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中國(guó)海洋大學(xué)
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
開題報(bào)告
題 目 網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)設(shè)計(jì)
院、 系 工程學(xué)院機(jī)電工程系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 (年級(jí))2011
學(xué)生姓名 姜杰
學(xué) 號(hào) 080242011013
指導(dǎo)教師 謝迎春
教務(wù)處制表
2015 年 4 月 2 日
一、選題依據(jù)
課題來源、選題依據(jù)和背景情況；課題研究目的、學(xué)術(shù)價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值
1、課題來源、選題依據(jù)和背景情況。
本課題為教師自擬課題。
根據(jù)國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) (International Federation of Rob otics, IFR)發(fā)布的2014年服務(wù)機(jī)器人研究報(bào)告，2013年個(gè)人和家用服務(wù)機(jī)器人銷量大約為四百萬臺(tái)，比2012年增長(zhǎng)28%，市場(chǎng)規(guī)模約為17億美元。據(jù)估計(jì)，將有3100萬臺(tái)個(gè)人服務(wù)機(jī)器人于2014至2017年之間售出，這也就意味著服務(wù)機(jī)器人在這一領(lǐng)域?qū)⒂谐掷m(xù)而強(qiáng)勁的增長(zhǎng)。
可見機(jī)器人將越來越多的走進(jìn)日常生活當(dāng)中，而網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)正在全世界范圍內(nèi)得到越來越多的關(guān)注和喜愛，但是網(wǎng)球愛好者，特別是運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練的時(shí)候，要頻繁撿起散落在很大范圍內(nèi)的網(wǎng)球是一件耗時(shí)耗力的工作，每個(gè)人都不可能像專業(yè)運(yùn)動(dòng)員一樣擁有自己的球童，而具有高效、全自動(dòng)撿球功能的機(jī)器可廣泛應(yīng)用于各種類型的網(wǎng)球練習(xí)場(chǎng)地，為人們進(jìn)行網(wǎng)球訓(xùn)練提供便利和節(jié)省時(shí)間。因此網(wǎng)球訓(xùn)練迫切地需求自動(dòng)撿球機(jī)器人來輔助。
2、課題研究目的、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值
據(jù)中國(guó)網(wǎng)球協(xié)會(huì)官方最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2008 年，憑借鄭潔溫網(wǎng)殺入四強(qiáng)和李娜的奧運(yùn)會(huì)四強(qiáng)，國(guó)人網(wǎng)球熱情空前高漲。中國(guó)網(wǎng)球人口已突破 800 萬。而隨著李娜法網(wǎng)捧杯，WTA官網(wǎng)甚至認(rèn)為，李娜的大滿貫冠軍將為中國(guó)增加 3 億網(wǎng)球人口。由此可分析，我國(guó)的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)必將蒸蒸日上，市場(chǎng)上對(duì)網(wǎng)球撿球機(jī)的需求也會(huì)直線增加。
本課題的主要研究目的是本項(xiàng)設(shè)計(jì)主要目的是開發(fā)一種網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)，解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并同時(shí)具有高效率和無遺漏的特點(diǎn)。
二、文獻(xiàn)綜述
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)；查閱的主要文獻(xiàn)
國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
隨著網(wǎng)球這種高強(qiáng)度遠(yuǎn)動(dòng)的普及，越來越多的人參與其中，但對(duì)于普通運(yùn)動(dòng)者來說，不可能有球童負(fù)責(zé)為其撿球，遍布全場(chǎng)的網(wǎng)球揀起來實(shí)在是件累人、費(fèi)時(shí)的事，針對(duì)這一現(xiàn)狀，網(wǎng)球場(chǎng)撿球機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[1]。
