网球场捡球机器人系统设计
席泽生
（东南大学自动化学院，江苏南京211189）
要：针对网球场捡球的需要，采用VEX 的组件设计了网球场捡球机器人。该捡球机器人
完成捡球、储球、运球、放球的操作。通过在网球场的实际运行，验通过遥控运动或自主运动，摘
证了捡球机器人的可行性和实用性。
关键词：机器人；系统设计；捡球中图分类号：TH12；TP242
文献标志码：B
5276（2012）02-0140-02文章编号：1671-
Design of Tennis Ball-Picking Robot
XI Ze-sheng
（Automation College of Southeast University ，Nanjing 211189，China ）
Abstract ：The tennis collection robot is designed to satisfy the needs of ball-picking on the tennis court．The modules provided by
VEX are used in the mechanical structure and control system of the robot．The tennis collection robot can realize a series of opera-tions ，such as picking ，storing and transferring balls．The practice on the tennis court proves that the robot is feasible and practical．
Key words ：robot ；system design ；ball-picking
大开口的设计使机器人能同时扫入2个球，提高了效率，为
0引言
国际机器人协会针对全球机器人相关发展的调查报
告显示，服务型机器人市场将首先呈现大幅增长。据估计，2007年底已有49000台专用服务机器人安装使用，娱乐和2008－2011年各种家用休闲机器人也将达到740余万台，
机器人将达到460余万台。机器人将越来越多地走进日常生活，成本低廉，操作方便，运行可靠便成为这类机器人的
越来越多的主要特点。随着网球这种高强度远动的普及，
人参与其中，但对于普通运动者来说，不可能有球童负责为
遍布全场的网球拣起来实在是件累人、费时的事，其捡球，
针对这一现状，网球场捡球机器人应运而生。
1机器人结构设计
捡球机器人设计的关键是实用性及可靠性，因而结构稳操作简便、维修方便、适应性强成为主要的设计目标。定、
为了满足实用性的要求，捡球机器人在结构上由运动吃球部、临时储球部、放球部四部分组成，实物如图底盘、1所示，系统结构如图2所示。运动底盘：该部分保证机器人在场地内自由运动，主要为框架结构，保证结构强度，在框架的两侧分别安装由直流两个前轮选用万向轮，可实现灵活转电动机驱动的运动轮，弯且转弯半径小，每台电动机驱动一个轮子，保证了足够的动力和运动速度。吃球部分：该部分由结构件拼接成与地面约呈50ʎ 的倾角的斜坡，在斜坡上由两台电动机分别带动两套吃球机构的传动轴将球扫入并传输到临时储球部。
作者简介：席泽生（1991—），男，江苏南京人，本科，研究方向为自动化。
·140·http ：∥ZZHD．chinajournal．net．cn E-mail ：ZZHD@chainajournal．net．cn 《机械制造与自动化》
分为遥控程序和自动运行程序。无线遥控装置采用八合，
通道遥控系统，为了便于操作，同侧行进电动机同步运行，其余部分的电动机各自占用一通道。在储球平台和放球
以此限制一次捡球数量和准确放球部位部装有限位开关，
悬臂的停止位置，保证能将球顺利地放置到指定位置。自
动运行程序，根据读取与电动机同轴连接的码盘的脉冲数，事先设定好机器人的行进路线，依据概率分布，网球分布集中于网前和场地边缘，因而机器人将先沿网球场边缘行进捡球，当完成一圈后，判断储球平台是否已满，如果没有则围绕球网继续捡球，如果球已满，程序进入中断服务程序，停止捡球到达指定地点放球。主程序流程图如图4，中断服务程序如图5表示。
了方便拣取角落中的球，在吃球部的两侧分别加装了导向
轮和导引装置，避免了卡球的情况。临时储球部：该部分由为保证球能自动滚向放球部的入口，临四块钢板拼接而成，
时储球部的底板向一侧有一定角度的倾斜，该部分一次性能储放20个球。放球部：该部分是由一根转动轴将其连接在机器人侧面的传动臂，在电动机驱动下，传动臂可以升降，改变放球高度，以适应不同高度的球筐。传动臂由三履带并排，电动机驱动，通道中安装了防滑条，使球能快速稳定的从储球部被传送到不同高度球筐中。
2机器人的控制系统
整套系统的动力部分共有八个电动机，其中四台电动机分别驱动四个行走轮，两台电动机分别驱动两套吃球机一台电动机驱动放置网球的传送履带，另有一构的传动轴，
