台球机器人设计
摘要： 本文对台球机器人进行研究和设计。完成了台球机器人的移动机构、回转机构、抬升机构、倾斜机构、击球机构的虚拟装配，设计了一种基于单片机的台球机器人的控制系统。该机器人能够完成自由行走，360 度整圆旋转，平稳升降、倾斜，击球并复位等动作，满足台球运动所需要的各种运动形式，有趣、实用。
关键词：台球机器人 控制系统。
1 文献综述
通过对中国机器人发展现状分析，目前，我国机器人产业正处于蓬勃发展的状态，各类机器人正快速发展。工业机器人作为制造业皇冠顶端的明珠，其性能优势决定了其在工业生产中的优势地位。
目前，在机械加工与电子电气等行业生产中，工业机器人的批量使用，使生产流程工序自动化、简洁化，显著降低了生产成本，提高了生产利润【1】。同时，作为智能制造的主力军，工业机器人不断从汽车制造领域向机械、建材、物流、食品乃至航空、航天、船舶制造等领域渗透，带动相关产业的发展。
在当今科技发展水平之下，各种类型的机器人已经深入人们生产、生活的方方面面，机器人在现代生产生活中的应用领域不断扩宽，其种类也日益增多【2】。根据不同的分类方法，可以对机器人进行不同的分类，如，根据其功能可以分为操作机器人、移动机器人、信息机器人、人机机器人【2】。然而，却鲜有对台球机器人的研究。台球机器人可以达到寓教于乐的目的，很好地帮助人了解台球的基本击打技巧，通过遥控器控制机器人的各个活动，完成走位，瞄准，出杆，击打等各个动作，十分好玩有趣。
国际机器人联合会(IFR)曾预测：“机器人革命”将创造数万亿美元的市场，从而带动与机器人相关的新材料功能模块、感知获取与识别、智能控制与导航等关键技术与市场快速发展【3】。此外，机器人在医疗、餐饮服务等方面的应用，也提高了人们的生活质量，便捷了人们日常的生产生活。在我国人口红利减弱的背景下，随着产业转型升级的不断深入，机器人应用范围越来越广，我国机器人产业将迎来战略发展黄金期【3】。
2 选题背景及其意义
台球源于英国，它是一项在国际上广泛流行的高雅室内体育运动，是一种用球杆在台上击球、依靠计算得分确定比赛胜负的室内娱乐体育项目【4】。台球运动据说是大约在14 世纪，由伦敦一家名叫Billsyard 的当铺老板为娱乐消遣而发明的，台球的英文名称即源于此。至18 世纪末，台球作为一种游戏在英国民间很是盛行。19 世纪初，世界上第一个公共台球室在伦敦开设【4】。
台球运动作为当今新兴的体育运动项目，如今在世界范围内越来越受欢迎。从前台球作为一种优雅的绅士运动，在我国并未受到重视。我国体育界对台球逐渐重视到现在将近30年，然而我国台球运动员却取得了惊人的成绩，2005年，年仅18岁的丁俊晖在世界斯诺克职业排名赛中获得冠军，这一比赛之后在全球范围内掀起了台球热【5】。
在当今科技发展水平之下，各种类型的机器人已经深入人们生产、生活的方方面面，机器人在现代生产生活中的应用领域不断扩宽，其种类也日益增多。根据不同的分类方法，可以对机器人进行不同的分类，如，根据其功能可以分为操作机器人、移动机器人、信息机器人、人机机器人。机器人不仅在“自动化”方面取得了很大的成就，其在“智能化”方面也已达到了较高的水平。然而，却鲜有对台球机器人的研究【6】。
通过对台球机器人发展现状分析，台球机器人可以达到寓教于乐的目的，很好地帮助人了解台球的基本击打技巧，通过遥控器控制机器人的各个活动，完成走位，瞄准，出杆，击打等各个动作，十分好玩有趣。
3 研究内容
模仿人类打台球，可知，台球机器人需能够完成自由行走、360 度整圆旋转、平稳升降、倾斜、击球并复位等动作，满足台球运动所需要的各种运动形式。并且需要设计台球机器人的控制系统。
移动机构：用于完成机器人的直走与转向。
旋转机构：整个底板可以实现360 度的整圆旋转，使得机器人具有更大的工作范围。
升降机构：使得机器人在上升或者下降时能够有很好的稳定性。
倾斜机构：这时使得球杆取得一个击球角度，使之能够更好的击球
