全自主中型足球機器人踢球機構的製作方法

2023-06-01 20:49:21 1

專利名稱：全自主中型足球機器人踢球機構的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於全自主中型足球機器人，涉及一種全自主中型足球機器人踢球機 構，是一種能使球能沿任意平面空間角度射出的踢球機構。
背景技術：
在全自主中型機器人足球比賽中要解決的首要問題之一是傳球和射門。目前，國 內全自主中型足球機器人常用的踢球機構都是由一組固連在基座上的機械元件組成，一般 組成部分有踢球桿、踢球力來源元件(如電磁鐵，氣缸，氣動肌腱等)、踢球槓桿、及一些固定 連接零件組成。但是，由於現有的機械結構特性的限制，這種踢球機構只能使球沿著全自 主中型足球機器人的正前方挑出，從而限制了全自主中型足球機器人的進攻能力和防守能 力。基於上述缺點且為了使全自主中型足球機器人能夠進一步接近人類傳球和射門的水 平，提高其在比賽場地上的進攻靈活性和防守靈活性，所以迫切需要設計新型的踢球機構。

實用新型內容本實用新型的目的在於克服現有的踢球機構不能使球按任意平面空間角度射出 的不足，提供一種全自主中型足球機器人踢球機構，能使球能按照期望的空間角度射出，即 使在困難的情況下，也能達到理想的效果。為了達到上述目的，本實用新型的構思是1.機械結構部分通過控制踢球面(1，見附圖1，下同)相對於足球的空間位置來 改變足球的受力點，從而達到控制踢球角度的目的。踢球面是與踢球桿(2 )連接在一起的， 通過一個由兩個單軸驅動器(即9 水平螺杆，15 垂直螺杆)組成的平臺來控制其移動，其 移動的同時也改變著足球的受力點。踢球面與足球是點接觸的，因此可以知道在足球的受 力點上，作用於該點的作用力方向是通過球心的，則出球角度變得可控。當踢球面的中心和 足球的球心在同一水平線上時，在運動控制部分的控制下，就可以實現平射的目的。2、運動控制部分兩個單軸驅動器(即水平螺杆和垂直螺杆)分別由獨立的步進電 機(10) (16)帶動，步進電機分別由獨立的電機驅動電路驅動，整個系統的控制晶片採用 FPGA，電機驅動電路的信號由FPGA發出。當FPGA接收到上位機發出的踢球信號時，立即發 出信號使氣缸釋放氣體，從而驅動踢球面執行踢球射門動作，該動作在瞬間完成。根據上述實用新型構思，本實用新型採用下述技術方案一種全自主中型主球機器人踢球機構，包括基座構架和踢球機構，其特徵在於所 述基座構架的一個安裝座上安裝二維移動機構，該二維移動機構連接所述踢球機構。所述基座構架的結構是由四根型材通過四個型材連接塊固定連接成四方形底 座，另兩根豎直的型材與該四方形底座垂直固定連接，並在該兩根豎直的型材的頂端固定 連接所述安裝座。所述二維移動機構的結構是兩根水平平行道軌固定安裝在所述安裝座上，該兩 根水平道軌的一端固定連接一個水平驅動電機安裝座，另一端滑配一個水平移動螺母，在所述的水平驅動電機安裝座上安裝一個水平驅動電機，該電機輸出軸聯接一根水平螺杆， 該水平螺杆與所述水平移動螺母旋配；所述水平移動螺母通過一個三角連接塊固定連接兩 根垂直平行道軌，該兩根垂直平行道軌的上端固定連接一個垂直驅動電機安裝座，另一端 滑配一個垂直移動螺母，在所述垂直驅動電機安裝座上安裝一個垂直驅動電機，該電機輸 出軸聯接一根垂直螺杆，該垂直螺杆與所述垂直移動螺母旋配。所述踢球機構的結構是一根連杆的上端與所述垂直移動螺母固定連接，而下端 通過一個鉸接塊鉸接一根踢球桿，該踢球桿的下端連接一塊踢球面板；所述連杆還與一個 氣缸固定連接，該氣缸前端連接一個氣缸連接頭對準所述踢球桿。本實用新型與現有技術相比較，具有以下顯而易見的特點和優點第一，能夠實現踢球機構的踢球動作執行部分在水平方向和垂直方向所合成的平 面內精確移動，讓球沿任意平面空間角度射出；第二，能夠實現挑射和平射兩種動作，且可 以根據需要進行切換。在全自主中型足球機器人比賽中，與現有的踢球機構相比，採用該新 型踢球機構的足球機器人能夠有更多的射門角度可供選擇，增加射門機會及進球機率。

圖1本實用新型的機械結構圖；圖2本實用新型的運動控制框圖；圖3水平方向和垂直方向的合成運動效果圖；圖4本實用新型的程序流程圖。
具體實施方式
