《辅助投篮机器人设计》9500字（论文）

第1章绪论1.1研究背景随着工业4.0时代的发展，机器人技术在生活的方方面面影响着我们。中国在2020年1至12月份，共制造了23.7万台工业机器人，较上年同期增长19.1%，创造了中国单年工业机器人的单年生记录，中国制造“智造”将由中国制造向中国的转型，其作用日益凸显[1]。截止到2019年末，中国共收到了162485项与机器人有关的专利，在全世界公布的机器人专利总数中，超过了日本，美国，韩国和德国[2]。从机器人产业来看，服务业和金融业都是重点发展的产业。此外，物流、医疗、教育娱乐和商业服务机器人领域也在迅速发展[3]。机器人的发展已经给各行各业带来深入的变革，我们国家亟需在机械、电子、控制、计算机等领域有深入研究的人才。从2016年起，国家相关部门陆续出台了人工智能、编程等相关政策，鼓励和扶持高校把计算机技术列入日常教学，并将其列入了高考的一项可选科目中。除了校园内大力鼓励，此外，还举办了各类机器人竞赛和技术交流活动，使广大民众特别是青少年学生对机器人的认识和热爱，并将现代科技知识传授给他们，从而为国家的机器人事业提供更多的优质人才。同时，机器人竞赛及技术交流活动，对推动和促进机器人及自动化技术的发展和创新，为国家的可持续发展做出了积极的贡献[4]。投篮机器人比赛最早于2009年从中国台湾省发起，比赛要求投篮机器人有独立的行为决策、运动控制与视觉感知等能力，竞赛旨在通过识别、抓球、机器人导航、定位、避障等动作来促进机器人技术的交流和发展，并促进学生的创造力。随着时间的推移，参加赛项的队伍不断增加，后续有印尼、日本、新加坡等队伍参加，并采用国际赛的规则，推进了该比赛的国际化。自2012年开始，该赛事被并入中国机器人大赛（CHINAROBOTCOMPETITION）中，作为子赛项举办，吸引了上海交通大学、西北工业大学、厦门大学、重庆大学、上海大学等十几所国内高校的队伍参加。1.2研究目的及意义投篮机器人是以机器人完成自主找球、抓球、传球以及投球等一系列行为为目标的特种机器人，从形式上有娱乐作用，从内涵上有科技教育作用。投篮机器人的研究分为机械设计、电气控制、软件编程等三方面，是跨学科研究的产物。目前机器人的发展火热、研究方向众多，包括机器人的视觉识别与跟踪、运动控制、定位导航等方向都备受关注。通过对投篮机器人的研究，可以将相关行业的理论技术应用于实物上，促进理论的落地；同时在后续设计和竞赛中，通过队伍之间的交流推进理论的发展，为机器人在工业、国防、以及教育行业的发展打下基础。我相信随着人们的生活水平的持续不断的提高，人们在日常生活中也会需要越来越多的智能化、专业化的体育设备来代替以往耗费人力的运动，这当中全世界都在打的篮球无疑会是最重要的一部分。而大数据、互联网、5G、人工智能也将更加深度的与之融合，这是未来的一大必然趋势，当紧随这一趋势时我们设计、制造出来的产品获得成功的概率将会大幅增加。此款辅助投篮机器人正是在这一大趋势之下应运而生，其也必定将为市场产品的更新与推广提供理论依据与实践基础，为大众生活的多姿多彩贡献一份力量。投篮机器人的研究也可以应用于教育和娱乐行业。目前各大高校都在开设机器人专业，将机器人的研究与教学相结合，可以推动机器人学和人工智能研究的深入发展，也和国家的十四五规划相契合。同时随着社会文娱行业的发展，机器人娱乐也更加的普及，篮球运动在我国深受喜爱，投篮机器人的推广可以将娱乐和科技相结合，是很好的科教推广、寓教于乐以及文娱发展的途径。1.3国内外发展现状投篮掷机器人是一种特殊的机器人，它可以识别、抓取篮球、进行投篮等行为。国内外有不少高校和研究机构对投篮机器人进行了研究。日本的Toyota公司于2019年推出AI投篮机器人Cue3，它的高度为6英尺10英寸，该机器人的身体上布置了一组传感器用来测量其与篮筐的距离并调整角度与力度，使用可转动的手臂和膝盖完成投篮动作。