羽毛球自动收集装筒一体机设计 [PDF全文]
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(秋霞影院 机械与能源工程学院,杭州 310023)

专业的羽毛球运动员使用专用的羽毛球发球机配合训练,但需要花费大量的时间去整理地面上的羽毛球。对此,设计了一种可自主行走捡球的装置,包括捡球、球头调整、装筒等机构,并以外型引导与羽毛球分段装筒实现了羽毛球朝向的调整与装筒。基于Inventor软件对装置的零件进行设计分析,验证了装置内零部件的强度满足在整个运行工作过程中所需的机械强度,这表明该装置的设计合理可行。

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Design of badminton automatic collection and loading integrated machine
XU Aiqun, GU Ziliang, WANG Renyuan, YU Jie
(School of Mechanical and Energy Engineering, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, Zhejiang, China)

Professional badminton players use the specialized badminton pitching machine to cooperate with the training, but it takes a lot of time to clean up the badmintons scattered on the ground. Accordingly, a device capable of walking and picking up the ball autonomously was designed, including the mechanism of picking up the ball, adjusting the ball head, loading the tube and so on, and facilitating the adjustment of badminton's orientation and the skillful loading with shape guidance and badminton's segmented loading. Based on Inventor software to design and analyze the parts of the device, the strength of the parts in the device was verified to meet the mechanical strength required in the whole operation process, which shows that the device is reasonable and feasible.

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引言

羽毛球运动在我国有普遍的群众基础,羽毛球爱好者占据了广泛的年龄段以及工人、管理层、教科文员和学生等多个职业[1]。羽毛球运动员训练时会有大量羽毛球散布于训练场的各个角落,收集起来极为不便。通常的办法是人工捡球,工作强度大且效率极低。市面上有针对羽毛球的收集拾取装置,主要有以下几种:一是由自由落体控制朝向的扫入式收集器[2-3],该收集方法简单,但是羽毛球收集后杂乱无章,仍然需要人工将羽毛球装入羽毛球筒,即无法配合羽毛球发球机使用; 二是由轨道控制朝向的扫入式收集器[4-5],该收集方法简单,但是通过轨道控制导致羽毛球的收集效率极低,羽毛球收集后由于没有装筒造成球筒取出非常不便,且无法配合羽毛球发球机使用; 三是机械臂抓取式收集器[6],该收集方法相对准确,但是需要逐个收集羽毛球,收集速度慢,且机械臂结构复杂,生产成本高。

因此,研究设计一款高效的羽毛球收集装置,具有良好的应用前景。我们设计了一种可自主行走并捡球的羽毛球收集装置,在降低捡球者工作强度的同时,还提高了羽毛球运动员的训练效率。该装置结构主要包括自主行走机构、捡球机构、球头调整机构、装筒机构和球筒更替机构等。

1 羽毛球收集器总体设计1.1 主要功能

羽毛球收集器的主要功能如下。1)羽毛球拾取:利用收集扇叶将羽毛球从地面扫入滑道; 2)羽毛球球头朝向调整:利用羽毛球头重尾轻的物理特点和羽毛辐散的外形特点来调整羽毛球球头朝向; 3)羽毛球装筒:利用分装球筒对羽毛球进行二次朝向调整,然后将羽毛球装入标准的羽毛球筒; 4)标准羽毛球筒更替:利用球筒自身重力,配合球筒导向盘完成球筒更替。

1.2 拾取机构1.2.1 结构设计

羽毛球拾取部分由收集扇叶和收集滑道两部分组成,外形设计如图1所示。

收集扇叶结构由一根中心轴作为旋转轴,与齿轮电机相连。旋转轴上固定矩形扇叶以推动羽毛球,为使每批羽毛球有足够时间装筒,旋转轴上安装3片扇叶,扇叶之间的角度为120°。每片扇叶上冲裁出5个矩形孔以减轻扇叶重量。中间轴直径D1为0.050 m,长度L1为0.608 m,扇叶尺寸为0.538 m*0.238 m*0.002 m。外形设计如图2所示。

