智能發(fā)球機(jī)器人研究與開發(fā)項(xiàng)目申報(bào)書

1、附件：申報(bào)類型：創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)工程啟明學(xué)院自主創(chuàng)新工程申報(bào)表 工程名稱：智能發(fā)球機(jī)器人研究與開發(fā)團(tuán)隊(duì)名稱：華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心工程負(fù)責(zé)人1：何立偉聯(lián)系 ：工程負(fù)責(zé)人2：聯(lián)系 ：申請(qǐng)資助經(jīng)費(fèi)：18000元工程執(zhí)行期:2021年5月1日至2021年5月1日申報(bào)日期：2021年6月4日華中科技大學(xué)啟明學(xué)院制一、 主要信息表申報(bào)工程申報(bào)種類團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新工程學(xué)生類別 本科生涉及學(xué)科專業(yè)一級(jí)機(jī)械二級(jí)機(jī)械制造及其自動(dòng)化一級(jí)信息二級(jí)電子信息與通信工程名稱智能發(fā)球機(jī)器人研究與開發(fā)摘 要不超過200字目前市場(chǎng)上的發(fā)球機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)發(fā)射，不能很好的模擬實(shí)戰(zhàn)情況。利用SolidWorks設(shè)計(jì)仿真并用Ansys分析

2、，設(shè)計(jì)出一種新型的可以實(shí)現(xiàn)快速靈活的移動(dòng)和各種角度的發(fā)射的發(fā)球機(jī)構(gòu)。同時(shí)提出自由的控制方案，可以同時(shí)滿足自動(dòng)人為地控制。無論從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是原理和技術(shù)層面，這都是對(duì)之前存在的發(fā)球解決方案的一次革新。關(guān)鍵字高自由度發(fā)射智能調(diào)控補(bǔ)彈裝置申請(qǐng)金額18000元起止年月2021年2月至2021年2月工程負(fù)責(zé)人1姓名何立偉性別男年齡20工作證號(hào)U202110579團(tuán)隊(duì)華中科技大學(xué)電工電子科技創(chuàng)新中心院系機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院電子信箱h 工程負(fù)責(zé)人2姓名性別年齡工作證號(hào)班級(jí)團(tuán)隊(duì)院系電子信箱 工程指導(dǎo)教師姓 名職 稱院系團(tuán)隊(duì)郵 箱電 話尹仕高級(jí)工程師電子電工科技創(chuàng)新基地1326411371qq 主要參加人員姓名學(xué)號(hào)

3、院系主要任務(wù)何立偉U202110579機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建模仿真裝配張靈鈺U202114281光學(xué)與電子信息學(xué)院電路硬件設(shè)計(jì)制作以及軟件的編寫指導(dǎo)教師意見本工程具有很高的實(shí)用性，和創(chuàng)新性。工程組具備足夠強(qiáng)的研發(fā)能力，工程組所在團(tuán)隊(duì)有足夠強(qiáng)的硬件和場(chǎng)地資源。工程具備足夠的可行性，同意其申報(bào)。負(fù)責(zé)人簽字： 尹仕 2021年 6 月 4 日申報(bào)單位意見負(fù)責(zé)人簽字單位公章： 年 月 日經(jīng)費(fèi)預(yù)算經(jīng)費(fèi)投入萬(wàn)元經(jīng)費(fèi)支出預(yù)算萬(wàn)元科目預(yù)算科目預(yù)算支出理由及計(jì)算依據(jù)工程撥付資金1.5一、人員費(fèi)0.1人員工作產(chǎn)生相關(guān)費(fèi)用單位自籌資金0.5二、管理費(fèi)其他三、公雜費(fèi)1.郵電、通訊費(fèi)0.1批思網(wǎng)籌建、網(wǎng)絡(luò)使