Cue3根据内嵌的高速摄像机采集的三维立体图像来定位篮球框的具体位置，并依据传感器收集到的信息来调节胳膊肘和膝关节的幅度，投球时的精确度由手指头来操纵，进而让它可以精确投篮动作。运用人工智能技术，Cue3进行了二十多万次的投篮训练，并在练习中不断改进。在测试中Cue3可以在180分钟内持续投进1000个球。Toyota公司后来又对机器人进行了改进，推出了Cue4[5]。Cue4具有由15个关节和23个电机轴组成的碳纤维框架，使用小型电机替换原电源线，并且在人型脚掌下方安装了轮子，经过改进Cue4可以单手自主取球，自主移动，并具有摇摆中修复投篮角度的能力。图1.1Toyota公司的Cue3（左）和Cue4（右）美国的投篮机器人设计样式繁多，竞争激烈。AmberMatthew设计了机器人RoboDoves，一个箱体机器人，利用齿轮传动投篮。StephanPierre-Louis设计了机器人RoboShot，该机器人可以完成投篮、罚球、三分球和半场投篮。由GreenMachine团队制作的投射机器人Zeke，底盘使用3D打印的滚筒用以平滑滑动，采用轮式可张合的集球器抓取球，使用鱼叉弹力管完成篮球的弹射。图1.2美国的机器RoboDoves（左）、RoboShot（中）、Zeke（右）意大利的Comau公司制作了Racer7-1.4机器人实现了抓球和投篮。图1.3的机器人使用机器视觉完成篮球的识别，规划最短的抓球路径。夹具的材质轻且硬，使用伺服电机控制机械臂转动，可以在2.7秒完成一个三分球投篮。图1.3Comau公司的Racer7-1.4机器人和日本、美国、意大利相比，我们国家的投篮机器人起步较晚，但依托机器人竞赛平台，各大高校都积极参与到制作投篮机器人的队伍中来。辅助投篮机器人的设计方法很多。比如方雁峰通过对辅助投篮机器人倾斜角度的调节控制实现辅助投篮机器人的直立，通过加速度传感器及陀螺仪分别得到平衡机器人两个轮子的线速率和转向角速率，为了实现两轮自平衡机器人可以相对的静止和直立行走，可以同时将转速控制信号与平衡控制信号叠加到两个轮子的电机上，再次，该两轮平衡机器人主要通过摄像头进行拍摄，将采集到的图像信息传给单片机处理后，将处理结果反馈给两轮子，实现两轮自平衡机器人的车体方向控制，但是利用摄像头采集控制方向较为复杂，而且分析运算量大。杜文浩建立了一套比较完备的双轮式自平衡机械手的数学模型，并对其与随动平衡进行了研究。在此基础上，对两轮自平衡状态进行了分析，并对其进行了理论模拟。该结果对软件控制器的设计和算法中的参数进行了调整，选用STM32F7的高性能控制器作为一种单眼视觉系统，建立了一个比较完善的、适用于该系统的硬件系统，并对其进行了软件控制。重庆大学的投篮机器人基于Windows平台下的C++进行开发，使用stm32单片机进行驱动控制，使用OpenCV实现机器人视觉识别球，球的弹射则是使用气缸气动弹射。西北工业大学的投篮机器人使用钢材和碳纤维结构。机器人使用了神经网络对篮球排球检测，识别速度快。使用全向轮底盘，ROS系统控制底盘的运动，弹射使用了气动装置。厦门大学的投篮机器人使用了三模块设计，两侧为气缸及部分电路，抓球装置在机器人中部，使用可收缩的杆，极具创新性。机器人的控制使用全向轮，同时配备了激光雷达测距和摄像头图像采集，机器人的移速较快。而上海大学的投篮机器人经历了迭代更新。第2章总体方案设计及参数确认2.1总体方案设计2.1.1工作原理辅助投篮机器人，是通过视觉信号判断接球人手上是否有球，当系统判断接球人处于无球状态下，通过计算于接球人的距离，通过机械臂将篮球传给接球人，同时，可以根据驱动电机让机器人进行移动，在最合适的位置进行传球动作。2.1.2辅助投篮机器人总体设计辅助投篮机器人的本体结构组成如图2-1所示，一共5自由度，每个自由度都有一个驱动元件进行驱动控制。