图1 羽毛球拾取机构<br/>Fig.1 Badminton picking mechanism

图1 羽毛球拾取机构
Fig.1 Badminton picking mechanism

图2 收集扇叶的主视图与左视图<br/>Fig.2 Main and left view of the collecting fan

图2 收集扇叶的主视图与左视图
Fig.2 Main and left view of the collecting fan

收集滑道为适应扫入式收集,假设收集滑道弧面圆心角θ1等于45°,羽毛球被推到顶端时,与羽毛球接触的扇叶处于水平状态,此时羽毛球不会进入下一过程,羽毛球会随着扇叶转动先滚动靠近转轴,等该扇叶转动到装置收集口时重新掉落回地面,所以设计为小于45° 的弧面,收集滑道弧面半径r1为0.250 m,滑道弧面圆心角θ1约为82°,可以使羽毛球被推到滑道顶端后顺利掉入两根橡胶绳中间的空隙,而不会随收集扇叶旋转重新退出装置。增设水平与竖直方向的矩形板将弧形金属板固定在装置底板上。为了调整羽毛球球头朝向,滑道上沿竖直方向开有12个矩形槽,槽宽大于球头直径,小于羽毛球尾端直径,便于让羽毛球头朝下卡入槽内。滑道总宽L2为0.540 m,高H1为0.285 m; 矩形槽宽度L3为0.030 m,外形设计如图3所示。

图3 滑道弧面的主视图与左视图<br/>Fig.3 Main and left view of the slide arc

图3 滑道弧面的主视图与左视图
Fig.3 Main and left view of the slide arc

1.2.2 运行过程

装置在运行时需要检测地面上是否有羽毛球以及避开装置与球之间的障碍物,鉴于羽毛球与高尔夫球颜色、大小上的相似性,装置控制系统参照捡球机器人运动控制系统的设计[7]。当转速传感装置检测到羽毛球,机器人运动控制系统驱动装置靠近羽毛球,同时收集扇叶以转速n1为2 r/min连续旋转,收集滑道底部贴近羽毛球时,收集扇叶将羽毛球推入滑道,实现羽毛球的拾取。

1.3 朝向调整机构1.3.1 结构设计

羽毛球朝向调整部分由收集滑道和水平间隔的橡胶绳两部分组成,外形设计如图4所示。羽毛球进入收集装置后,可分为4种状态,如图5所示。经过滑道槽调整后,1号和4号羽毛球球头未调整为竖直向下,所以设计两条间隔环形绳,间隔距离大于球头直径,小于球尾直径,使羽毛球头受重力朝下而不会掉落。朝向调整后需要将羽毛球运送到分装球筒,故采用滚轮驱动环形绳,环形绳采用橡胶材料以增大摩擦力,使羽毛球能更好地跟随橡胶绳传送。左右两端滚轮中心距a1为0.484 m,滚轮直径D2为0.040 m,橡胶绳间隔L4约为0.050 m,橡胶绳速度v1约为0.075 3 m/s。球头朝向调整方案充分利羽毛球羽毛辐散、头重尾轻的物理特征,以较小的空间与简单的机械结构实现了球头朝向的调整。

图4 羽毛球球筒方向调整机构<br/>Fig.4 Direction adjustment mechanism of badminton ball tube

图4 羽毛球球筒方向调整机构
Fig.4 Direction adjustment mechanism of badminton ball tube

图5 羽毛球头朝向示意<br/>Fig.5 Badminton ball head orientation

图5 羽毛球头朝向示意
Fig.5 Badminton ball head orientation

1.3.2 运行过程

羽毛球经过矩形滑道槽,受重力作用,此时2号与4号羽毛球球头会掉入滑道槽中,羽毛球尾部最大直径D3约为0.066 m,大于滑道槽的宽度L3(0.030 m); 又由于羽毛球头重尾轻,羽毛被滑道槽卡住,球头较重会自动朝下调整。当羽毛球掉入水平间隔的橡胶绳上,以同样的原理调整1号与3号球头朝向,此刻所有羽毛球球头朝向调整为竖直向下。

1.4 装筒机构1.4.1 结构设计

图6 羽毛球装入球筒机构<br/>Fig.6 Badminton loaded into tube mechanism

图6 羽毛球装入球筒机构
Fig.6 Badminton loaded into tube mechanism

羽毛球装筒部分由分装球筒、四杆推球机构和标准羽毛球筒组成,如图6所示。为了标准羽毛球筒的装入与退出,将标准羽毛球筒设置为平躺。设置一个分装球筒将竖直朝下的羽毛球调整为水平朝向,因此需要推球机构将羽毛球推入标准球筒。