4、用費(fèi)用，各子工程通訊費(fèi)2.差旅費(fèi)0.2各子工程調(diào)研、外出參賽差旅費(fèi)用3.其他公雜費(fèi)0.2用于與其他團(tuán)隊(duì)技術(shù)交流四、業(yè)務(wù)費(fèi)1.會(huì)議費(fèi)2.測(cè)試、化驗(yàn)費(fèi)0.3嵌入式等工程測(cè)試費(fèi)用3.野外考察及觀測(cè)費(fèi)4.出版物/文獻(xiàn)/信息傳播費(fèi)0.1各子工程論文版面費(fèi)、資料印刷費(fèi)等五、材料標(biāo)本購(gòu)置費(fèi)1.0機(jī)械零件加工，工具購(gòu)置，電機(jī)選型購(gòu)置六、其它費(fèi)用各類雜支投入合計(jì)2.0支出合計(jì)2.0我保證以上所填內(nèi)容完全屬實(shí)，假設(shè)有虛假，本人將負(fù)全部責(zé)任。申請(qǐng)人簽字： 何立偉 .一、 工程背景與意義球類運(yùn)動(dòng)因?yàn)槭求w力和技術(shù)的結(jié)合，在全世界范圍內(nèi)廣受歡迎，目前市場(chǎng)上存在的各種發(fā)球機(jī)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。綜合分析后發(fā)現(xiàn)：這些發(fā)球機(jī)由于自身

5、結(jié)構(gòu)的限制，都不能完全實(shí)行自動(dòng)控制，某些功能的實(shí)現(xiàn)需要手動(dòng)調(diào)節(jié); 同時(shí)，發(fā)球模式單一，不能真正地模擬真人發(fā)球。而文中的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了形態(tài)完全不同，具有可以靈活移動(dòng)，發(fā)球動(dòng)作具有高自由度和高可控性的發(fā)球機(jī)器人。這種機(jī)器人可以完成的動(dòng)作較之傳統(tǒng)發(fā)球機(jī)器有非常大的提升，根本上可以實(shí)現(xiàn)任何位置和任何方向各種力度的發(fā)射，使用者甚至可以通過控制其運(yùn)動(dòng)而模擬一場(chǎng)真實(shí)的比賽。這種發(fā)球機(jī)構(gòu)是不僅僅可以滿足初學(xué)者的訓(xùn)練要求，對(duì)進(jìn)階練習(xí)也有很大幫助。節(jié)省了陪練的人力，提升了整個(gè)訓(xùn)練過程的智能化和趣味化。二、 國(guó)內(nèi)外概況自動(dòng)發(fā)球機(jī)是很多球館和球友家庭的必備娛樂和訓(xùn)練工具。自動(dòng)發(fā)球機(jī)適用于社會(huì)、學(xué)校、家庭、專業(yè)訓(xùn)練場(chǎng)

6、館使用。發(fā)球機(jī)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(xùn)練。現(xiàn)在已存的發(fā)球機(jī)的問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：l 只能實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)發(fā)球，無法很好的模擬實(shí)戰(zhàn)；l 操作上無法人為調(diào)整，套路固定死板；l 較為復(fù)雜的發(fā)球機(jī)器人造價(jià)過高，靈活性機(jī)動(dòng)性不夠，原理復(fù)雜；l 功能過于簡(jiǎn)單，趣味性缺乏。目前市場(chǎng)上存在的發(fā)球機(jī)有以下幾種：A. 標(biāo)準(zhǔn)型圖 1 標(biāo)準(zhǔn)型發(fā)球機(jī)B. 機(jī)器人型圖 2 仿人型發(fā)球機(jī)三、 研究?jī)?nèi)容一個(gè)球的發(fā)射過程大概可以描述如下：一定數(shù)量的球放置在儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)中，當(dāng)需要發(fā)射時(shí)供彈機(jī)構(gòu)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，用一個(gè)物流機(jī)構(gòu)將球一個(gè)一個(gè)有序的送至發(fā)射機(jī)構(gòu)處，通過發(fā)射機(jī)構(gòu)為球提供足夠的初速度，將球發(fā)射出去。同時(shí)應(yīng)該滿