电动机驱动传动臂的升降机构，以便调整放球的高度。为了协调这几个部分，需要有一套严谨的控制系统，以此实现在行进中捡球并将球放置在指定位置。
2．1硬件系统设计
1）控制系统
控制器的核心部分中央控制器，包含了处理器、遥控信号接收器、程序下载器和电源。处理器采用2片microchip PIC 18F8520，6每秒处理千万条指令。拥有8个电动机接口，
16个数字/模拟信号接口。遥控系统采用wifi 个中断接口，
无线遥控，支持802．11g 协议。控制系统结构如图3。
图3
2）电动机功率计算
控制系统框图
3
9．55Fv
ηn
实验结果
驱动电动机输出力矩T =
式中：F 为摩擦阻力，最小估算为10N ，η为电动机拖动负载
估计为70%，设计机器人运行的最高速运动时的传动效率，
由此算得T =度v 为1m/s，n 为电动机转速为110r /min，
1．2N ·m ，则电动机加到负载上的输出力矩为12．2kg ·cm ，“双线电动机套装”，选择VEX 组件的其电动机输出转速为110r /min，扭力为16kg ·cm ，可以满足要求。
捡球机构电动机输出力矩T =
T L
捡球阻力矩T L 估算为ηj
通过在网球场实地操作，网球场面积为长36．60m ，宽18．30m ，捡球机器人的运行速度为0．5m/s，旋转半径为50cm ，一次装球量为20个，球场内球数少于20个时，一次运行时间约为5min 。如果个别网球比较分散，还可以通过手动遥控的方式遥控机器人进行捡球，使原本枯燥累人的捡球动作充满情趣。参考文献：
［1］王伟．机器人技术与应用．全球机器人市场统计数据分析
［J ］．2009，（1）．
［2］刘自范，刘德平．小型遥控移动捡球机器人的研究［J ］．微
2009，（25）．计算机信息，
［3］邓星钟．机电传动与控制［M ］．武汉：华中理工大学出版社．
5N ·m ，η为电动机拖动负载运动时的传动效率，估计为
70%，传动机构的速比j 取20，由此可算得T =0．35N ·m 即3．6kg ·cm 。选择VEX 组件的“电动机套装”，其电动机输出转速为110r /m，扭力为8kg ·cm ，可以满足要求。
2．2控制程序设计
捡球机器人程序设计运用C 语言和图形编程相结
11-23收稿日期：2011-
Mac hine Building A utomation ，A pr 2012，41（2）：140 141
·141·
网球场捡球机器人系统设计
席泽生
（东南大学自动化学院，江苏南京211189）
要：针对网球场捡球的需要，采用VEX 的组件设计了网球场捡球机器人。该捡球机器人
完成捡球、储球、运球、放球的操作。通过在网球场的实际运行，验通过遥控运动或自主运动，摘
证了捡球机器人的可行性和实用性。
关键词：机器人；系统设计；捡球中图分类号：TH12；TP242
文献标志码：B
5276（2012）02-0140-02文章编号：1671-
Design of Tennis Ball-Picking Robot
XI Ze-sheng
（Automation College of Southeast University ，Nanjing 211189，China ）
Abstract ：The tennis collection robot is designed to satisfy the needs of ball-picking on the tennis court．The modules provided by
VEX are used in the mechanical structure and control system of the robot．The tennis collection robot can realize a series of opera-tions ，such as picking ，storing and transferring balls．The practice on the tennis court proves that the robot is feasible and practical．
Key words ：robot ；system design ；ball-picking
大开口的设计使机器人能同时扫入2个球，提高了效率，为
0引言
国际机器人协会针对全球机器人相关发展的调查报
告显示，服务型机器人市场将首先呈现大幅增长。据估计，2007年底已有49000台专用服务机器人安装使用，娱乐和2008－2011年各种家用休闲机器人也将达到740余万台，
机器人将达到460余万台。机器人将越来越多地走进日常生活，成本低廉，操作方便，运行可靠便成为这类机器人的
越来越多的主要特点。随着网球这种高强度远动的普及，
人参与其中，但对于普通运动者来说，不可能有球童负责为
遍布全场的网球拣起来实在是件累人、费时的事，其捡球，
针对这一现状，网球场捡球机器人应运而生。
1机器人结构设计