标准羽毛球筒内径d4为0.066 m,外径D4为0.070 m,长度L5为0.400 m。由于羽毛球质量小,为了便于通过重力控制分装球筒翻转,需要减轻球筒重量,所以分装球筒壁厚设定0.001 m,内径d5为0.068 m; 4只羽毛球堆叠高度约为0.160 m。分装球筒底距离装置底板约为0.040 m,球筒设计长度L6约为0.127 m。为了便于连杆和滑块深入分装球筒推动羽毛球,分装球筒靠四杆推球机构一侧开有与球筒轴线平行且圆周均布的两个矩形槽,让四杆机构的滑块与连杆能伸入分装球筒。球筒采用ABS塑料,质量m1为216 g,每只羽毛球质量m2为16 g,装满羽毛球质量m3为280 g。

1.4.2 计算分析

图7 分装球筒运动示意<br/>Fig.7 Movement of segmented loading of ball tube

图7 分装球筒运动示意
Fig.7 Movement of segmented loading of ball tube

分装球筒由自身重力控制球筒转动,初始状态球筒轴线与水平线呈65°角,通过Inventor软件对分装球筒进行重心位置分析,调整配重毛刷的内径,改变毛刷质量,使球筒没有装羽毛球时总重心在转轴以下,装入4只羽毛球后重心在转轴以上,最终确定配重毛刷质量为144 g。

初始状态空分装球筒重心位于B点,如图7所示,当装满4只羽毛球时,重心由B点转移到A点,此时重心A点对转动支点的力臂rA=4.606*10-3*sin25°≈1.947*10-3(m),A点所受重力GA=2.80+1.44=4.24(N),则重力转矩MA=GA*rA=4.24*1.947*10-3≈8.255*10-3(N·m)。

分装球筒倒下后重心由A点移到A'点,当羽毛球从分装球筒被推入标准羽毛球筒后,则球筒重心由A'点转移到B'点,B'点对转动支点的力臂rB'=5.294*10-3*sin25°≈2.237*10-3(m),B'点所受重力GB'=2.16+1.44=3.60(N),空分装球筒产生的转矩MB'=GB'*rB'=3.60*2.237*10-3≈8.053*10-3(N·m)。

转动支点运动时的摩擦阻力矩Mf,可计算如下:

Mf=(μPmaxd)/2。(1)

式(1)中:μ为摩擦系数,可取0.001 0~0.001 5; Pmax为负载,W; d为转动副内径,m。

取分装球筒转动支点的内径d6为0.010 m,根据式(1)可得满分装球筒产生的摩擦阻力矩Mf为0.021 2*10-3~0.031 8*10-3 N·m,空分装球筒产生的摩擦阻力矩M'f为0.018 0*10-3~0.027 0*10-3 N·m。由计算分析可知Mf远小于MA,表明满分装球筒可以顺利旋转至平躺位置; M'f远小于MB',表明空分装球筒内的球被推入标准球筒后可以顺利旋转至初始位置,这验证了本设计的合理性。

四杆推球机构设计参考四杆机构演化仪的设计与运动分析[8],推盘行程H2为0.200 m,需要计算曲柄滑块机构中曲柄与连杆长度。该机构偏心距e=0.095 m,则曲柄长度r2与连杆长度l需满足r2+e≤l,取曲柄长度r2=0.060 m,解方程

得l≈0.155(m)。

选用分装球筒和标准羽毛球筒的装筒方案,将原本直立的标准球筒改为平躺,极大减少了装置的体积与高度,可以使装置穿过羽毛球网下而不需要绕路。分装球筒靠近标准羽毛球筒一端安装了一个配重毛刷,羽毛球通过分装球筒必定经过配重毛刷,从而完成对打球过程与收集过程造成的凌乱羽毛的梳理。

1.4.3 运行过程

初始状态下,分装球筒轴线与水平线呈65°左右倾斜,上方筒口对准传送的橡胶绳终端,橡胶绳下方筒口对准标准羽毛球筒筒口。羽毛球自橡胶绳传送至分装球筒上方,并沿球筒内壁掉入分装球筒中,分装球筒内无羽毛球时,重心位于轴线下方,距离转轴5.294*10-3 m,如图8(a)所示; 当第3只羽毛球掉入分装球筒后,重心十分接近转轴,故忽略此时的重心转矩,如图8(b)所示; 当第4只羽毛球掉入分装球筒后,分装球筒重心由转轴下方移动到转轴上方,距离转轴4.606*10-3 m,如图8(c)所示,重力转矩克服摩擦转矩使分装球筒旋转至平躺状态。分装球筒平躺瞬间会碰触底板上的行程开关,推球电机启动,通过四杆机构由推盘将4只羽毛球推入标准羽毛球筒中。