7、足可以通過控制實(shí)現(xiàn)球的不同速度射出，球發(fā)射的俯仰角度和水平角度也需要有一定的調(diào)節(jié)范圍。對(duì)于供彈裝置的功能要實(shí)現(xiàn)可以一個(gè)一個(gè)地送彈或者連續(xù)的送彈，對(duì)于進(jìn)彈的速度也要求在一定的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。綜合以上描述本課題研究的主要內(nèi)容包括：底部運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與制作；供彈機(jī)構(gòu)的開發(fā)與制作；發(fā)射機(jī)構(gòu)的研究與制作；整體硬件電路的制作和算法編程。(1) 底部運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)與制作底部運(yùn)動(dòng)部件需要實(shí)現(xiàn)可以適應(yīng)各種場(chǎng)地靈活快速向各個(gè)方向移動(dòng)，且保證振動(dòng)不大。對(duì)于現(xiàn)存的移動(dòng)方式做一定的選擇排除使用仿人行走方式而使用類似車的運(yùn)動(dòng)方式。因?yàn)閷?shí)際使用時(shí)不能為其提供轉(zhuǎn)彎的空間，所以所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)需要具備各種方向移動(dòng)的功能，故排除類似

8、于汽車所用的輪子轉(zhuǎn)向帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器人變向的方式。最終考慮采用萬(wàn)向輪或者買克拉姆輪來設(shè)計(jì)移動(dòng)部件?？紤]到整機(jī)的重量和連續(xù)地運(yùn)動(dòng)帶來變速時(shí)的硬沖擊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅，必須在底部運(yùn)動(dòng)裝置配套設(shè)計(jì)減震裝置，以減小沖擊，同時(shí)保證在各種地形下四個(gè)輪子均著地。 (2) 供彈機(jī)構(gòu)的開發(fā)與制作供彈裝置是一種物流機(jī)構(gòu)，包括儲(chǔ)球機(jī)構(gòu)和送彈機(jī)構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)在盡可能小的空間內(nèi)完成球的運(yùn)送和儲(chǔ)存，并且可以人為地調(diào)控送球的速度。1綜合以上特點(diǎn)，送彈機(jī)構(gòu)決定設(shè)計(jì)成電機(jī)帶動(dòng)撥桿旋轉(zhuǎn)類型的送彈方式。在方案驗(yàn)證過程中我們發(fā)現(xiàn)供彈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到發(fā)球有一個(gè)比較長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間，這實(shí)際使用時(shí)會(huì)帶來比較大的影響。所以在考慮采用兩層的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)

9、計(jì)一個(gè)底層以縮短球的補(bǔ)給機(jī)構(gòu)到發(fā)射機(jī)構(gòu)的距離，同時(shí)保存上層以完成多個(gè)球的存儲(chǔ)和有序進(jìn)入。 (3) 發(fā)射機(jī)構(gòu)的研究與制作目前存在的發(fā)球機(jī)器的發(fā)射機(jī)構(gòu)已經(jīng)非常成熟，但針對(duì)我們更高的需求，我們決定從以下幾點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。首先選擇更大的摩擦輪膠圈，這樣可以使出球速度和力度到達(dá)更高的水平，可以滿足高水平使用者的需求。也更好的模仿了真實(shí)比賽環(huán)境。為發(fā)射機(jī)構(gòu)增加了俯仰軸和水平軸，這樣可以在發(fā)射處發(fā)出不同角度的球，同樣實(shí)現(xiàn)了增大訓(xùn)練過程的難度，提高實(shí)戰(zhàn)仿真度的要求。四、 創(chuàng)新點(diǎn)本課題的特色和創(chuàng)新之處有如下幾個(gè)方面：(1) 在發(fā)射裝置上添加了可以讓它迅速移動(dòng)的部件，使發(fā)射過程更貼近實(shí)戰(zhàn)。(2) 發(fā)射過程可以由另外一

10、個(gè)人操控，也可以有使用者自由編程，可以實(shí)現(xiàn)類似比賽的流程。(3) 實(shí)現(xiàn)了自由變換俯仰角多水平角的發(fā)射。五、 研究方案5.1 研究方法本課題的主要研究目標(biāo)是針對(duì)目前發(fā)球機(jī)構(gòu)存在的問題和我們實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出一套在外形和原理上都革新的發(fā)球機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)過程中融入了原有的發(fā)射元素，并提出改進(jìn)，在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上和供彈機(jī)構(gòu)上完全實(shí)現(xiàn)全新設(shè)計(jì)。在研究方法上采用理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合、并且相互促進(jìn)的方法。通過研究提出新的設(shè)計(jì)方案，然后在計(jì)算機(jī)上建模序?qū)崿F(xiàn)這些新的思想方法來驗(yàn)證它們的有效性；反過來，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些新方法的缺陷和缺乏，這又將促使我們?nèi)ニ伎己透倪M(jìn)這些新的理論方法，從而完善或提出更加有效