捡球机器人设计的关键是实用性及可靠性，因而结构稳操作简便、维修方便、适应性强成为主要的设计目标。定、
为了满足实用性的要求，捡球机器人在结构上由运动吃球部、临时储球部、放球部四部分组成，实物如图底盘、1所示，系统结构如图2所示。运动底盘：该部分保证机器人在场地内自由运动，主要为框架结构，保证结构强度，在框架的两侧分别安装由直流两个前轮选用万向轮，可实现灵活转电动机驱动的运动轮，弯且转弯半径小，每台电动机驱动一个轮子，保证了足够的动力和运动速度。吃球部分：该部分由结构件拼接成与地面约呈50ʎ 的倾角的斜坡，在斜坡上由两台电动机分别带动两套吃球机构的传动轴将球扫入并传输到临时储球部。
作者简介：席泽生（1991—），男，江苏南京人，本科，研究方向为自动化。
·140·http ：∥ZZHD．chinajournal．net．cn E-mail ：ZZHD@chainajournal．net．cn 《机械制造与自动化》
分为遥控程序和自动运行程序。无线遥控装置采用八合，
通道遥控系统，为了便于操作，同侧行进电动机同步运行，其余部分的电动机各自占用一通道。在储球平台和放球
以此限制一次捡球数量和准确放球部位部装有限位开关，
悬臂的停止位置，保证能将球顺利地放置到指定位置。自
动运行程序，根据读取与电动机同轴连接的码盘的脉冲数，事先设定好机器人的行进路线，依据概率分布，网球分布集中于网前和场地边缘，因而机器人将先沿网球场边缘行进捡球，当完成一圈后，判断储球平台是否已满，如果没有则围绕球网继续捡球，如果球已满，程序进入中断服务程序，停止捡球到达指定地点放球。主程序流程图如图4，中断服务程序如图5表示。
了方便拣取角落中的球，在吃球部的两侧分别加装了导向
轮和导引装置，避免了卡球的情况。临时储球部：该部分由为保证球能自动滚向放球部的入口，临四块钢板拼接而成，
时储球部的底板向一侧有一定角度的倾斜，该部分一次性能储放20个球。放球部：该部分是由一根转动轴将其连接在机器人侧面的传动臂，在电动机驱动下，传动臂可以升降，改变放球高度，以适应不同高度的球筐。传动臂由三履带并排，电动机驱动，通道中安装了防滑条，使球能快速稳定的从储球部被传送到不同高度球筐中。
2机器人的控制系统
整套系统的动力部分共有八个电动机，其中四台电动机分别驱动四个行走轮，两台电动机分别驱动两套吃球机一台电动机驱动放置网球的传送履带，另有一构的传动轴，
电动机驱动传动臂的升降机构，以便调整放球的高度。为了协调这几个部分，需要有一套严谨的控制系统，以此实现在行进中捡球并将球放置在指定位置。
2．1硬件系统设计
1）控制系统
控制器的核心部分中央控制器，包含了处理器、遥控信号接收器、程序下载器和电源。处理器采用2片microchip PIC 18F8520，6每秒处理千万条指令。拥有8个电动机接口，
16个数字/模拟信号接口。遥控系统采用wifi 个中断接口，
无线遥控，支持802．11g 协议。控制系统结构如图3。
图3
2）电动机功率计算
控制系统框图
3
9．55Fv
ηn
实验结果
驱动电动机输出力矩T =
式中：F 为摩擦阻力，最小估算为10N ，η为电动机拖动负载
估计为70%，设计机器人运行的最高速运动时的传动效率，
由此算得T =度v 为1m/s，n 为电动机转速为110r /min，
1．2N ·m ，则电动机加到负载上的输出力矩为12．2kg ·cm ，“双线电动机套装”，选择VEX 组件的其电动机输出转速为110r /min，扭力为16kg ·cm ，可以满足要求。
捡球机构电动机输出力矩T =
T L
捡球阻力矩T L 估算为ηj
通过在网球场实地操作，网球场面积为长36．60m ，宽18．30m ，捡球机器人的运行速度为0．5m/s，旋转半径为50cm ，一次装球量为20个，球场内球数少于20个时，一次运行时间约为5min 。如果个别网球比较分散，还可以通过手动遥控的方式遥控机器人进行捡球，使原本枯燥累人的捡球动作充满情趣。参考文献：
［1］王伟．机器人技术与应用．全球机器人市场统计数据分析
［J ］．2009，（1）．
［2］刘自范，刘德平．小型遥控移动捡球机器人的研究［J ］．微
2009，（25）．计算机信息，
［3］邓星钟．机电传动与控制［M ］．武汉：华中理工大学出版社．
5N ·m ，η为电动机拖动负载运动时的传动效率，估计为
70%，传动机构的速比j 取20，由此可算得T =0．35N ·m 即3．6kg ·cm 。选择VEX 组件的“电动机套装”，其电动机输出转速为110r /m，扭力为8kg ·cm ，可以满足要求。
2．2控制程序设计
捡球机器人程序设计运用C 语言和图形编程相结
11-23收稿日期：2011-
Mac hine Building A utomation ，A pr 2012，41（2）：140 141
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