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乒乓球捡球器的设计原理一、引言乒乓球捡球器是一种自动化设备，用于在乒乓球比赛中捡取球。
它能够提高比赛效率，减少人工捡球的时间和精力。
本文将详细介绍乒乓球捡球器的设计原理，包括机械结构、电力驱动、控制系统、传感器技术和人工智能技术等方面。
二、机械结构乒乓球捡球器的机械结构主要由捡球机构和移动机构组成。
捡球机构采用旋转式设计，通过电机驱动旋转，将乒乓球捡起并放入收集箱。
移动机构采用轮式设计，通过电机驱动轮子，实现捡球器的移动和定位。
同时，机械结构还需要考虑球的大小和形状等因素，以确保捡球器的准确性和稳定性。
三、电力驱动乒乓球捡球器的电力驱动主要采用直流电机驱动。
直流电机具有调速性能好、控制精度高等优点，能够满足捡球器对速度和精度的要求。
同时，直流电机还具有体积小、重量轻等优点，能够降低捡球器的整体重量和体积。
四、控制系统乒乓球捡球器的控制系统主要采用单片机或PLC等控制芯片实现。
控制系统需要实现以下功能：1.电机控制：通过控制电机的速度和方向，实现捡球器的移动和旋转。
2.传感器信号处理：通过传感器检测乒乓球的位置和数量等信息，并将信息传递给控制系统进行处理。
3.人工智能算法实现：通过人工智能算法实现对乒乓球的识别和预测，提高捡球的准确性和效率。
五、传感器技术乒乓球捡球器采用传感器技术进行检测和识别。
主要包括以下几种传感器：1.超声波传感器：通过发射超声波并接收反射波来判断乒乓球的位置和距离等信息。
2.红外线传感器：通过检测乒乓球的红外辐射来判断其位置和存在等信息。
3.摄像头传感器：通过拍摄图片或视频等方式来识别乒乓球的数量和颜色等信息。
六、人工智能技术乒乓球捡球器采用人工智能技术进行识别和预测。
主要包括以下几种技术：1.图像识别技术：通过训练神经网络等算法实现对乒乓球的识别和分类。
2.机器学习技术：通过训练数据模型来提高对乒乓球的识别和预测能力。
3.深度学习技术：通过建立深度神经网络模型来实现对乒乓球的更准确识别和预测。
自动乒乓捡球机的研究与制作作者：***来源：《科学大众·小诺贝尔》2021年第02期一、研究背景我从小学一年级开始练习乒乓球，在乒乓球训练过程中，乒乓球会散落一地，每次训练一段时间，就不得不从地上一个一个将其捡起。
如果乒乓球落在宽敞的地方还好，可滚到犄角旮旯捡起来就很费劲，有时还需要钻到球桌底下去捡，费时费力。
我曾到深圳宝安体校、南头小学、榕讯俱乐部的球馆，向教练以及学员询问他们捡球的方式与他们认为存在的问题。
教练说，为了不让队员疲惫，有时会替队员捡球;正在训练的同学说，打球训练累，捡球也很累，如果能有自动捡球机就好了。
目前，球館通常的捡球方法有3种：一种是弯腰用手在地上捡;一种是用简易捡球网;还有一种是用捡球器，要手拿着一次次戳地面上的乒乓球，让乒乓球弹到网里。
这些捡球方法都很耗时耗力，而且对角落里的球都很无奈。
所以，我想做一套简单、实用的自动乒乓捡球机，节省体力的同时，提高捡球速度，提升训练效率。
二、研究思路和方法有一天，妈妈用吸尘器打扫卫生，灰尘、杂物被“呼呼”吸入。
看到此，我突然想能不能利用吸尘器的原理制作一款自动乒乓捡球机呢？为此，我在网上了解了吸尘器的工作原理：吸尘器电机高速旋转，从吸入口吸入空气，使尘箱产生一定的真空，灰尘通过地刷、接管、手柄、软管、主吸管进入尘箱中的滤尘袋内。
根据这个原理，我想出利用家里闲置的吸尘器主机，给捡球器用来吸球用。
把闲置的纯净水空桶当成集球器，再制作一根适合乒乓球尺寸的吸管，做出自动捡球机，把乒乓球吸到桶里。
我把这个想法告诉了老师，老师鼓励说我成功的可能性很大。
三、研究与制作过程（一）参观实验室，学习焊接及连接知识我跟爸爸一起到深圳市窄间隙焊接技术工程实验室，跟郑勇智工程师学习了解了不同材料的焊接方法。
（二）制作准备1.主要部件的选择与制作（1）吸球主机的选择我首先向专业的导购人员了解了吸尘器的参数与结构。
最后，我决定利用家里闲置的吸尘器主机充当吸球主机，变废为宝。
图１ 三视图／模型结构电机驱动板叶轮电机麦克纳姆轮收纳装置电机电源移动终端蓝牙模块Arduino控制板图２ 系统设计２ 乒乓球机器人结构设计2.1 运动基体设计第一，车轮选取。
普通车轮在人们的日常生活中应用广泛，但其运动方式单一，无法实现多种运动的组合，且灵活度不高。
基于麦克纳姆轮技术的全方位移动载体可以实现前进、横行、斜行、旋转以及组合等多种运动方式，大大提高了机器人的灵活度。
第二，运动原理。
麦克纳姆轮在实际运用中需要保证相同纹路的车轮在同一对角线上。
车轮主要由一个中心轮和多个轮轴构成。
中心轮的作用是产生向前和向后的力，多轮轴则是产生一个垂直于车轮的力。
基于两个力的合力与其他车轮的合力，能够驱使运动基体具有全方位移动的能力。
第三，受力分析。
麦克纳姆轮在转动过程中会产生两个相互垂直的力，每个类型的车轮在不同的旋转方向会产生两个不同的相互垂直力。
车轮受力分析如图3、图4所示。
第四，移动设计。
