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关键词 滚筒；乒乓球；捡球机
中图分类号 A6 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）102-0136-01
根据国家在教育改革与发展过程中对主题目标、工作方向等方面提出的要求，需要面向全体学生实现教育资源公平。按照国家相关的要求标准，确定了本校高中生科学技术活动的重要思路，即：学生的科技教育活动应有效结合第一课堂与第二课堂，做到提高与普及互相结合，努力为高中生提供一个创新活动的公共平台，为每一名学生创造一个良好的科技创新环境，鼓励每一名学生积极参加科技创新活动，令每一名学生都可以在科技创新的活动中明显提升能力。为了积极加入科学技术创新的活动，联系自身所学知识与课外实践经验设计制作了乒乓球捡球机。
1 制作乒乓球捡球机的起因
高中生开展科学技术创新活动，就是要让学生利用课堂中学到的知识理论解决在实际生活中遇到的问题，令学生能够更加深入的理解自己所学的课本知识。选择制造乒乓球捡球机的想法来源于实际生活，也是同学在训练乒乓球过程中产生的想法。在组织乒乓球训练过程中，通过采取发球机快速进行发球来训练运动员的接球能力，可是发球机只管发不管收，在乒乓球发出后，没有办法实行快速收回，更加关键的是不能自动收回。现在，很多乒乓球训练场所还是采用人工捡球的传统方式，这样做不仅仅耗费了大量的时间，也大量消耗了人的体力。况且，因为乒乓球落点的不确定性，极易造成活动人员误踩误伤，造成乒乓球的不必要损坏。特别是我国作为乒乓球大国，乒乓球普及率非常高，研究乒乓球捡球设备同样具有重要意义。因此，希望能够制造一款简单方便的乒乓球捡球机，能够在乒乓球训练时轻松将其捡起，有效提高乒乓球运动乐趣。
2 制作乒乓球捡球机的过程
简单轻便捡球机的制作主要是以迅捷、方便捡球为目的。
2.1 制作材料
准备材料：滚筒、手持滚动推架、圆形两个面板、轴杆、橡皮筋、合页、抽芯铆钉等。所需工具：手电钻、手动抽芯铆钉枪、剪刀、老虎钳等。
2.2 制作方法
制作乒乓球捡球机，首先设置了一个滚筒与一个手持滚动式的推架，在滚筒两侧分别设置了圆形的面板，使用中心轴杆连接两端的面，利用若干个橡皮筋在面板两端的四周均匀的连接成鸟笼形状，皮筋相邻间的距离应当超过乒乓球的直径。利用相邻皮筋由于受到压力发生变形以及滚筒原理，将乒乓球吞入筒内，这样便简单轻松的做完了捡乒乓球的工作。设置皮筋时最好与地面保持一定的间距，这样有利于滚筒进行滚动，也方便了乒乓球被吞入。每次训练间隙，只要在训练场所推着这个乒乓球拣球机走一圈，就能快速轻松的将地板上的全部乒乓球捡起来，其使用非常便捷，节省了大量时间和精力，令捡乒乓球工作也变成了一种乐趣。
2.3 使用方法
在体育课堂上或者业余乒乓球训练场上需要捡球时，手推乒乓球捡球机，在布满乒乓球地上走一圈，乒乓球自动就会进入捡球机中。
2.4 注意问题
橡皮筋之间的距离应当超过乒乓球直径，在2-3厘米之间最合适。可以根据捡球者的不同高度，设计可伸拉的手动推架。
3 乒乓球捡球机的制作特点
3.1 绿色环保的动力源
乒乓球捡球机在动力源的选择上利用了人力传动方案。人力传动不仅体现了绿色环保，同时拣球者在不用费力的行走过程中完成了捡球工作，造价较低、结构简单、非常容易制造。
3.2 人性化特点