本實用新型的優選實施例結合附圖說明如下實施例一參見圖1，本全自主中型足球機器人踢球機構，包括基座構架和踢球機 構，所述基座構架的一個安裝座6上安裝二維移動機構，該二維移動機構連接所述踢球機 構。實施例二 本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下上述基座構架的結構 是由四根型材12通過四個型材連接塊13固定連接成四方形底座，另兩根豎直的型材12 與該四方形底座垂直固定連接，並在該兩根豎直的型材12的頂端固定連接所述安裝座6。上述二維移動機構的結構是兩根水平平行道軌18固定安裝在所述安裝座6上， 該兩根水平道軌18的一端固定連接一個水平驅動電機安裝座20，另一端滑配一個水平移 動螺母17，在所述的水平驅動電機安裝座20上安裝一個水平驅動電機10，該電機輸出軸聯 接一根水平螺杆9，該水平螺杆9與所述水平移動螺母17旋配；所述水平移動螺母17通過 一個三角連接塊8固定連接兩根垂直平行道軌7，該兩根垂直平行道軌7的上端固定連接 一個垂直驅動電機安裝座19，另一端滑配一個垂直移動螺母14，在所述垂直驅動電機安裝 座19上安裝一個垂直驅動電機16，該電機輸出軸聯接一根垂直螺杆15，該垂直螺杆15與 所述垂直移動螺母14旋配。上述踢球機構的結構是一根連杆15的上端與所述垂直移動螺母14固定連接，而 下端通過一個鉸接塊4鉸接一根踢球桿2，該踢球桿2的下端連接一塊踢球面板1 ；所述連 杆5還與一個氣缸11固定連接，該氣缸11前端連接一個氣缸連接頭3對準所述踢球桿2。[0023]實施例三本實施例與實施例二基本相同，特別之處如下本全自主中型足球機 器人新型踢球機構運動控制部分主要由FPGA控制晶片及相應的外圍電路和執行機構組 成。其運動控制框圖如附圖2所示。FPGA具有超大規模的單晶片容量和硬體電路的高速並行運算能力，在高速複雜邏 輯處理方面具有獨特的優勢。FPGA發出脈衝信號和方向信號給電機驅動電路來控制步進電 機的運動。步進電機是將電脈衝信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。在 非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決於脈衝信號的頻率和脈衝數，而不受負載 變化的影響，當電機驅動電路接收到一個脈衝信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動 一個固定的角度，稱為步距角，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈 衝個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈衝頻率來控制電 機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。外圍電路包括USB通道，編碼器反饋通道，電機驅動電路，電磁閥及其控制電路。 USB通道用來完成上位機與底層FPGA控制晶片的通信；編碼器通道用來完成電機到FPGA 的反饋，電機運動採用閉環控制；電機驅動電路用來驅動電機運動，包括正反運動及步進電 機細分運動。電磁閥及其控制電路用來控制氣缸內氣體的釋放，氣體釋放時間有FPGA控 制。執行機構主要包括步進電機、氣缸和踢球面。步進電機帶動踢球面運動，在運動過 程中，當FPGA接收到上位機發出的踢球信號時，立即發出信號使氣缸釋放氣體，且釋放時 間可控，從而驅動踢球面執行踢球射門動作，該動作在瞬間完成。本實用新型所涉及的水平螺杆與垂直螺杆長度相等(為了便於分析，我們將水平 螺杆和垂直螺杆模型化為X軸和Y軸，則踢球面的運動為X-Y平面運動)，即X方向和Y方 向長度相等。踢球面在X方向和Y方向的運動的合成是一個邊長為d的正方形，如圖3所 示，圖中黑點的位置為踢球面的初始位置，即正方形的中心位置。系統上電後，水平螺杆驅動水平螺母位於水平方向電機軸的中間位置，垂直螺杆 驅動垂直螺母位於垂直方向電機軸的中間位置，所以踢球面位於期望的初始位置上，即圖3 正方形的中心位置。程序運行後，兩個移動螺母同時運動，即水平螺杆向左運動同時垂直螺 杆向上運動，系統實現了同時向上向左運動。在本實用新型中，我們設置X方向電機和Y方 向電機運行速度相等，那麼在X方向上和Y方向上，由於初始位置在正方形的中心位置，水 平螺杆和垂直螺杆的滑動螺母將會同時到達邊界。