作者：劉眾森、王森、王繪東、崔岳震、宋維鑫

單位：山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院

指導(dǎo)老師：潘瑩月、廖希杰

1. 場(chǎng)景調(diào)研

? ? ? 我們小組選擇項(xiàng)目的任務(wù)方向乒乓球的撿取與存放，針對(duì)此問題我們研發(fā)了一款乒乓球自動(dòng)拾取機(jī)器人。眾所周知，乒乓球是一種世界流行的球類體育項(xiàng)目，而我國是乒乓球運(yùn)動(dòng)的大國和強(qiáng)國。但是撿球是一種讓人非常頭疼的事情，乒乓球愛好者在練習(xí)乒乓球時(shí)，往往練得滿地都是（如下圖所示），勞累的運(yùn)動(dòng)員彎腰撿球既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力?，F(xiàn)在的乒乓球直徑40.00毫米，其重量為26～2.8克，比較輕，不太容易撿拾。每當(dāng)要撿起一個(gè)乒乓球的時(shí)候，撿球的人就要彎一次腰，對(duì)于長期從事這項(xiàng)工作的人來說是一個(gè)很大的身體負(fù)擔(dān)。

? ? ? 因此，能夠代替人撿拾乓球的機(jī)器人就有了它的重要性，這種機(jī)器人能夠又好又快地將散落在地上的乒乓球撿起，以便于下一次使用。本自動(dòng)拾取乒乓球機(jī)器人主要應(yīng)用于乒乓球訓(xùn)練場(chǎng)或比賽場(chǎng)上，其主要功能是自動(dòng)拾取乒乓球。盡管這個(gè)機(jī)器人所實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)來說十分簡(jiǎn)單，但是它也可以幫助人類工作，減少乒乓球愛好者的負(fù)擔(dān)，這是服務(wù)機(jī)器人的重要使命，也是我們這個(gè)項(xiàng)目的目的。

2. 整體結(jié)構(gòu)

? ? ? 該機(jī)器人底盤部分主要由鋁板制作，其下方為四個(gè)輪子連接四個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力元件。現(xiàn)有的應(yīng)用在乒乓球場(chǎng)上的機(jī)器人，大多都是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手直接抓取乒乓球，這不但會(huì)使設(shè)計(jì)過程更加繁瑣，而且其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也較為復(fù)雜，制造成本也會(huì)相應(yīng)地增加。我們的乒乓球撿取部分是由鋁板和高彈繩組成，高彈繩的存在大大減少了撿取部分的重量，由一個(gè)舵機(jī)控制其上下運(yùn)動(dòng)。其主要特點(diǎn)是智能化、自動(dòng)化。 機(jī)器人的控制電路簡(jiǎn)單，我們采用Basra主控板（采用 AVR ATMega328 芯片）為主控板，并在此之上加入了Bigfish 擴(kuò)展板，在此之外，我們加入了顏色識(shí)別模塊（TCS3200) 和超聲波測(cè)距模塊(HC-SR04)，顏色識(shí)別模塊下方是由一個(gè)小型舵機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以三百六十度無死角的尋找乒乓球，超聲波測(cè)距模塊可以用來躲避障礙，和確定乒乓球的距離，從而確定乒乓球的位置。

3. 創(chuàng)新部分

3.1 結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新

? ? ? 我們的乒乓球拾取機(jī)器人，因?yàn)槠古仪虮砻婀饣?，直徑只?0.00毫米，重量只有2.6～2.8克，比較輕，不太容易撿拾不易有受力點(diǎn)，所以我們沒有采用傳統(tǒng)機(jī)械臂來抓取乒乓球，而是用舵機(jī)控制一個(gè)底部和四周纏有高彈繩的框子上下運(yùn)動(dòng)，來撿取乒乓球。因?yàn)楦邚椑K質(zhì)量輕便，因此機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)比較輕便小巧，不占地方，運(yùn)動(dòng)起來較為輕松。我們還在其后方用鋁板拼接了一個(gè)屏風(fēng)（如下圖所示）以此來做負(fù)載，可以避免其前方太重，導(dǎo)致其重心不穩(wěn)，優(yōu)化了其頭重腳輕的特點(diǎn)，并使其看著更加美觀，使其結(jié)構(gòu)看著沒有這么單一。?

3.2 功能上的創(chuàng)新

? ? ? 我們的機(jī)器人撿取機(jī)構(gòu)的籃子的底部面積相較于機(jī)械手的作用面積更大，從而增強(qiáng)撿取的成功率，而且在散落乒乓球相距較近的情況下，可以實(shí)現(xiàn)一次撿取數(shù)個(gè)乒乓球。并且此機(jī)器人的撿取機(jī)構(gòu)和乒乓球的存放機(jī)構(gòu)為同一部分，相對(duì)簡(jiǎn)化了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，也減輕了其重量，使其工作更加輕松，使其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。如下圖所示，并且這個(gè)籃子可以同時(shí)存放數(shù)個(gè)乒乓球，適當(dāng)改良后，增大其容積?？梢酝瑫r(shí)存放更多的乒乓球。

3.3 取材上的創(chuàng)新

? ? ? 此乒乓球自動(dòng)拾取機(jī)器人采用探索者系列基礎(chǔ)零件，零件的種類相對(duì)較少，費(fèi)用較低，功能較為齊全，倘若批量生產(chǎn)并銷售，可以極大地節(jié)約成本，其簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)也使得其后期維修簡(jiǎn)單且維修成本較低。

4. 制作難點(diǎn)及其解決方案

? ? ? ① 項(xiàng)目初期，我們的機(jī)器人撿取部分是完全由鋁板搭建，只有底部采取高彈繩，這就導(dǎo)致了前半部分重量太大，給舵機(jī)的工作帶來太大的負(fù)擔(dān)，并且使其頭重腳輕。然后我們經(jīng)過了多次嘗試，多次拆解，我們將撿取部分的四周完全換成了高彈繩。由于乒乓球的質(zhì)量十分輕便，所以這么做對(duì)機(jī)器人的整體工作并沒有產(chǎn)生任何影響，從而大大減小了撿取部分的質(zhì)量，減輕了舵機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，增長了其使用壽命。

? ? ? ② 開始的時(shí)候，我們的機(jī)器人撿取部分的框子設(shè)計(jì)的并沒有這么大，我們的初衷也是減輕其撿取部分的質(zhì)量，但是這導(dǎo)致了撿取成功的幾率并不高，而且在撿取的時(shí)候其效果并沒有達(dá)到我們想要的效果，所以我們后期更換了撿取部分的框子，使其底面工作面積大大增加，并且可以達(dá)到同時(shí)最多撿四個(gè)球的效果，并且改良后的框子撿球的成功率非常高。

5. 作品的可改進(jìn)部分

? ? ? ① 首先可以為機(jī)器人添加外殼，使其看起來更美觀，也讓其線路不外漏，增加其使用壽命，也變相減少其后期維修成本。

? ? ? ② 其次可以將其撿取部分的骨架結(jié)構(gòu)換為塑料材質(zhì)，使其質(zhì)量相對(duì)更輕，也使其更美觀，批量生產(chǎn)也可以相對(duì)降低成本。

? ? ? ③ 最后可是適量加大加深撿取機(jī)構(gòu)的框子，使其容量增加，可是一次性容納更多的乒乓球，避免頻繁的去處理已經(jīng)撿到的球，并為其增加一個(gè)蓋子，可以確保其在接近飽和狀態(tài)時(shí)，乒乓球不溢出。

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