车轮特有的运动方向组合会使载体形成一种全新的运动方式。
旋转、直行、横行和斜行等基本运动方式如图5、图6、图7和图8所示。
第五，电机结构设计。
直流减速编码电机具有转速快、扭力大、传动精度高、体积小、噪音低和耗能低等特点，有利于机器人的快速移动。
结合麦克纳姆轮，将会使机器人更加灵活，运动方式更加多样。
运动电机布局机构如图9所示。
2.2 球体导流设计电机：A2212无刷电机的优点在于可连续长时间工作、转速极高和使用寿命长等。
作用：无刷电机的转轮能够产生高速气流，吸引乒乓球。
电调：电调采用XDRC 新西达图３ 车轮前进受力分析图４ 车轮后退受力分析 图５ 旋转受力分析 图６ 直行受力分析 图７ 横行受力分析 图８ 斜行受力分析左前轮电机左后轮电机无刷电机电源右前轮电机连接杆电机右后轮电机图９ 机器人行走载体布局结构XXD HW30A 30A 无刷电调，供电方式为9 V 直流电锂电池供电。
原理：根据“伯努力原理”[4]，即： 212p v gh C ρρ++= （1）其中，p 为流体中某点的压强，v 为流体在该点的流速，图１１ 连接杆受力分析３ 控制系统程序设计Android端控制程序设计Android程序的主要作用是通过可视化界面发送操作指令，当软件启动时，与设备端通过蓝牙建立连接。
知识技能设计大赛--乒乓球拾取机器人设计By高二（14）班吴俊琨乒乓球拾取机器人一，总体方案设计：由于要使用乒乓球拾取机器人的场所多为乒乓球赛场，而赛场一般比较宽敞，且地面平整，而且乒乓球形状规则，体重轻，为了设计小巧简便的乒乓球拾取机器人，首先要选择合适的机械臂的运动形式。
我选择圆柱坐标型机械臂。
它所占空间较小，工作范围较大，动作比较灵活，且结构相对简单。
另外，乒乓球在比赛场分布散乱，需要乒乓球能够识别乒乓球的位置，然后运动到合适的位置，然后拾起，然后放到合适的位置，为了提高效率，乒乓球机器人自身带一个装球篮，这样机器人可以拾取多个球后再运到合适位置，由操作人员把乒乓球放到合适的位置。
综上机器人的总体方案图如下二，驱动形式：乒乓球体拾取机器人拾取的对象乒乓球体重轻，所以机器人的转动，提升以及机器人的行走可以使用电动机带动，不仅响应快，环保，而且结构简单。
并且液压驱动可能会有液压油泄露，给比赛场地带来污染。
对于小臂的伸缩，也可以使用齿轮齿条，小臂结构小，使用齿轮齿条会使制作更不方便，而用气动可以很方便的解决。
最后，机器人的手部，由于拾取的乒乓球形状规则，体重轻，可以使用吸盘式的机械手，这时采用气动可以方便的实现吸盘的动作，并且气动响应快，可以提高效率。
综上机器人的腰部转动是通过电动机带动齿轮的转动，肩关节的上下移动是通过电动机转动啮合齿条来实现的，小臂的伸缩是通过气动来实现的，手部对乒乓球的拾起，放下是通过启动来实现的。
下面分析一下机器人的行走装置的驱动方式：乒乓球拾取机器人是轮式行走装置，为了实现拾取整个场地的乒乓球，转弯是必须的，所以我采用的行走形式是：两个后轮驱动，一个前轮导向。
其结构如下图对于后轮，电机带动齿轮1转动，齿轮1再带动齿轮2转动，齿轮2带动主轴转动，带动锥齿轮的转动使两后轮转动，机器人行走对于前轮，电机带动带轮的转动，使得前轮转向，实现机器人的转向。
三．机器手臂对于直角坐标型机器臂，这种机器臂臂部由三个相互正交的移动副组成。
内容摘要机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手的积极作用正日益为人们所认识，其一，它能部分地代替人的劳动并能达到生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送。
因为，它能大大地改善工人的劳动条件，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。
因此，受到各先进单位的重视并投入了大量的人力物力加以研究和应用。
尤其在高温、高压、粉尘、噪声的场合，应用得更为广泛。
在我国，近代几年来也有较快的发展，并取得一定的成果，受到各工业部门的重视。
在生产过程中，经常要对流水线上的产品进行分捡，本课题拟开发物料搬运机械手，采用的德国西门子S7-200系列PLC，对机械手的上下、左右以及抓取运动进行控制。
用于分捡大小球的机械装置。
我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
关键词：机械手；PLC；大小球目录第1章引言 (1)1.1.系统的功能 (1)1.2.大小球分拣的设计思想 (2)第2章PLC应用系统设计基础知识 (2)2.1PLC控制系统设计的原则和内容 (2)2.2PLC的选型 (2)2.2.1性能与任务相适应 (2)2.2.2PLC的处理速度应满足时实控制的要求 (3)2.2.3PLC应用系统结构合理、机型系列应统一 (3)第3章PLC在大小球的分拣系统中的设计 (4)3.1大小球分拣系统的结构 (4)3.2I/O编址及工作框图 (4)3.3机械手分拣球控制系统的接线图 (5)第4章机械手分拣大小球系统的PLC程序 (6)4.1机械手分捡大小球控制程序工作框图 (6)4.2机械手分拣大小球控制程序的梯形图(见附录1) (7)4.3机械手分拣大小球控制程序的指令(见附录2) (7)总结 (8)设计总结 (9)谢辞 (10)附录1.梯形图 (11)附录2.指令程序 (19)参考文献 (28)第1章引言1.1.系统的功能机械手分拣大小球的控制功能要求为：1)机械臂起始位置在原点，为左限、上限并有显示。