目前網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)較少，較為經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)球撿球機(jī)多以人工操作為主，又有圓筒式、滾筒網(wǎng)狀式和籃筐式等用彈性條狀材料制作，其間距略小于網(wǎng)球直徑，用力壓下或者滾過球身時(shí)將球壓進(jìn)筒或筐中。
網(wǎng)球筐和網(wǎng)球筒是早期提出的方案，有的機(jī)構(gòu)已經(jīng)做出了產(chǎn)品。這類機(jī)構(gòu)一般都十分簡(jiǎn)練實(shí)用，但效率一般較低，人工參與的比較多。市場(chǎng)上已經(jīng)存在不同種類的網(wǎng)球撿球籃(如圖1、圖2所示)和撿球筒(如圖3、圖4所示)，都是通過人工操作實(shí)現(xiàn)的。但是這種撿球機(jī)構(gòu)不能適應(yīng)網(wǎng)球的直徑變化；可能出現(xiàn)“卡球”現(xiàn)象；對(duì)網(wǎng)球的傷害較大，減少了網(wǎng)球的使用壽命；不能夠撿拾網(wǎng)球場(chǎng)邊緣的網(wǎng)球，而且對(duì)網(wǎng)球場(chǎng)地有一定的損傷。
圖2 網(wǎng)球筐2
圖1 網(wǎng)球筐1
圖4 撿球筒2
圖3 撿球筒1
網(wǎng)球撿球筒的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單， 主要由收集筒、手柄和進(jìn)口閥彈簧組成。收集筒用于存儲(chǔ)收集到的網(wǎng)球；手柄便于操作；而進(jìn)口閥彈簧保證了網(wǎng)球的單向通過，使已經(jīng)撿起的網(wǎng)球不會(huì)掉落。這種撿球機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單方便，成本低，但存在不少缺點(diǎn)。與網(wǎng)球筐一樣，對(duì)網(wǎng)球傷害較大；撿球時(shí)作用相對(duì)較少，需要人工尋找對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)球，實(shí)際上只是減少一個(gè)彎腰的動(dòng)作；效率極低，一次只能撿一個(gè)球，存儲(chǔ)球的數(shù)量也十分有限；隨著撿球數(shù)量的增加，撿球難度也增大[2]。
目前市場(chǎng)上還出現(xiàn)了一類手推式網(wǎng)球撿球車。此類撿球車為半自動(dòng)式，需要有人操作。它體積大且重，相對(duì)于智能化撿球機(jī)比較笨拙，既浪費(fèi)空間，又影響訓(xùn)練人員打球，還需要人工操作，相對(duì)于智能化撿球機(jī)浪費(fèi)了不必要的時(shí)間與體力。而且，此類撿球車只適用于地上球較多的情況，它的適用環(huán)境較局限[4]。
圖5 自動(dòng)網(wǎng)球撿球機(jī)
圖5是一種自動(dòng)網(wǎng)球撿球機(jī)，該遙控自動(dòng)網(wǎng)球拾球機(jī)主要組成包括車體、拾球滾筒、儲(chǔ)球箱、驅(qū)動(dòng)輪、萬向輪、傳動(dòng)齒輪組、傳感器、電路板、電池和拉桿式推把等部件。其工作原理為：采用后輪驅(qū)動(dòng)，左、右驅(qū)動(dòng)輪由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)，前輪是萬向輪， 起支撐的作用，共同實(shí)現(xiàn)拾球機(jī)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及后退等動(dòng)作。萬向輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過傳動(dòng)齒輪組帶動(dòng)拾球滾筒[5]，傳動(dòng)齒輪組與萬向輪之間是采用單向推力軸承聯(lián)接， 保證了拾球滾筒在前進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)而自動(dòng)拾球, 而在后退時(shí)停轉(zhuǎn)以防止?jié)L 筒反轉(zhuǎn)將網(wǎng)球帶出箱外[6]。 拾到的網(wǎng)球暫時(shí)存放在儲(chǔ)球箱中，儲(chǔ)球箱設(shè)計(jì)為抽屜式結(jié)構(gòu)，可隨時(shí)安放和取出。拉桿式推把可根據(jù)拾球人員身高的變化而相應(yīng)地調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，推把長(zhǎng)度的范圍在70～120cm，該結(jié)構(gòu)非常靈活。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到傳感器的安裝， 用于避障檢測(cè)用的兩對(duì)紅外反射式傳感器分別安裝在前面左、右兩端，三對(duì)紅外對(duì)射式傳感 器安裝在儲(chǔ)球箱的上部?jī)?nèi)側(cè)。電路板和電池是拾球機(jī)的控制系統(tǒng)，控制著其他部件的動(dòng)作[4]。