击球机构：使球杆能在所需力的范围下击打出去
控制系统：以上各个机构均与控制机构连接，并由控制机构实现控制，实现机器人的整体前行，转弯，停止，旋转，升降，击打等动作，台球机器人整体控制模式。
4方案设计
4.1 移动系统设计
移动机构包括底座1，以及接于底座1 的两只前轮51 和两只后轮50。前轮51 为定向轮，后轮50 为驱动轮，两只驱动轮分别独立地与减速器以及直流电机连接。直流电机通过齿轮驱动后轮50 旋转，减速器用于控制后轮50 转速的变化。当直流电机正转或者反转时可以实现机器人的前进和后退；当减速器控制两只后轮50 产生速度差时，即使得机器人整体实现转向的目的。
（直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，因此直流电机可提供稳定的转速，可保证后轮的稳定运动。）
图1
图2
4.2旋转机构设计
实现相对底座1 的转动。具体而言，底座1 上固定有起支撑作用的固定板3，与底座1以及固定板3 转动连接的转轴7，底板9 与转轴7 固定连接，且底板9 通过深沟球轴承6 转动支撑在固定板3 上。底座1 上固定有电机，电机与转轴7 之间通过同步带16 连接，当电机正转或者反转的时候，通过同步带16 以及转轴7 可以带动底板9 的转动，进而带动底板9 之上整个机械和底板9 一同进行转动，整个底板9 可以实现360 度的整圆旋转，使得机器人具有更大的工作范围。
（旋转动力机构包括电机以及连接在电机与转轴之间的同步带。）
图3
4.3升降机构
当两根线性推杆20 同时伸长或者缩短时，可以控制机器人的上半部分上升或者下降，采用前后双推杆的方式，使得机器人在上升或者下降时能够有很好的稳定性。
图4
4.4倾斜机构
机构的连接：两线性推杆的顶部分别于与顶板29 、连接板23 转动连接。连接板23 上固定有第一滑杆26，第一滑杆26 上滑动有第一滑块25，第一滑块与顶板29 转动连接，顶板29上有第二滑杆45，第二滑杆上有第二滑块27，第二滑块与球杆47转动连接。第二滑块27 安装了用于固定球杆47 的托架，这样球杆便可以通过第二滑块27 的带动来前后移动。
当两根线性推杆20的长度存在差异时，第一滑块25 在第一滑轨26 上滑动，从而使得顶板29 以及机器人的上半部分相对底座产生倾斜角度，顶板29 能够取得一个角度，这时使得球杆47 也取得一个击球角度，使之能够更好的击球。
第二滑杆45 的端部与第二滑块27 之间设置有弹簧48。当球杆47 击打球后，弹簧47 通过自身弹力的回复可推动第二滑块27 以及球杆47 回到原位。
4.5击打机构
顶板上固定有立杆32，立杆32 上转动设置有榔头41 ；顶板上安装固定有一个高速电机36，高速电机36 通过皮带37 连接到一个电离合器33，进而带动可分离地连接在电离合器33 上的轴，榔头41 即与该轴固定。当电离合器33 通电时，轴转动，带动固定在轴上的榔头41 升高，当电离合器33 断电时，榔头41 在重力作用下转动，进而击打球杆47。调整电离合器33 的通电时间，即轴的转动时间可以控制榔头41 的高低，从而来控制击球力的大小。
图5
图6
4.6控制系统设计
台球机器人的电源采用24V 输出电压的蓄电池为直流电机供电 。以上各个机构均与控制机构连接，并由控制机构实现控制，实现机器人的整体前行，转弯，停止，旋转，升降，击打等动作。
图7
图8
5 论文工作量及预期进度
2017年12月---- 2018年1月：收集资料，完成课题背景研究及文献综述。
2018年2月： 确定设计系统总体方案，书写开题报告。
2018年3月： 各个机构的选择和设计。
2018年4月： 台球机器人整体布局的设计、电气控制的设计。
2018年5月： 编写毕业论文，毕业答辩准备和答辩。
参考文献：
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