32机器人小车课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握机器人小车的基本组成和原理，理解其工作方式；2. 培养学生运用编程控制机器人小车的基本技能，了解相关传感器的作用；3. 使学生了解机器人小车在现实生活中的应用，拓展知识视野。
技能目标：1. 培养学生动手操作和团队协作能力，能独立完成机器人小车的组装和调试；2. 提高学生编程解决问题的能力，学会运用控制算法优化机器人小车的运动；3. 培养学生创新思维和问题解决能力，能针对特定任务设计合适的机器人小车方案。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对机器人技术的兴趣，激发探究未知世界的热情；2. 培养学生积极合作、共同探究的精神，养成团队协作的良好习惯；3. 增强学生的科技意识，认识到科技创新对国家和社会发展的重要性。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在让学生在掌握机器人小车相关知识的基础上，提高实践操作和创新能力，培养团队协作和科技意识，为我国培养具有创新精神和实践能力的科技人才奠定基础。
通过本课程的学习，学生将能够具备以下具体学习成果：1. 知识掌握：能够阐述机器人小车的组成、原理和应用；2. 技能操作：能够独立完成机器人小车的组装、调试和编程；3. 问题解决：能够针对实际问题设计合适的机器人小车方案，并进行优化；4. 情感态度：表现出对机器人技术的兴趣，积极参与团队协作，具备良好的科技意识。
二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 机器人小车基础知识：- 机器人小车的基本组成与原理；- 常用传感器及其作用；- 控制系统简介。
2. 机器人小车组装与调试：- 组装机器人小车；- 调试传感器和控制模块；- 故障排查与解决。
3. 编程控制与算法优化：- 编程基础与控制语句；- 机器人小车运动控制；- 算法优化与调试。
4. 机器人小车应用与创新：- 机器人小车在生活中的应用案例；- 创新设计思维与方法；- 团队合作与任务实现。
乒乓球是中国的国球。
无论是运动赛场还是日常生活中，乒乓球运动都十分流行。
经过调查和研究，运动人员捡球的过程消耗一定的体力和时间。
同时，在日常的休闲中也会存在初学者将球打得四处飞溅、老年人打球时不方便捡球等问题。
市场上存在的大多数是安装在乒乓球桌上的网格收球装置，针对地面上的乒乓球依然束手无策，也不利于在社区进行推广。
调查发现，有些智能捡球机器人的设备比较繁琐，价格比较昂贵。
为了更好地解决这些问题，同时也为了让运动人员以及广大爱好者可以专心投入训练，得到充分的健身锻炼，设计了智能捡球机。
该设计本着智能便携、方便廉价为宗旨，采用红外传感的方法实现智能捡球和判定乒乓球数量的功能[1]。
目前，市场上很少有具体易操作的相似设计，所以本设计具有很好的发展 前景。
1 总体的方案和设计智能捡球机由电源、主控装置、搜寻模块、机械抓取模块、回收模块、避障模块及无线通信模块组成，结构如图1所示。
基金项目：2019年天津市大学生创新创业训练计划项目（201910066047）。
（天津职业技术师范大学，天津 300222）摘 要：针对乒乓球运动人群运动时存在捡球费时费力的问题，设计并完成了以STM32F103单片机（嵌入式单片机）为控制核心的智能捡球机。
它利用红外线模块检测的方式确定乒乓球的具体位置，通过机械抓取装置实现抓球操作，能在一定的时间将乒乓球放入指定的位置，最终实现自动捡球的功能。
同时，使用超声波元件进行避障处理，有效避免机器与运动员、墙壁、桌子发生碰撞，有效节省运动人员的时间和精力。
关键词：智能捡球 嵌入式 红外识别 避障处理图1 智能捡球机的层次结构图单片机STM32F103（嵌入式单片机）作为核心控制处理器，负责总体的控制和计算。
机器开启后，搜索检测模块会实时搜查目标物。
在搜索范围中没有检测到乒乓球时，该设计会向前行进一段距离，然后继续搜索乒乓球。
一旦检测到乒乓球，处理器会收集该信息来控制抓取装置进行抓取，而搜索的最大范围即是抓取装置的可抓取范围。
Harbin Institute of Technology课程设计论文课程名称：自动控制元件及线路设计题目：捡乒乓球机器人小车的设计院系：航天学院控制科学与工程系班级：1304105班设计者：杨明阳1130410501徐云飞1130410502姚晨蔚1130410516指导教师：马广程设计时间：2016年3-5月捡乒乓球机器人小车摘要：随着科学技术的日益发展，越来越多的科技被应用在了生活的方方面面。