图2-1机器人示意图介绍了辅助投篮机器人的各个部分的构成及作用。基本组件：底由底座、万向轮、马达驱动轮等组成。机座的功能是支承和旋转大臂零件，承担整个机械臂的所有重量和工作负荷，因此，机座必须具有足够的强度、刚度和承载能力。此外，它还需要能够进行转向和稳定性，保证在工作中的篮球机器人能够平稳的工作。辅助投篮机器人的胳膊典型地包括用于控制臂移动的零件，例如油缸，汽缸，齿轮齿条机构，连杆机构，螺旋机构和凸轮机构等，它们与诸如液压、气压或马达之类的驱动力源配合，以完成手臂的不同动作。副投手机器人的胳膊主要包括两个部分：大臂部分和前臂部分。大臂件：由大臂、齿轮、驱动马达组成。小臂零件：由前臂、传动轴、同步传动带等组成，用于在臂的一端上固定用于驱动腕部动作的步进电机。手腕零件：手腕外壳，传动齿轮，传动轴，机械接口等。2.2辅助投篮机器人的参数确定辅助投篮机器人的总体尺寸，辅助投篮机器人躯体为下底100cm,上底为120cm高为220cm。本设计共有四个轮子，分别是两个驱动轮和两个万向轮，（1）大臂长度加底座的高度约1500mm，小臂的长度约800mm，大臂小臂转动范围为，旋动速度为6r/min。（2）腕部和末端执行器重量约为15kg，篮球的重量约为600-650g，接球时工件对末端执行器的作用力为100N，执行器能够承受的最大负载为300N。最上方的模拟干扰手为弹簧选择原长为30cm,劲度系数较小，因为劲度系数越小，弹簧进行单位长度的形变量所需要的力越小，本设计的弹簧是为了能够使上方干扰臂以一定加速度运动，因此不需要太大劲度系数的力。弹簧的强度系数与我们在制作弹簧时所设定的弹簧尺寸和材质有很大关系，较大的弹性体可以减少弹簧的圈数和密度，而在较低的工作环境下，弹簧的强度系数也会随之增大。因此本设计弹簧的选择应该是长度为30cm，外径为6cm左右，圈数为6圈，弹簧丝直径为6mm的低碳钢作为设计弹簧的材质，以此用来保证弹簧的弹性。2.3本章小结本章主要确定以及选择设计的总体方向和各部分零部件的尺寸，通过选择外部材料和内部零部件，使设计有了整体的规划，将大致框架确定好后接下来能够确定其他零部件的设计进行计算校核。第3章其他零部件的设计3.1万向轮的选择本设计底部共有四个轮子，前面两个为电机驱动轮，后面两个为万向轮也就是所谓的活动脚轮，它可以进行三百六十度的旋转。万向轮的主要目的是提供支撑，在机器进行转向等指令时能够让机器变得平稳。图3-1万向轮3.2电机驱动轮的设计这种机器人在运行时不可避免地会遇到各种各样的阻力，这些阻力包括滚动阻力，空气阻力，加速度阻力等，而这些力统统都由驱动力来克服。图3-2驱动轮3.2.1计算滚动阻力式（3-1）上述式子中是该机器人的轮子与篮球场表面的滚动摩擦阻力，是轮子与轴承之间的阻力。式（3-2）上面式子中，P表示的是轮子和地面间的压力及整个机器人的整体重量，辅助投篮机器人的总体重量为60kg，则,d为车轮轴直径，设计数值为，D为车轮直径，在该设计中，Q为轮子所受的载荷，而为摩擦因数通常为0.5代入式子中：3.2.2空气阻力的计算空气阻力是当机器人开始运动时由于和周围的空气产生了相对位移从而形成的作用在躯干部位的阻力，而影响空气阻力大小的原因有很多，比如外部环境的影响风，风的大小会影响所受空气阻力的大小；还与机器人的体积大小以及所用材料的材质有关，当所用的材质比较光滑时，受到的阻力相对会比较小；当运动时速度的大小也会影响所受阻力的大小。本设计的运动速度较低，工作环境中风的影响不会太大，而且整体的设计为圆台状光滑表面，因此所受的空阻力会十分小可以忽略不计，则3.2.3加速度阻力下面为计算公式：在机器人的加速过程中，它必须克服自己的体重所带来的惯性力，也就是它的加速度。