乒乓球捡球机的制作突出人性化特点，制作过程中将使用是否顺手便利、操作是否舒适及清理是否方便等人的因素作为重要条件给予考虑，重点体现为：机器与人体的尺寸、形状及用力是否能够配合；捡球机是否方便与顺手；捡球机的推杆可调节，适合身高不同的群体使用；同时，捡球机非常方便清洗、保管与修理。
3.3 创新思想
创新是指能创造出有价值的研究成果的，具有独特性、新颖性的行为活动。创新设计是指在制作滚筒乒乓球捡球机的过程中出现新颖有价值的思维活动。乒乓球捡球机的制作设计重点强调创新，需要在整体制作过程中充分体现设计者的创造能力，在理论知识与方法的指导下，结合滚筒原理，设计制作出具有生命力的捡球机。滚筒式捡球机的制作，要求设计者从多个方面、多个角度和层次思考问题，经过各种设计方案的比较，最后选择最优的制作方案。
4 制作乒乓球捡球器的体会
通过制作乒乓球捡球机，个人进一步增强了学习科技知识的积极性，对进行科技小创作有了更强的信心和兴趣，对所学课本知识也有了更深的理解和体会，使生物、物理、化学、数学等学科知识揭开了神秘面纱，变得平易近人、生动有趣、可学可用。
1）科学技术创新与我们之间的距离不再遥不可及。只要做一个有心人，善于观察生活中存在的问题，并且尝试利用所学的知识解决它，再利用科学合理的方式进行体现与表达，这就是一次科学技术制造。生活中存在着很多问题和机遇，等待我们去解决、去改善，能够将自己在课堂中所学的理论知识应用于实践，最终获得的不仅仅是产品制作的成果，更多的是我们对所学知识的兴趣与信心，以及为人们解决生活难题的自豪感。
2）增加了对所学知识的感悟。刚开始利用所学知识研究乒乓球捡球机的制作时，觉得很简单，可是当真正实践与制作时却出现了比较多的问题以及很多需要考虑的因素，例如捡球机的原理分析，捡球机的长度、宽度和高度等。又如在实际应用时，捡球机不能很好的将乒乓球吞入，而是将乒乓球弹开，经过多次试验之后才获得比较满意的结果。在制作过程中遇到一些困难时，曾经想过放弃，但是最终还是坚持下来并且成功制作出捡球机，从而加深了对所用理论原理的理解，实现了物理学、人体力学等的综合
运用。
3）在制作过程中还学习了很多现代设计的思路与想法。例如捡球机实施人性化的设计。通过制作乒乓球捡球机提高了动手制作模型的能力，也明白了兴趣是最好的老师的道理。
5 结束语
高中学校中科学技术发明创造课程的开发，既能够体现学校的办学特色，促使教师专业知识的提升，又能够很好满足学生的发展需求。通过实施科学技术发明创造，能够有效激发学生的创作情绪和学习热情，不仅锻炼了学生的动手能力，同时也发展了创新思维，在提高学生学习成绩的同时，更使学生在创作过程中体会到了知识的重要性。乒乓球捡球机这项制作已经获得学校相关领导的认可，不管最后真正使用的效果如何，制作本身就是一种锻炼和体验。即便是制造模型目前比较粗糙，捡球机在实际中的应用工作尚没有充分展开，可是只要抱有积极的态度和高度的热情，相信将来一定会获得成功。高中生科学技术创新活动目的就是能够积极培养学生的实践创新能力，希望同学们都能够积极参与，在制作实践过程中享受知识的快乐，不断提升自己的综合创造能力。
参考文献
[1]覃文洁，刘晓明.乒乓球捡球器现代设计方法概论[M].北京：北京理工大学出版社，2007.
[2]万新华，李雪静.高中生科学技术实用创新发明教程[M].汕头：汕头大学出版社，2010.
[3]吴刚平，王晓雯.学生科技技术实践活动课程开发研究[M].成都：四川教育出版社，2009.
