自动捡网球小车的设计＊

贾远鹏，庄腾飞，周洋睿，褚鸿浩，张艳，陈佩江

自动捡网球小车的设计＊

贾远鹏，庄腾飞，周洋睿，褚鸿浩，张艳，陈佩江

（临沂大学 机械与车辆工程学院，山东 临沂 276002）

为了解决网球场上网球的捡取问题，提高球场的捡球效率，设计了一款自动捡网球小车。分析了网球的捡球原理，在小车上装配有真空泵，利用真空泵产生的吸力，自动捡取区域内散落的网球，并给出了自动捡网球小车的整体设计。

捡球小车；网球；弹性；真空泵

网球作为一种运动深受人们喜爱，这类运动所需要的场地相对较小，户外和室内都能进行，因此在日常生活中，很多人都热衷这类运动。网球具有较好的弹性，在击打的过程中很容易弹飞。打球之前，一般都会准备大量的网球，但结束后往往要将散落在地上的球收集起来[1]。

目前，大都是人工进行捡球，费时费力，为了营造更好的网球运动体验，解决大量网球需要拾取的问题，设计了一款网球自动拾取小车。

1 捡球原理设计与实现

网球材质一般为橡胶，外表层包裹由羊毛和尼龙组成的混合物。由于网球具有体积小、质量轻的结构特点[2]，因此设计捡网球小车时适合选用真空泵作为动力装置。

小型真空泵工作时，在抽气口处会形成真空（负压），如果将一根管道与真空泵的抽气口相接，则在真空泵作用下，管道内外会产生压强差。利用此原理，将微型真空泵和两头都开口的管道连接，构成一个吸球装置，从而完成网球的拾取。

为了能够快速完成对网球的拾取，可减小装置吸球的阻力，从而提高网球拾取的效率，因此可以沿斜面布置拾取球管道[3]。其受力情况如图1所示。

图1 小车受力分析

力学平衡方程如下：

W－sin－cos=0 （1）

式（1）中：w为风作用力；为滚动阻力系数。

则有：

式（2）中：为空气密度；为风速；为空气阻力系数（球体取0.5）；为迎风面积；为摩擦阻力系数。

根据受力分析，真空泵提供的风速应该满足以下2点要求：网球能够顺利地匀速滚上斜面，到达出球口；能够使网球顺利地从出球口落到储球箱中，则可得：

设吸球管道关口的最大面积为max，安全系数为，则选用微型真空泵的空气流量（/min）近似可以表示为：

2 管道结构尺寸设计

吸球管道与水平面的倾角= 37°。为了能够在有限时间内同时对多个网球进行拾取，可以采用敞口设计：最大敞口面积max=150 mm×80 mm，敞口锥角50°。

为了将网球能够拾取到正确的存储球装置中，通过切割管道末端从而形成方形的网球出口，再将出口处连接一个长20 mm的垂直轨道以防网球落下时出现偏差。为了使网球能顺利进入吸球管，可将一块伸出板放置在吸球管的首端处，配合吸球管拾取网球。设计伸出板时，需要考虑其与地面的垂直高度：如果伸出板离地面过近，碰到地面不平等状况会使其与地面发生碰撞，阻碍吸球装置顺畅工作；如果伸出板离地面过远，改变了网球运动轨迹，会影响捡球效率。因此，在设计伸出板时，其最前端离地面的距离设置为3 mm。管道结构如图2所示。

图2 管道结构

3 真空泵的选择

根据本设计所选用真空泵的流量范围，并考虑存在漏气以及网球表面磨损的情况，取安全系数=1.4，m=58 g，= 66 mm，= 37°，max=150×80 mm2。=58 g，g=9.8 N/kg，可计算出真空泵流量的合适范围约为20.16～29.53 m3/min。

本设计选择无刷真空泵的具体参数如表1所示。

表1 无刷真空泵技术参数表

电压/V负载电流/A功率/W流量/（m3/min） 24<1.4<33.628

4 捡球小车的整体设计

自动拾取网球小车由以下几部分构成：车体装置、吸球装置、图像采集装置、存储球装置、电机及其减速箱装置、系统电路装置和发电装置等。

网球小车利用真空泵与吸球管的连接来实现网球自动拾取球。当真空泵工作时，网球由于管内外压强差被吸入到吸球管内，经过球出口时，在网球自身重量作用下，网球会自动掉进储球腔。电机及其减速箱装置带动网球小车后轮，通过系统的控制和前轮万向轮的配合，可实现机器人的前进、左转和右转。自动捡网球小车等轴测视图如图3所示。

图3 小车等轴测视图

5 结论

设计了一款通过真空泵产生的吸力来实现捡球的机械小车，该小车由视觉系统、电机装置、吸球装置和控制板组成。捡球小车能够快速高效地独立完成寻找网球、移动和捡球。这不仅提高了拾取网球的效率，同时也节省了不必要的人力、物力，符合当下各领域产品智能化和自动化的需求。

［1］吕腾飞，陆丽，何炳林，等.智能网球捡球机的研制［J］.电子世界，2013（12）：68-69 .

［2］安丹阳.新型自主式网球检球机器人的构形及关键技术研究［D］.沈阳：东北大学，2008.

［3］令宝.基于嵌入式技术自动捡乒乓球系统的开发设计［J］.自动化与仪器仪表，2016（5）：118-119.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.02.025

2095－6835（2020）02－0076－02

贾远鹏（1998—），男，临沂大学本科生，研究方向为智能汽车。

山东省大学生创新创业训练计划项目（编号：S201910452067）

〔编辑：张思楠〕