式（3-3）式子中m为本设计满载时的重量，而为旋转惯量换算系数，它的值经过查表可得为1.06，则为机器人加速时加速度的最大值,代入可得3.2.4电机功率的估算电机驱动功率的公式：式（3-4）本设计中为双驱动轮结构，因此n=2,为电机的工作效率，是最大速度，代入公式3.3弹簧装置支架设计机器人的躯干部位为厚度5mm的硬质塑料所组成的掏空台体，中间被一块硬质钢板分隔，钢板中央掏出一个小孔，为了能够让杆能通过钢板与上方弹簧装置连接，钢板中心设计一个卡槽用来加固弹簧。图3-3支架结构上图为弹簧装置的支架结构，它的下面为长度100mm宽度50mm的钢板，它的作用是当弹簧受到挤压变形后，整个支架会向下产生一段位移，在钢板下方有电磁装置，通电后产生磁场可以将钢板吸住。钢板的上方为焊接的杆，它的作用是连接上方钢板与下方钢板，长度为400mm，杆上半部位板的上方连接有两个模拟人体手臂的橡胶手进行投篮干扰。3.4电磁装置的设计本设计需要电磁装置用来产生磁场使弹簧机构产生作用，其工作原理为通电螺线圈产生磁场，其三维图如图3-4所示图3-4电磁装置3.5装配设计3.5.1机器人装配图图3-5机器人装配图3.5.2大臂结构设计大臂结构如图3-5所示。图3-5机器人大臂结构3.5.3大臂轴的设计图3-6大臂轴的结构尺寸简图3.5.4小臂的结构设计小臂结构设计如图3-7所示。图3-7小臂结构图3.5.5腕部的结构设计腕部结构如图3-8所示。图3-8腕部结构图轴的结构尺寸如图3-9所示。图3-9腕部轴结构尺寸简图3.6本章小结这一章重点介绍了其它关键部件的设计和计算，包括万向轮和传动轮，对其进行三维建模的绘制，对于驱动轮进行了电机的计算选择，其次对于弹簧支架以及弹射装置，完成了设计和三维模型，并完成了整个零件的组装，一个大体上较为完整的辅助投篮机器人设计便设计出来。第4章驱动轮零件4.1电机的选择本设计选用型号电机，其额定输出功率为300W，其图如图4-1所示图4-1伺服电机4.2联轴器的设计由于的价格比45钢贵，在考虑经济的方面上本设计的联轴器采用45钢的材质，它能够大大降低设计的成本，图如4-2所示图4-2联轴器4.3驱动轮支架设计驱动轮支架的作用是连接轮子与机器人底座，能够保证在电机带动轮子转动时，机器能够平稳移动，材质同样选择为45钢，如图4-3所示图4-3轮架4.4驱动轮设计本设计驱动轮外圈为软橡胶材质，其优点为不仅能够减少使用时的噪音，而且相比硬质橡胶能够更加贴合运动场地的使用，如图4-4所示图4-4驱动轮4.5驱动轮总装图将联轴器与支架联结之后，安装上驱动轮，整体如图4-5所示。图4-5驱动轮4.6本章小结本章主要对驱动轮的各部分零件进行了介绍和设计，我先将驱动轮的轮架设计出来，然后将电机与轮架进行装配，接着将电机的转动轴与驱动轮进行配合，最后一个完整的驱动轮便应运而生了。第5章辅助投篮机器人控制系统设计5.1电源电路如下图所示，我们需要将最开始的电压通过传导最后变成的电压作为此单片机工作电源电路的提供源。开始时电压通过传导经过有着三个引脚的三端稳压器型，它后面的表示将电压稳定为，电压接着通过图中3的线路传导致线性稳压芯片，它可将的电压稳定为的电压给单片机提供电源。本设计所选择的两款单片机都是进行正电压输出的三端稳压电路，它们的连接方式比较简单，容易操作而且成本非常低，对于我们来说是一个非常不错的选择。图5-1稳压芯片接下来我们选择的是开关电源芯片，本发明属于一种用于降低功率管理的单片集成电路的电压调节器，上述通过稳压传导将稳定成的电压的最主要的最主要目的就是为了给它提供电源。系列的工作模式分为正常功耗与低功耗两种模式，它的输出电压分为、、、等，其最大输出电压为。此系列的的控制器适用于简单的高频率变为低频率的变换器、正极和负极互相转换的变换器。根据它的输出电压大小又细致的划分为、、、等。控制芯片不仅能够简化我们对于电路设计时的步骤，同时还节约了设计时的所需要的成本，它的低功耗模式可以增加其使用寿命并且可以外部控制，仅仅通过几个外围元件就可实现控制的目的。