《发明梦工场（第二季）-5》：三十年如一日追求自己梦想的张志波，希望把现代科技和传统皮影文化进行融合的90后胡传彦，从小就立下志向要为发明奋斗一生的于万利，虽然负债累累但仍我行我素的王朝民。究竟谁能在发明梦工场的舞台上梦想成真？请关注本期《发明梦工场》。
主要内容： 张志波发明的单目结构光三维扫描仪。单目结构光的特点在于单目比双目少一个镜头，也就更简洁、更紧凑、更便宜、更方便使用。比激光扫描仪更快速，更安全。发明人胡传彦发明了体感皮影戏。于万利发明了全自动乒乓球发球机。乒乓球自动发球机适用于社会、学校、家庭、专业训练场馆使用。发明人王朝民发明的全自动烙馍机可以机械化完成烙馍工序。
乒乓作为一项双人运动项目，找对手不容易。发明人于万利在生活中就遇到这样的状况。于是他决心发明一台乒乓球自动发球机。这台机器不论是在功能，球性，多变，角度，落点等方面，全面超越进口机。于万利 18606314968
烙馍作为一种中原地区的常见面食，已有2000多年的历史。它采用未发酵的面粉和成柔软的面团，擀成薄圆形面饼后，放在名为鏊子的铁板尚烙熟。王朝民发明的全自动烙馍机可以自动完成出面团，压面饼，熟化等过程，高效快捷。王朝民18768800081
摘要：为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的，本文针对乒乓球发球的特点，从总体上设计了一种新型的乒乓球发球捡球一体机。本文综述了国内外乒乓球发球机、捡球机的现状，对已有发球机、捡球机的机械结构进行分析，根据所需实现的功能，提出了改进的设计方案。针对该发球机发球装置的缺陷，采用对转双轮的发球原理，使其能够实现旋转球和不旋球的发射;考虑原摆动装置的机械结构繁琐，不宜进行自动控制，对其进行了改进设计;此外，增加设计了升降装置，使发球功能更完善。根据乒乓球飞行过程的受力分析建立了数学模型，分析了控制落球点各参数的合理取值范围，得出其相互制约关系。论述了该自动乒乓球发球机的设计思想、工作原理、结构特点及控制系统，并详细介绍了该控制系统的设计过程，具体包括外围设备的选择、电动机的选择、PWM驱动器的选择等，论证说明了该控制系统的可靠性。改进后设计的乒乓球发球机是一种新型的、性价比高的自动型发球机，它可以发出各种适合练习者需要的球，利用计算机对各种球的速度、角度、旋转进行控制，以满足练习者的不同技术需求。同时设置了随机发球模式，对发球速度、发球角度和发球高度等参数进行随机化，实现落球点的随机变化。同时通过中间装置，即管道的两端分别与捡球机储球盒和发球机轮盘连接。即可实现发球与捡球一体化。
关键词：乒乓球发球机，对转双轮，运动分析，发球模式、捡球机、中间装置
绪论
尽管自动乒乓球发球机在我国起步比较晚，但对其的研究很有重要的现实意义。体育事业在我国正在蓬勃发展，尤其是随着我国运动员在奥运会中连续取得佳绩，极大地调动了全国人民投入体育运动的热情。乒乓球运动作为我国的国球，受到人们的广泛喜爱，更急需研究开发一种能够适应各种训练场所的器材。正是在这种情况下，研究乒乓球发球机是极其必要的。
1.引言
现代社会，随着物质生活水平的提高，人们越来越重视生命质量和生活质量。据统计，运动消费作为一种绿色消费，近几年来在我国人民日常消费中所占比例呈增长趋势。可以预见，全民性的健身运动热潮不仅不会减弱，而且将愈演愈烈，健身器材的市场需求也将会不断扩大。而乒乓球作为我国的国球，