11、的思想方法。5.2 技術(shù)路線為了實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)構(gòu)目標(biāo)，我們對(duì)各種可能運(yùn)用到的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析篩選排除，并對(duì)需要自行設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理的分析，論證設(shè)計(jì)，針對(duì)課題相關(guān)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，擬采用如下技術(shù)路線:(1) 摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)和云臺(tái)控制角度機(jī)構(gòu)利用兩個(gè)或兩個(gè)以上互相壓緊的輪子間的摩擦力傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械傳動(dòng)。摩擦輪傳動(dòng)可分為定傳動(dòng)比傳動(dòng)和變傳動(dòng)比傳動(dòng)兩類。傳動(dòng)比根本固定的定傳動(dòng)比摩擦輪傳動(dòng)摩擦輪傳動(dòng)，又分為圓柱平摩擦輪傳動(dòng)、圓柱槽摩擦輪傳動(dòng)和圓錐摩擦輪傳動(dòng) 3種型式。前兩種型式用于兩平行軸之間的傳動(dòng)，后一種型式用于兩交叉軸之間的傳動(dòng)。工作時(shí)，摩擦輪之間必須有足夠的壓緊力，以免產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，損壞摩擦輪，影響正常

12、傳動(dòng)。在相同徑向壓力的條件下，槽摩擦輪傳動(dòng)可以產(chǎn)生較大的摩擦力,比平摩擦輪具有較高的傳動(dòng)能力,但槽輪易于磨損。變傳動(dòng)比摩擦輪傳動(dòng)易實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，并具有較大的調(diào)速幅度。機(jī)械無級(jí)變速器多采用這種傳動(dòng)。在圖2中,主動(dòng)輪按箭頭方向移動(dòng)時(shí)，從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速便連續(xù)地變化，當(dāng)主動(dòng)輪移過從動(dòng)輪軸線時(shí)從動(dòng)輪就反向回轉(zhuǎn)。摩擦輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比調(diào)節(jié)方便、過載時(shí)能產(chǎn)生打滑而防止損壞裝置，但傳動(dòng)比不準(zhǔn)確、效率低、磨損大，而且通常軸上受力大，所以主要用于傳遞動(dòng)力不大或需要無級(jí)調(diào)速的情況。相比于其他發(fā)射機(jī)構(gòu)摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要表達(dá)在一下幾個(gè)方面：首先摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)可以很方便地

13、實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射，而不必等待系統(tǒng)恢復(fù)發(fā)射狀態(tài)；摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)體積小，能很好的和供彈機(jī)構(gòu)融合為一體；摩擦輪發(fā)射機(jī)構(gòu)加速簡(jiǎn)單可以方便地將球的速度加到非常大的一個(gè)范圍；摩擦輪電機(jī)發(fā)射對(duì)原有機(jī)構(gòu)沖擊較小，利用兩個(gè)摩擦輪電機(jī)同時(shí)工作，平衡了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(2) 麥克拉姆輪和三角懸掛系統(tǒng)的底板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一局部的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多

14、小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能?；邴溈思{姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。在此根底上研制的全方位叉車及全方位運(yùn)輸平臺(tái)非常適合轉(zhuǎn)運(yùn)空間有限、作業(yè)通道狹窄的艦船環(huán)境,在提高艦船保障效率、增加艦船空間利用率以及降低人力本錢方面具有明顯的效果。為了到達(dá)保護(hù)機(jī)器，同時(shí)使機(jī)器人的四個(gè)輪子同時(shí)著地，增加了一個(gè)懸掛系統(tǒng)。不同于垂直布置的懸掛系統(tǒng)，我們采