目前較先進(jìn)的拾球器是全自動(dòng)拾球機(jī)，采用機(jī)械臂和圖象識(shí)別等高科技，不需人工操作，可以完全自動(dòng)拾球，但效率低，每次只能拾起一個(gè)球，且結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜， 成本相當(dāng)高，不容易推廣[3]。
國(guó)外的自動(dòng)撿球機(jī)構(gòu)也較少,大部分常見的都是半自動(dòng)人工參與的,如圖6,7均為手動(dòng)式撿球機(jī)[7,8]，這兩款撿球機(jī)與上述國(guó)內(nèi)撿球機(jī)比較類似，純手動(dòng)操控，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格低廉，但人性化不足。
圖7 國(guó)外撿球機(jī)2
圖6 國(guó)外撿球機(jī)1
圖9 國(guó)外撿球機(jī)4
圖8 國(guó)外撿球機(jī)3
圖8和圖9為國(guó)外的半自動(dòng)撿球機(jī)[10,11]，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)成本高，體積較大，占空間，操作簡(jiǎn)單，撿球效率高，但不能自主完成撿球過程，需要人的輔助，綜合來說需要改進(jìn)的部分較多。
除此之外，關(guān)于乒乓球撿球機(jī)的研究也比較多，由于乒乓球與網(wǎng)球結(jié)構(gòu)上比較相似，同時(shí)為了拓展視野，我也對(duì)乒乓球撿球機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的調(diào)研。
乒乓球的直徑為40mm，質(zhì)量為2.7g，具有體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，特別適合吸力裝置吸取。風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，抽風(fēng)的一端會(huì)形成負(fù)壓;如果將一個(gè)管道與風(fēng)扇的抽風(fēng)面相連接，則在風(fēng)扇的作用下，管道內(nèi)的氣壓將小于管道外的大氣壓， 管道口附近的物體將在壓力差的作用下被吸進(jìn)管道里[11]。利用這個(gè)原理制作的撿乒乓球機(jī)如圖10所示。
圖10 乒乓球撿球機(jī)器人1
再有一種就是“收割式”撿球機(jī)，該方案撿球效果好且設(shè)計(jì)與制造方便，機(jī)械傳動(dòng)鏈少，造價(jià)低。其設(shè)計(jì)圖如圖11所示。其工作原理為：人手握可調(diào)節(jié)的推桿以正常行走速度向有散落乒乓球的區(qū)域走動(dòng)，帶動(dòng)撿球機(jī)的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪又帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)，通過葉輪齒片將乒乓球劃入撿球機(jī)內(nèi)，過擋球板，進(jìn)入可方便拆卸的儲(chǔ)球盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了散落滿地乒乓球的撿拾工作[12]。
圖11 乒乓球撿球機(jī)2
相對(duì)于體積小，質(zhì)量輕的乒乓球，高爾夫球與網(wǎng)球更為接近，在此，我還查找了有關(guān)高爾夫球撿球機(jī)的相關(guān)資料。
由于高爾夫球場(chǎng)面積廣，對(duì)撿球機(jī)器人的需求并不高，因此只有較為簡(jiǎn)單的撿球裝置，如圖12所示[13]：
圖12 高爾夫撿球器
網(wǎng)球撿球機(jī)的需求量很大，國(guó)內(nèi)外相關(guān)設(shè)計(jì)也不少。本設(shè)計(jì)主要工作是通過對(duì)不同撿球機(jī)功能、特點(diǎn)、和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析后，得到設(shè)計(jì)撿球機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題，從而對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種更加高效、智能、防卡球現(xiàn)象的自動(dòng)撿球機(jī)。
參考文獻(xiàn)