当然也包括运动赛场上，帮助选手以及裁判解决一部分的麻烦，使得比赛进行的更加流畅。
这里为解决乒乓球比赛上乒乓球的捡取问题，设计了一种以单片机作为主控制器的自动捡球机器人。
该捡球机器人采用风扇产生的吸力来实现捡球；利用超声波传感器实现对乒乓球的自动识别；通过红外传感器监测周围环境，实现自动避障。
本系统会在裁判对每一个球做出判决后开始工作，先按照预定路线绕场地前进，同时在行进过程中利用传感器寻找掉落的小球。
当找到目标并确认后，改变预定路线转而向目标前进，最终捡起乒乓球，之后再回到原点。
完成捡球功能，保证比赛的连续性。
关键词：捡乒乓球机器人超声波传感器红外传感器过程控制目录1.功能设计----------------------------------------------------------42.系统的性能指标和技术要求------------------------------------------43.背景及意义--------------------------------------------------------44.系统的总体结构与设计方案------------------------------------------5 4.1 预定路线前进---------------------------------------------------6 4.2 目标寻找-------------------------------------------------------7 4.3 捡起目标乒乓球-------------------------------------------------9 4.4 判断乒乓球是否捡起---------------------------------------------9 4.5 绕开障碍-------------------------------------------------------94.6 返回原点------------------------------------------------------105.执行元件---------------------------------------------------------10 5.1 行进电机的选择------------------------------------------------10 5.1.1 直流伺服电机结构-------------------------------------------10 5.1.2 直流伺服电机驱动原理---------------------------------------11 5.1.3 直流伺服电机的分类及特点-----------------------------------11 5.1.4 指标的计算和直流伺服电机的选择-----------------------------12 5.1.5 直流伺服电机调速-------------------------------------------15 5.1.5.1 直流伺服电机调速原理------------------------------------15 5.1.5.2 直流速度控制方式----------------------------------------15 5.2 捡球装置的选择------------------------------------------------22 5.2.1 捡球原理级实现---------------------------------------------235.2.2 吸球管设计-------------------------------------------------246.测量元件---------------------------------------------------------26 6.1 测速传感器的选取----------------------------------------------26 6.1.1 三种传感器的对比分析---------------------------------------26 6.1.2 对光电编码器的论证分析和选取-------------------------------28 6.2 位置和避障传感器的选取----------------------------------------34 6.2.1 常用传感器及特点-------------------------------------------34 6.2.2 根据超声传感器实现定位和物体识别---------------------------36 6.2.3 根据红外感器实现障碍躲避-----------------------------------41 6.3 根据红外传感器实现捡球信号的反馈------------------------------44 6.4 传感器设计中的缺陷及可改进的地方------------------------------45 6.4.1 传感器设计中的缺陷-----------------------------------------456.4.2 传感器设计中可改进的部分-----------------------------------457.