图8 分装球筒状态示意<br/>Fig.8 States of segmented loading of ball tube

图8 分装球筒状态示意
Fig.8 States of segmented loading of ball tube

1.5 球筒更替机构1.5.1 结构设计

球筒更替部分由入筒漏斗、球筒导向盘和标准羽毛球筒组成,如图9所示。入筒漏斗的内腔截面为长方形,同一时间只允许一只标准羽毛球筒进入球筒导向盘。为了方便将空球筒放入装置,漏斗顶端连接装置外壳顶端开口。为保证球筒顺利进入导向盘缺口,漏斗下端圆弧口贴近圆形导向盘,结构尺寸如图 10所示。

图9 羽毛球筒更替机构<br/>Fig.9 Badminton tube replacement mechanism

图9 羽毛球筒更替机构
Fig.9 Badminton tube replacement mechanism

图 10 入筒漏斗<br/>Fig.10 Funnel for holding badminton tubes

图 10 入筒漏斗
Fig.10 Funnel for holding badminton tubes

图 11 球筒导向盘<br/>Fig.11 Badminton tube guide plate

图 11 球筒导向盘
Fig.11 Badminton tube guide plate

为实现以旋转的方式将空球筒载入且将满球筒推出,也为节省材料、减轻重量,导向机构由首尾两片圆形金属板和一根长轴连接而成,2只金属盘上下两侧对称设置有2个与空的标准羽毛球球筒配合使用的弧形缺口。以球筒外圆D4=0.070 m与漏斗出口所在圆内切为临界条件,缺口圆心角θ2≥2arcsin((35)/(90-35))≈78.99°,为使空球筒更顺利装入导向盘,也为避免角度过大导致球筒在开口内晃动,取θ2=84°,只有在槽口对准漏斗出口时空球筒载入,其他时间漏斗出口被导向盘外圆挡住,结构设计如图 11所示。

选用漏斗式的标准球筒装入方案,并以球筒导向盘配合装满球的球筒退出,使其简单有效,且有效利用了装置内部多余的空间。

1.5.2 运行过程

初始状态2只标准羽毛球筒(空球筒)被弧形槽卡住呈上下分布,下方羽毛球筒一端筒口对准分装球筒下开口。四杆推球机构把羽毛球推进标准羽毛球筒中,当行程开关被计数达到3次(即标准羽毛球球筒装满12只羽毛球)时,收集、推球电机暂停工作,球筒更换电机启动,控制球筒导向盘逆时针旋转50°左右,如图 12所示,装满的羽毛球筒被推入球筒收纳盒中。当旋转至140°左右时,如图 13所示,入筒漏斗中的标准羽毛球筒受重力影响滚入弧形槽; 当旋转至180°时,球筒导向盘停止转动,恢复到初始状态。

图 12 装满羽毛球的球筒退出过程<br/>Fig.12 Exit process of badminton tubes filled with badmintons

图 12 装满羽毛球的球筒退出过程
Fig.12 Exit process of badminton tubes filled with badmintons

图 13 空羽毛球筒装入过程<br/>Fig.13 Loading process of empty badminton tubes

图 13 空羽毛球筒装入过程
Fig.13 Loading process of empty badminton tubes

2 基于Inventor软件的零件分析2.1 收集扇叶

收集扇叶是羽毛球收集机构的重要运动零部件,根据机械疲劳的可靠性设计[9],利用Inventor软件对部分零件进行应力分析[10],可验证其合理性。为分析收集扇叶所受的应力情况,首先需求得扇叶轴的负载转矩。收集电机:额定转速n2为750 r/min,功率P1为0.5 kW; 设定收集扇叶转速n1为2 r/min; 得传动比i1约为0.003 1,可求得负载转矩T1=(9 550P1)/(n2)≈1.45*105(N·m)。依据得出的电机转矩对收集扇叶进行应力分析,以防止扇叶轴因扭矩过大而发生变形使装置运行出错。通过分析得出最大应力σ1≈0.16 MPa,远小于铝制扇叶的屈服强度σs1=275 MPa,故满足设计要求。