图5-2LM2596电源芯片上图所示中，有两个滤波电容和,从左边进入芯片第一个是输入滤波电容，当电压由于电流或其他因素影响产生突变时，他能抑制住这种电压的突变，并且在控制器需要电流导通的时候能够提供电流，保证其能够正常工作。整个芯片中有一个二极管,当开关关闭时，电流停止传导，此时二极管可以为电感L提供电流。最右边则是输出滤波电容，当整个环路通电时，它能够为整个环路提供稳定电压。5.2主控芯片系列单片机是一款性价比高、功能强大具有八位精简指令集的微控制器。该系列的微型控制单元具有许多实用的功能，由于它的flash存储器能够进行多次程序的编写，这让使用者能够更加方便的使用这款单片机。它拥有两个不同的数据储存器，和，可进行普通数据的存储，而它可以用于存储序列数据、校准数据等。它的仿真功能包括一个多信道位转换器和双比较器的功能。本产品具有多个定时模块，可供用户定时、脉冲产生及产生带来非常大的方便。它的内部安装有完整的和功能，这个特性的最大优势在于它可以为用户提供一个界面，方便用户与外部的硬件进行通讯。内部的保护功能，如监视器定时器，低电压复位，低电压探测，再加上优秀的抗干扰和保护性能，当该微控制器在比较恶劣的环境下比如受到外界严重电磁干扰的情况下依旧能够正常工作。该微控制器提供了诸多的功能选项，它的内部还构建了完整实用系统振荡器，不需要其他的外围元器件。由于其能够在不同的工作状态之间进行稳定的动态转换，能够减少功耗，并且优化了单片机的操作。再加上时基功能、灵活的I/0

使用等诸多其他的优秀特性，使得该微控制器应用广泛，例如量测仪表、工业控制、各种小型家电、医疗健康器材、电机控制等方面。其引脚图如下图所示图5-3HT66F60A单片机5.3蓝牙模块本设计采用蓝牙通信模块,蓝牙通信模块为一款自主开发的无线数据传输产品，使用它时能耗较低，占用空间位置很小，而且价格便宜灵敏性非常高，受到外界干扰的能力很强，是现如今蓝牙数据传输领域智能化的性价比非常高的产品。图5-4BLK-MD-BC04-B蓝牙模块5.4主程序模块完成了超声波传感器数据的采集和判断，电机的控制；串口传输等功能。在系统的初始化操作中，将采集到的蓝牙数据进行数据处理最后向单片机发送串口数据。图5-5主程序模块运行第6章结语本毕业设计根据现实生活中的实际需求与痛点，在现如今科技水平迅速发展的生活里为人们能够更好地生活设计出新型机器，实现了产品的一次性能飞跃。此辅助投篮机器人具有智能化的特点，在没有人帮助自己进行高强度对抗投篮训练时用来辅助自己进行投篮练习，大大促进了投篮训练的智能化，也推动者体育方面的设计发明向着智能化与标准化方向发展。本文针对目前对于投篮训练的智能化问题，查阅了国内外工作机器人方面的哪些文献，目前比较热门的投篮机器人都是利用机械臂进行篮球的抛射，在本毕业设计过程中，先后进行了控制装置，弹簧装置，电磁装置以及传动装置的设计，通过查阅相关资料与计算相关数据，分析了现如今与其工作原理相似的机器，并向老师进行了专业方面的请教，最终相对完整的设计出了这款辅助投篮机器人。辅助投篮机器人的底座部件包括底座、万向轮、电机驱动轮等。机座作用是支撑部件，支承和转动大臂部件，承受关节机械手的全部重量和工作载荷，所以机座应有足够的强度、刚度和承载能力。另外机座还要求可以进行转向及稳定，保障篮球机器人工作时的稳定运行。辅助投篮机器人的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。与此同时，本设计底部共有四个轮子，前面两个为电机驱动轮，后面两个为万向轮也就是所谓的活动脚轮，它可以进行三百六十度的旋转。万向轮的主要目的是提供支撑，在机器进行转向等指令时能够让机器变得平稳。本毕业设计作为一款全新的辅助投篮机器人产品自身肯定依旧有着很多的不足。而面对许许多多暂时还没有暴露出来的问题，我们应该积极应对，并不断地根据当下的前沿科技进行设计的调整，时刻保持其先进性