15、用了三角形布置，這樣不僅僅可以實(shí)現(xiàn)豎直方向的減震，也可以平衡水平向的震動(dòng)，而且三角形的形式可以很好地提高穩(wěn)定性。(3)雙層旋轉(zhuǎn)撥盤的供彈機(jī)構(gòu)由于送料機(jī)構(gòu)的特殊性，并沒有可以參考借鑒的實(shí)際例子供我們選擇，因此我們自己設(shè)計(jì)了一種新型的供彈機(jī)構(gòu)。為了減小進(jìn)球機(jī)構(gòu)運(yùn)行和球發(fā)射出來的時(shí)間差，我們?cè)谙聦硬捎昧藞A盤撥動(dòng)的形式，這樣有效的減小了進(jìn)球機(jī)構(gòu)出口和發(fā)射機(jī)構(gòu)著力點(diǎn)的距離，減小了等待時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)球有序的進(jìn)入，我們又設(shè)計(jì)了進(jìn)球機(jī)構(gòu)的上層設(shè)計(jì)。3球在六根柱子中旋轉(zhuǎn)，到下球口時(shí)落下。這兩層功能相結(jié)合，可以完美地實(shí)現(xiàn)有序快速進(jìn)球發(fā)球的功能。六、 現(xiàn)有工作根底和條件工程負(fù)責(zé)人根本情況:工程申請(qǐng)人所在的團(tuán)隊(duì)自成立

16、以來一直從事各種電類機(jī)械類的新型設(shè)備的研究開發(fā)工作，積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。近幾年來，電子電工科技創(chuàng)新中心課題組在智能化機(jī)器人的研究進(jìn)行了大量的探索，提出了一系列成熟的解決方案，取得了很大的進(jìn)展。在很多比賽中取得了優(yōu)異的成績(jī)，同時(shí)也培養(yǎng)了一批精于智能機(jī)器人設(shè)計(jì)的成員。機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是本課題的關(guān)鍵，本課題組有大量的機(jī)械方面的導(dǎo)師和研究生，提供大量的技術(shù)支持。本團(tuán)隊(duì)和學(xué)校其他相關(guān)團(tuán)隊(duì)保持密切合作，如3d團(tuán)隊(duì)，robocon團(tuán)隊(duì)，可以為我們提供技術(shù)支持和相關(guān)信息。工程組成員根本情況:工程組成員來自學(xué)校的各個(gè)學(xué)院，有機(jī)械類的也有電子類的。在學(xué)科知識(shí)上形成互補(bǔ)合作。所有成員均參加過省級(jí)以上的比賽，擁有豐富的智

17、能機(jī)器人制作的經(jīng)驗(yàn)。工程組成員和眾多的導(dǎo)師和各種實(shí)驗(yàn)室的學(xué)長(zhǎng)保持了密切的聯(lián)系，可以方便的得到相關(guān)的支持和引導(dǎo)?，F(xiàn)有軟硬件環(huán)境，實(shí)驗(yàn)環(huán)境等:電子電工科技創(chuàng)新中心在啟明學(xué)院擁有非常大的課題研究用場(chǎng)地。同時(shí)為了這個(gè)工程又申請(qǐng)了更多的場(chǎng)地。電工基地同時(shí)也擁有足夠的硬件實(shí)力，可以提供完備的硬件支持。電工基地和校外研究機(jī)構(gòu)也保持著密切的聯(lián)系，可以獲得其資金和技術(shù)上的大力支持。課題組與校外優(yōu)質(zhì)加工廠保持著良好的關(guān)系，可以迅速加工出高質(zhì)量產(chǎn)品。七、 預(yù)期成果(1) 研究制造出可以靈活快速移動(dòng)的底板機(jī)構(gòu)，多角度的發(fā)射機(jī)構(gòu)，和有序流暢的進(jìn)球機(jī)構(gòu)；(2) 在相關(guān)比賽中獲得國(guó)家級(jí)的成績(jī)；八、 工作進(jìn)度安排時(shí)間階段安排2021.5.1-2021.7.1完成機(jī)構(gòu)的建模論證仿真20217.1-2021.10.1各個(gè)機(jī)構(gòu)的原理實(shí)現(xiàn)，反響2021.10.1-2021.1.1針對(duì)之前的問題進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)試2021.1.1-2021.5.1整體組裝調(diào)試，問題反響，小范圍調(diào)整九、 參考文獻(xiàn)1 ?上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)? 2005年01期 ?基于DPAM-F的機(jī)電一體化系統(tǒng)廣義