2.2 扇叶支架

对扇叶支架进行应力分析,收集扇叶质量m4为4.3 kg。扇叶支架需要保证扇叶正常旋转,形变过大将导致收集扇叶的轴触碰到支架内壁而卡住,引起机器故障。收集扇叶的轴与支架内壁的预留间隙为Δ l2=2.0 mm,经Inventor分析可知,支架的最大偏移量x1=0.552 mm,由计算分析可知2x1=1.104 mm<Δ l2,说明支架两侧的偏移量总和小于预留间隙,收集扇叶可以正常运行,满足设计要求。

2.3 曲柄滑块结构

由于曲柄转动速度非常快,约0.8 s就完成一转,同时羽毛球存在毛刷阻力,为保证曲柄正常旋转,对曲柄进行了有限元分析。分析结果可得曲柄所受最大应力σ2为3.76 MPa,小于ABS工程塑料许用应力σs2(24.5 MPa),因此曲柄设计满足强度要求。

3 运行参数分析3.1 各部分运行时间3.1.1 收集扇叶

橡胶绳与收集扇叶通过齿轮传动、链传动联动,为确保羽毛球掉入分装球筒的过程能够顺利进行,单个羽毛球的掉落时间t1≤(D3)/(v2)(D3为羽毛球最大直径,v2为传送速度),通过调节将扇叶转速控制在n1=2 r/min。

3.1.2 橡胶绳传送轮

扇叶转速n1=2 r/min,二级链传动传动比i2为9,得橡胶绳传送轮转速n3=18 r/min; 传送轮半径r3=0.040 m,得橡胶绳线速度v1=2n3r3π≈0.075 4 m/s; 传送轮中心距a1=0.484 m,羽毛球从最远端至分装球筒所需时间t2=(484+40)/(75.39)≈6.95(s)。

3.1.3 从分装球筒收集满到恢复原位

分装球筒倒下与恢复原位各需约0.7 s,设定推球电机转速n4=100 r/min,则分装球筒的运动时间t3≈2.0 s。

3.1.4 标准羽毛球筒更替时间

设定球筒更换电机(步进电机)转速n5=10 r/min,得羽毛球筒更替一次(电机驱动球筒导向盘转动180°)所需时间t4≈3.0 s。

3.2 装置运行时间图绘制

因为羽毛球散落的不确定性,运行循环图按装置原地收集羽毛球为前提条件绘制,暂不考虑装置行走。羽毛球从收集到装筒共需以下5个动作:1)羽毛球由收集扇叶从地面运行到橡胶绳上; 2)传送轮带动橡胶绳将羽毛球传送到分装球筒; 3)分装球筒的倒下与复位; 4)球筒更换电机运行使推盘将羽毛球从分装球筒推入标准羽毛球筒; 5)球筒更换电机运行使球筒导向盘旋转180°,完成装满羽毛球的球筒退出及空羽毛球筒的装入。由于上述第5个动作可以与装置其他动作同时进行,故装置收集羽毛球的时间为上述前4个动作过程消耗时间之和。根据设计的运动参数,绘制装置运行时间图,如图 14所示。

图 14 装置运行循环时间<br/>Fig.14 Device motion cycle time

图 14 装置运行循环时间
Fig.14 Device motion cycle time

3.3 运行效率

图 14可以看出,原地收集羽毛球球筒更换时间与捡球时间重叠,因此在装置最大收集效率下每20 s可收集12只羽毛球,以实际经验及实地测试,同样收集12只羽毛球,人工收集需22 s左右,装置收集羽毛球的效率稍高于人工收集羽毛球的效率。考虑到羽毛球在场地散落分布,分析人与收集装置的捡球装筒过程,人为行走、停下、弯腰、捡球、装筒,收集装置为行走、捡球、装筒同时进行。人与装置在相同的行走速度下,羽毛球收集器的收集效率要明显高于人工收集羽毛球的效率。

4 结 语

本研究通过滑道槽与间隔的橡胶绳,利用羽毛球头重尾轻、羽毛辐散的特点,实现了羽毛球球头朝向调整; 分段式装筒降低了装置高度; 以分装球筒重心变化控制球筒运动,简化了装置结构; 羽毛球在被推出分装球筒时,配重毛刷能完成对羽毛的梳理; 球筒导向盘以限位与旋转的方式控制空球筒载入与满球筒退出,便于人工操作。该羽毛球收集装置集收集、排序、装筒功能为一体,能一定程度上提高羽毛球运动员的训练效率,具有应用价值。

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