程序在運行過程中會不停地就收電機的 反饋信息，以此判斷水平移動螺母和垂直移動螺母是否到達邊界，若到達邊界，則開始同時 向下向右運動，向下向右運動的分析過程與同時向上向左運動的分析過程相似。當水平螺 杆和垂直螺杆各自的移動螺母同時到達各自的邊界時，程序經過分析判斷，會控制移動螺 母再做同時向上向左運動，如此循環進行下去。其程序流程圖如圖4所示。由於踢球面板被固定在垂直移動螺母上，而垂直移動螺母的移動會隨著水平移動 螺母的移動而移動，所以踢球面可以實現在水平螺杆和垂直螺杆所組成的X-Y平面內任意 移動的目的。基於以上，本實用新型所涉及的全自主中型足球機器人新型踢球機構的踢球射門 動作執行過程如下所述，由四部分組成第一部分是固定基座上的水平移動螺母進行水平方向(即X方向)上的左右運動。在左右運動的同時可以與垂直方向運動合成平面運動。第二部分是固定在水平移動螺母上的垂直移動螺母進行垂直方向(即Y方向)上的 升降運動。在垂直運動的同時可以與水平方向運動合成平面運動。第三部分，基於前兩個部分，是固定在垂直移動螺母上的踢球面板在水平螺杆和 垂直螺杆所組成的X-Y平面內任意移動。第四部分，基於前三個部分，是踢球面板在氣缸的作用下進行足球挑射運動，且該 挑射運動是踢球面板在兩個移動螺母的水平運動和垂直運動所合成的平面內運動時進行 的。這四部分運動的合成實現了本實用新型所涉及的全自主中型足球機器人新型踢 球機構的射門及傳球動作，實現了本實用新型所要實現的目的，並且即使在困難的條件下 也能達到理想的效果。
權利要求1.一種全自主中型足球機器人踢球機構，包括基座構架和踢球機構，其特徵在於所述 基座構架的一個安裝座(6)上安裝二維移動機構，該二維移動機構連接所述踢球機構。
2.根據權利要求1所述的全自主中型足球機器人踢球機構，其特徵在於所述基座構架 的結構是由四根型材(12)通過四個型材連接塊(13)固定連接成四方形底座，另兩根豎直 的型材(12)與該四方形底座垂直固定連接，並在該兩根豎直的型材(12)的頂端固定連接 所述安裝座(6)。
3.根據權利要求2所述的全自主中型足球機器人踢球機構，其特徵在於所述二維移動 機構是兩根水平平行道軌(18)固定安裝在所述安裝座(6)上，該兩根水平道軌(18)的一 端固定連接一個水平驅動電機安裝座(20)，另一端滑配一個水平移動螺母(17)，在所述的 水平驅動電機安裝座(20)上安裝一個水平驅動電機(10)，該電機輸出軸聯接一根水平螺 杆(9)，該水平螺杆(9)與所述水平移動螺母(17)旋配；所述水平移動螺母(17)通過一個 三角連接塊(8)固定連接兩根垂直平行道軌(7)，該兩根垂直平行道軌(7)的上端固定連接 一個垂直驅動電機安裝座(19)，另一端滑配一個垂直移動螺母(14)，在所述垂直驅動電機 安裝座(19)上安裝一個垂直驅動電機(16)，該電機輸出軸聯接一根垂直螺杆(15)，該垂直 螺杆(15)與所述垂直移動螺母(14)旋配。
4.根據權利要求3所述的全自主中型足球機器人踢球機構，其特徵在於所述踢球機構 的結構是一根連杆(15)的上端與所述垂直移動螺母(14)固定連接，而下端通過一個鉸接 塊(4 )鉸接一根踢球桿(2 )，該踢球桿(2 )的下端連接一塊踢球面板(1)；所述連杆(5 )還與 一個氣缸(11)固定連接，該氣缸(11)前端連接一個氣缸連接頭(3)對準所述踢球桿(2)。
專利摘要本實用新型涉及一種全自主中型足球機器人踢球機構，它包括基座構架和踢球機構，基座構架的一個安裝座上安裝一個二維移動機構，該二維移動機構連接上述踢球機構。本實用新型的踢球動作採用基於FPGA的步進電機雙軸驅動器來實現。本實用新型的優點是第一，能夠實現踢球機構的踢球動作執行部分在水平方向和垂直方向所合成的平面內精確移動，讓球沿任意平面空間角度射出；第二，能夠實現挑射和平射兩種動作，且可以根據需要進行切換。即使在困難的情況下，也能達到理想的效果。
文檔編號A63H13/04GK201912767SQ20102068311
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者劉雲飛, 劉軍江, 張方傑, 桂春勝, 陳萬米, 陳海波, 黃慎之, 黃潮炯 申請人:上海大學