高 h 2 25 齒距 P 3 14 的較高精度齒條 圖 3 6 高度調(diào)整機構 3 2 53 2 5 橫擺機構橫擺機構 如圖 3 7 橫擺機構中 齒輪由步進電動機帶動轉動 電機固定在發(fā)球口支架下端 與其嚙合的半齒輪盤固定于可上下移動的的送球管道上 當其轉動時 即可實現(xiàn)發(fā)球 24 機構的水平方向的左右擺動 控制步進電動機的角位移和轉速即可控制出球管道的擺 動角度和速度 圖 3 7 橫擺機構 3 2 63 2 6 縱擺機構縱擺機構 如圖 3 8 該機構的作用是帶動發(fā)射裝置實現(xiàn)上下的擺動 從而使發(fā)球口與水平方 向的夾角發(fā)生變化 同時要求這種變化可控制 由電機直接帶動發(fā)球口在豎直方向的 角度變化 圖 3 8 縱擺機構 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 25 3 2 73 2 7 發(fā)球機構發(fā)球機構 發(fā)球機構如圖 3 9 所示 操縱發(fā)球機構和搖擺機構 可以調(diào)整發(fā)球口有不同的傾 角 能實現(xiàn)乒乓球落到不同的前后落點 而發(fā)球機構中的發(fā)射輪 有電動機帶動高速 旋轉 當乒乓球進入發(fā)球機構 與摩擦輪接觸時 摩擦輪作用在乒乓球上 將乒乓球 從發(fā)射口快速射出 為改變原發(fā)球機只能發(fā)射上旋球的缺點 該發(fā)球機的發(fā)射裝置設 計為由兩個摩擦輪組成 分別由兩個直流電動機來帶動 當兩摩擦輪的速度不同時 即可發(fā)射不同旋轉速度的上旋球或下旋球 兩輪的速度相同時 即可發(fā)射不旋球 通 過調(diào)節(jié)電動機的轉速即可調(diào)節(jié)球的初速度 圖 3 9 發(fā)球機構 3 33 3 乒乓球發(fā)球機的電動機選擇乒乓球發(fā)球機的電動機選擇 從乒乓球發(fā)球機的發(fā)球設計原理可知 乒乓球發(fā)球機的機械運動主要是由電動機 來提供動力源 因此電動機的選擇在本設計中非常重要 電動機選擇的技術指標包括 l 容易控制 可控性好 2 控制精度高 3 直線運動的步進電動機功率要大 速度 要快 4 控制供球頻率的電動機力矩要大 穩(wěn)定性要好 5 防震和防干擾性能要好 6 體積小 質(zhì)量輕 減小機身體積和支架支撐重量 等 所以 乒乓球發(fā)球機的各 個機構的電動機均選取微型電機的型號 26 發(fā)球口帶動摩擦輪的高速電機的確定 由第二部分資料知乒乓球發(fā)出的飛行速度 應小于 vsm 20 所以可知 由 乒乓球橡皮輪 rr v n 2 可知 2 乒乓球橡皮輪 rr v n 代入已知值 得 min r75 2729 04 0 03 0 2 6020 n 所以綜上所述 根據(jù)相關資料 高速電機應選擇額定轉速為 額定功min 3000r 率為 P 25W 額定電流為 0 27A 單相電壓為 220V 的微型直流電機 橫擺機構以及縱擺機構的兩個步進電動機的參數(shù)選擇為 四相步進電動機 其保持 轉矩為 0 13N m 轉動慣量 0 03 功率為 P 55W 額定電流為 1 T M J 4 10 I 0 75A 電源輸入為 U 100V 帶動高度調(diào)整機構的步進電動機的參數(shù)選擇為 四相步進電動機 其保持轉矩為 0 16N m 轉動慣量 0 035 功率為 67W 額定電流為 0 75A 1 M J 4 10 電源輸入為 U 100V 撥球機構和螺旋送球機構的直流電動機的參數(shù)為 額定功率為 P 15W 額定電流 為 I 0 19A 單相電壓為 U 220V 額定轉矩為 0 125N m 額定轉速為 N T n 1200r min 各機構的電機都是選用三菱萬寶至 mabuchi motor 微型電動機 a 微型直流電動機 RS 385SD b 微型步進電動機 FC 260SA 基于單片機的乒乓球發(fā)球機構設計及運動仿真 27 圖 3 10 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型電動機 1 微型直流電機 RS 385SD OUTPUT 0 9W 40W APPROX WEIGHT 70g APPROX 圖 3 11 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型直流電動機 RS 385SD 2 微型步進電機 FC 260SA OUTPUT 0 4W 17W APPROX WEIGHT 28g APPROX 圖 3 12 三菱萬寶至 mabuchi motor 微型步進電動機 FC 260SA 3 43 4 本章小結本章小結 本章通過對目前市場乒乓球發(fā)球機的原理分析 對簡易乒乓球發(fā)球機進行設計 同時對其整體機械機構設計作了詳細的說明 對其相應具有的功能也做了詳細的介紹 簡易乒乓球發(fā)球機與現(xiàn)有的發(fā)球機相比 其不同之處在于其結構簡單 也能實現(xiàn)控制 乒乓球的球速和發(fā)球頻率 有效地作到了按人的各種速度需求來制定相應的方案 發(fā) 28 出滿足各種需求的球 并力求物廉價美 4 4 乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計乒乓球發(fā)球機控制系統(tǒng)設計 為使乒乓球發(fā)球機能夠比較完善的實現(xiàn)依靠自身的控制系統(tǒng)自動控制的功能 在 對現(xiàn)行乒乓球發(fā)球機市場的乒乓球發(fā)球機的控制系統(tǒng)的分析研究的基礎上 對本畢業(yè) 設計的乒乓球發(fā)球機的控制系統(tǒng)的設計功能主要包括 控制發(fā)球機的輸送機構以不同 頻率供球 控制發(fā)射機構實現(xiàn)各種球類的發(fā)射 控制搖擺機構實現(xiàn)各種擺動動作 控 制高度調(diào)整機構實現(xiàn)上下移動發(fā)球高度的變化 以及控制其它輔助設備工作等 4 14 1 控制系統(tǒng)總體設計控制系統(tǒng)總體設計 本次畢業(yè)設計的乒乓球發(fā)球機的控制器采用美國 ATMEL 公司的 8 位單片機 89C51 為核心微處理器 外圍擴展電路包括 電動機驅動電路 電動機轉速測量電路 鍵盤和 液晶顯示電路 核心微處理器對傳感器采集的轉速信號進行分析 計算出與給定轉速 的誤差值 啟動軟件算法調(diào)節(jié)器 產(chǎn)生輸出信號經(jīng)過驅動電路送給直流電動機 通過 對直流電動機的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對速度的閉環(huán)控制 同時驅動各步進電動機執(zhí)行相關動作 通過鍵盤可以選擇發(fā)球模式 以及設置發(fā)球速度 方向等 液