浙江科技学院毕业设计
打乒乓球机器人机械系统设计
黄金梭
（机械与汽车工程学院 指导教师：段福斌）
摘要：本篇设计在介绍乒乓球机器人的发展状况以及研制乒乓球机器人的意义后，提出了一个乒乓球机器人的设计方案。根据技术参数的要求，进行了一些重要结构和零部件的设计计算。同时也参考了前人的成功范例，进行次要零部件的设计、制图。整机制造装配完成后，经测试满足人机对打的设计目标。 关键词：机器人 ；乒乓球 ；机械系统
Abstract:In this design, a method of designing the table tennis robot is proposed after we decribe the current situation of the table tennis robot’s development and the meaning of
designing the table tennis robot. The design and calculation of some importmant mechanisms and componants are made according to the requirement of the technical parameter. At the same time, we also study the robots as reference which were already developed succcessfullly by the predecessors to design and draw the subordinate componants. After the manufacturing and the assembling of the whole machine, we test the robot and find that it meet the target of man-machine Ping-Pong playing.
Keywords：Robot；Ping-Pong； Mechanical System
第一章 绪论
1.1 课题背景
作为一门发展迅速的新兴学科，机器视觉识别技术正在越来越多的领域得到了非常广泛的运用。在过去，通常是用人眼对目标进行识别、跟踪和分析。现在，由于视觉识别技术的发展，可以用摄像机和计算机代替人眼实现生产更高程度的自动化。随着电子计算机科学，图像处理技术，模式识别技术与理论的迅速发展，机器视觉的实际研究与应用价值正日益得到重视，并不断在许多领域取得骄人的成果。如物流系统运用视觉识别技术对货物进行自动识别，大大提高了生产效率；机器人配上识别系统，可以在不需要人参与的情况下进行更多过去无法完成的任务等等。可见，对如此重要的视觉识别学科的研究是具有非常大的理论和现实意义的。当然，这种学科的研究必须有一个实验台架，来检验和调试视觉识别系统的视觉识别、轨迹分析和电气控制系统水平高低，这种实验台架就是一台乒乓球机器人。鉴于此，
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本文涉及的主要内容就是设计该乒乓球机器人的执行机构，以便展开对视觉识别系统的研究。
1.2 研究意义
任何学科的发展都与当时的环境和条件紧密相联。打乒乓球机器人系统也是一样，在人
类进入工业社会以后，出于对生存与发展的需要，人们开始尝试使用更先进的设备和技术来处理日常生活中遇到的问题。例如在乒乓球运动训练中，如果打乒乓球机器人的机械系统发展成熟，那么它可以代替教练训练乒乓球运动员，也可以设计出一些高水平的机械系统，进行一些高难度训练等等。总之，如果能研发出更加完善的视觉识别和分析系统，就可以使机器人实现更快更准完成击球任务。这样，它将来就可以代替人类教练员。正是出于此目的，我们设计出了这台实验架，也就是视觉识别和分析系统的执行机构。
1.3 文献综述
机器人的发展可以说是日新月异,机器人技术的进步也是前所未有的,而娱乐机器人的发展那更是层出不穷,乒乓球机器人也可谓是典型的娱乐机器人的一种。机器人乒乓球运动自1983年由John Billiney首次提出倡议后，已在1985~1988年间在欧洲成功举办了四届比赛。在参赛的历届机器人中，我们发现它们的视觉识别和分析系统呈现出越来越成熟的态势。而当今该部分的研究也成了国内外关注的焦点，也是打乒乓球机器人技术的关键。在这样的情况下研制出一台实验架，也就是视觉识别和分析系统的执行机构，来改善视觉识别和分析系统具有重要的意义。接下来将要综述国内外乒乓球机器人的现状。
国外：乒乓球机器人运动最早是由John Billingsley提出的，乒乓球机器人技术在国外也已经发展了二十多年了。比较早的乒乓球机器人的球拍自由度数，如Andersson所提出的是5个自由度，这种机器人就需要五个电动马达。Fumio Miyazaki，Masahiro Takeuchi ，Michiya Matsushima，Takamichi Kusano，Takaaki Hashimoto等人提出，可以通过四个自由度就能完成击打任务，其中两个用于XY平面内的移动，两个用于球拍姿态的控制。日本科学家F. Miyazaki; Y. Masutani; E. Hirose; D. Nakamura; N. Sato在State estimation of a spinning ball using LWR (Locally weighted regression)一文中提出，他们的机器人具有学习能力的机械系统可以预测任何旋转球的飞行轨迹，因此可以与人类进行对打。Yoshirou Hatada; Hiroyuki Miyamot等人在“A ping-pong robot which learn from failure”一文中提到，通过调整球拍的角度和位置就可以顺利地击回来自任何方向的乒乓球。Michiya Matsushima“Takaaki Hashimoto; Masahiro Takeuchi; Fumio Miyazaki在A Learning Approach to Robotic Table Tennis”一文中提出，他们有一种控制机器人的方法，可以让机器人把球击回到一个预定的点，他们的方法同样也可以使机器人根人类对打，并有很好的效果。下面这些图片是国外研制出的部分不同种类的乒乓球机器人：
表1.1 国外机器人
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左边这个机器人的型号是“TTmatic 302 Manual”它是一个带有自动回球器的非常稳定的训练机器人。即使是带有这种简单的电子遥控系统，但它的Ttmatic 结构是非常彻底的牢固，能保证一个连续不断的训练。它还是一个可移动式的机器人。 另外，这个机器人还可以通过一个旋转头系统来逐渐地调整360度的侧旋球. 它附带的容器可以一次装进100个球。每分钟可以发出90以上的球。乒乓球的型号有两种，直径是38和40mm。 这款机器人也是用来做为人类乒乓球训练用的.通过电子遥控板，你可以进行编程以实现各种不同的打球技术。它同样也可以进行连续的训练而不会出现间断。它也能顺利地处理各种旋转球、侧旋球。在遥控板上有十个按钮，一个主要开关，三个带有强旋转/轻旋转的长短球时间控制的控制灯。在回转机构中有起停功能。4米长的遥控系统.它在1分钟内可以发出100个球，一次可容纳100乒乓球。球的标准也是直径为38和40mm的两 种。这种机器人是可折叠的。 日本所研制出来的打乒乓球机器人。这个机器人具有四个自由度既可完成击球任务。 国内：丁敬林 在“Balancing of a inverse pendulum with a ping-pong robot”一文中提出，在联邦技术研究院机器人研究所已经开发出一个可以打乒乓球的机器人，这种机器人带一个视觉系统，它借助于一个图形处理系统可以检测乒乓球的运动，而作者提出了一个可以平衡倒
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