单片机-----------------------------------------------------------46 7.1 常用单片机----------------------------------------------------46 7.2 单片机选型----------------------------------------------------477.3 所选单片机特点及可行性----------------------------------------478.系统硬件清单-----------------------------------------------------489.自评-------------------------------------------------------------489.1 优点----------------------------------------------------------489.2 缺点以及不足--------------------------------------------------4910.分工------------------------------------------------------------4911.心得体会--------------------------------------------------------50 参考文献-----------------------------------------------------------50一、功能设计1.裁判做出判决后自行定位乒乓球掉落位置2.迅速移动至掉落乒乓球所在位置3.捡起乒乓球，并回到起点4.行进过程中躲避场地选手以及其他人员或障碍5.利用尺寸确认目标乒乓球二、系统的性能指标和技术要求1.机器人移动至乒乓球顶点位置精度±3cm2.机器人移动速度≤2 m/s3.紧急刹车时间≤0.3s4.总捡球时间≤21s5.判断乒乓球是否捡起6.能够辨认出乒乓球和障碍物三、背景及意义随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。
在这其中，服务机器人作为一个重要分支，在国内外研究领域已经得到普遍重视。
服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援、监护等工作。
文中所述的捡乒乓球机器人，正是一种应用于乒乓球体育赛事的自主式移动的服务机器人。
在乒乓球室里，由于比赛时，每打完一个球就必须要求有人转身去捡掉落的乒乓球。
如果由选手来捡球，将会压缩选手短暂的暂歇时间，影响比赛连续性、流畅性。
因此，如果能有一种捡球机器人应用于乒乓球赛场上里，且能迅速找到球的位置并能够实现自动捡球的功能，将可以帮助选手减轻比赛压力（尤其在比较焦灼的对抗中）。
目前已有的乒乓球捡球机器人种类较少，且捡球动作的实现主要是通过机械手等机械装置来捡球。
这些捡球装置多因为机械机构的限制，对于位于墙角处和藏于障碍物之间的乒乓球不能有效捡取，因而只适用于障碍物较少且远离墙壁的乒乓球的捡取。
四、系统的总体结构与设计方案对外部环境的分析：（1）乒乓球乒乓球的质量在2.7克左右一般比赛用球为黄、白色球。
所选用的材质为塑料。
（2）比赛场地场地示意图如下：图4-a 场地尺寸示意图本系统主要由测量元件、执行元件、功率放大元件、主控电路、调节装置构成。
整体系统由六个功能环节组成，分别为按预定路线巡逻、检测乒乓球位置、到达乒乓球位置、捡起乒乓球、回到原点以及期间规避障碍。
图4-b 驱动电机位置示意图每个过程均有其独立的闭环或开环控制子系统，其流程如下：4.1 预定路线前进此模块属于开环系统，将固定的前进方向控制信号储存在控制器内，若无目标寻找中断或者障碍中断，驱动电机和方向控制电机将一直执行，最后返回原点。
因为系统检测自身位置成本较大（至少需要增加传感器，如果没有参照信号源需要通过大量计算来得出当前位置，会占用较多的CPU），另外巡逻过程中只要传感器的监控范围能足够覆盖球场，可以无视小车前进过程中的干扰误差，而控制信号结束后，若没有到达原点，则可以执行返回原点的闭环控制。
实现此功能，是将控制小车的两个驱动电机按固定路线、以设定速度跑完全程时电机所需的控制信号和时间的函数编写出来（例如图4.1.2），储存到单片机内，当执行此功能时，只要调取储存的控制信号并输出即可。
（图4.1.2仅供参考，事实上控制信号为数字信号，由于函数编写过程太过复杂，此处略过。