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三、研究?jī)?nèi)容
1． 學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路；主要研究?jī)?nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題（或技術(shù)）
隨著我國(guó)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的不斷普及，越來越多的人開始參與到其中，網(wǎng)球訓(xùn)練中網(wǎng)球的使用數(shù)量會(huì)很多，基本上會(huì)布滿整個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)，這時(shí)撿球便成為一件令人頭疼的事，因此設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格實(shí)惠，能夠快速撿起網(wǎng)球的網(wǎng)球機(jī)器人的需求也日益增長(zhǎng)。
本課題的主要研究?jī)?nèi)容：設(shè)計(jì)一款高效的網(wǎng)球自動(dòng)撿球機(jī)，解決同類產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的卡球和傷球現(xiàn)象，并具有高效率和無遺漏的特點(diǎn)。
擬解決的關(guān)鍵問題有：
（1） 撿球方式的選擇；
（2） 傳動(dòng)方式的選擇；
（3） 行走速度分析；
（4） 球道數(shù)選擇。
2．?dāng)M采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析
研究方法：
利用文獻(xiàn)調(diào)研和市場(chǎng)調(diào)查對(duì)市場(chǎng)上已有產(chǎn)品進(jìn)行分析，比選實(shí)現(xiàn)本課題目標(biāo)的最佳技術(shù)途徑和機(jī)械機(jī)構(gòu)方案，以此為基礎(chǔ)，完成零件和整機(jī)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。
技術(shù)路線：
確立設(shè)計(jì)背景
期刊檢索
市場(chǎng)調(diào)研
專利檢索
修改完善
初步設(shè)計(jì)
原理設(shè)計(jì)
強(qiáng)度校核
結(jié)構(gòu)草圖
裝配圖
零件圖
設(shè)計(jì)說明書
實(shí)施方案：
（1） 查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，了解相關(guān)設(shè)計(jì)方案及原理；
（2） 撿球機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)；
（3） 撿球機(jī)零部件參數(shù)計(jì)算，以及選??；
（4） 撿球機(jī)三維圖及二維CAD圖紙繪制；
（5） 撰寫畢業(yè)論文。
可行性分析：
目前關(guān)于網(wǎng)球撿球機(jī)的研究也很多，這些研究做出的撿球機(jī)均可以實(shí)現(xiàn)，并可以輕松完成撿球任務(wù)，因此只要參照現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案的原理以及結(jié)構(gòu)形式，并加以計(jì)算、改進(jìn)，一套可行的新的設(shè)計(jì)方案是完全可以實(shí)現(xiàn)的。
四、論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度安排
起止時(shí)間
主要內(nèi)容
預(yù)期目標(biāo)
3.9－3.22
3.23－4.5
4.6－4.19
4.20-5.15
5.16至月底
查閱相關(guān)資料，撰寫文獻(xiàn)綜述，翻譯外文資料，完成開題報(bào)告的撰寫
完成撿球機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
撿球機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件選型
完成撿球機(jī)裝配圖和主要零部件圖的繪制
撰寫畢業(yè)論文
了解現(xiàn)有網(wǎng)球撿球機(jī)構(gòu)造，和國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
完成初步方案設(shè)計(jì)
完成結(jié)構(gòu)草圖設(shè)計(jì)
完成裝配圖和零件圖
完成整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)
五、審核意見
導(dǎo)師意見
導(dǎo)師簽字:
年 月 日
審核小組意見
審核小組成員簽字：
年 月 日
11