它集健身、竞技、娱乐于一体，不仅可以锻炼身体，还可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，因此在我国有着广泛的群众基础。对于初学者，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多，这样要提高技术水平就很慢，也削弱对乒乓球的兴趣。对于高水平的专业选手，由于人手发球速度和频率会有一个极点，而且陪练员长时间发球也不可能，因此要进行变化多、强度大的多球练习比较困难。使用乒乓球发球机进行辅助训练，可以解决这些问题，所以发球机的使用越来越普及了。由于目前发球机的出球性能决定了它多适用于基础阶段人员使用，对于技术水平较高或有复杂组合技术的使用者以及进行实战训练还比较困难。本课题设计研究了一种多功能的自动型乒乓球发球机，它主要利用机械电子相结合的技术，对现有发球机的结构和控制电路加以改进升级，使其便于实现自动控制。这种发球机可以人为的将发球速度控制在10m/s到20m/s，发射多速度、多角度的单一路线球或组合路线球以及随机球，并且在设计中兼顾考虑了业余爱好者和专业选手的不同需求，提供了自选模式训练、随机模式训练和具有记忆功能的强化训练，使得使用者掌握规范全面技术的时间大为缩短。
2.发球机
2.1乒乓球发球机的工作原理
乒乓球发球机是集电子、机械和计算机技术为一体的综合技术产物，它具有自动化程度高、灵敏度高、稳定性可靠等多种特性。它的基本工作原理是利用转轮摩擦球原理，乒乓球由于受到一个旋转磨擦轮的作用可以获得一定的初速度，而摩擦轮在一个直流电机的控制下工作。当电机带动驱动轮转动时，会磨擦乒乓球球使球获得一定的动能，乒乓球才得以发射出去。这种原理方案既简单又实用，它既能保证乒乓球球发射的稳定性，又能极好地控制乒乓球发射的角度及速度，使用户随心所欲地练习打乒乓球。
设轮子的角速度为ω，半径为R，那么就可以计算出轮子线速度:V=ω×R则在瞬时间网球所获得的速度为V，这就是乒乓球的初速度。
因此通过测量轮子的线速度就可以求得乒乓球的初速度。
2.2乒乓球发球机的工作过程
乒乓球发球机的工作过程是乒乓球球首先贮藏在储球箱里，当电源接通后供球装置内的电机工作，通过齿轮传动机构带动储球器里的搅拌器旋转，乒乓球经漏斗进入送球装置。由送球装置内的叶片轮旋转将球送出，经送球管道到达机头处的出球口。叶片轮也由电机经传动机构带动，叶片轮转速由对直流电机进行PWM脉宽调制控制这样就可以控制单位时间内发出球的个数。乒乓球到达出球口后，驱动轮旋转摩擦乒乓球从而使球发出。按动机头左右摆动装置箱上的按钮可以通过箱内的类似曲柄摇杆机构实现机头的左右摆动。调解机头上的手动调解按钮可以通过机头上的弹簧装置实现机头的上下调节。3乒乓球发球机总体结构设计
乒乓球发球机总体结构设计包括：底座部分的设计，送球装置的设计，球道的设计，储球器的设计，调整装置的设计，机头部分的设计等。
2.3乒乓球发球机整体方案的确定
2.3.1乒乓球发球机设计要求：
乒乓球发球机需要满足的主要要求如下所示：
1、令使用者更加掌握有度，多落点，多角度。
2、出球频率：30-72次/分钟；出球速度：4–50公尺/秒
3、出球角度：可调范围30度；出球弧度：可调范围40度
4、出球速度，出球频率通过遥控器操作。
2.3.2整体方案的确定：
根据以上要求，现确定出本套发球机整体方案如下：
1、机体材料主要选用增强塑料，ABS制成。部分零件选用优质钢制成，关于这些材料的优点将在下面具体介绍。
2、发球采用固定在出球口上的摩擦轮旋转摩擦乒乓球将球发出的原理。出球口采用单轮驱动，并且单轮可实现八种方位的调节，从而能够使发出去的乒乓球实现八种不同的旋转。
3、送球装置，球口驱动轮装置，储球器内搅拌器均采用小功率直流电机驱动。
4、通过曲柄连杆装置实现机头的左右来回摆动，曲柄轮装置仍采用直流电
机驱动。
2.4底座部分的设计
发球机底脚采用四个滚轮装置。一方面四个滚轮足以承受机体重量，另一方面采用滚轮可以轻松的挪动机体，从而给用户带来方便。底座板采用薄金属件，能够很好的承受机体重量。
2.5送球装置的设计
送球装置是整套乒乓球发球机的核心部分，也是衡量一套乒乓球发球机性能是否优越的重要标准。因此，送球装置能否顺利实现预期送球功能关系到整套产品能否被成功设计出来。因此，送球装置的设计是整套产品设计中的重要环节。
本装置采用的是叶片轮旋转送球机构，叶片轮由一个直流电机带动齿轮传动机构驱动。叶片轮转动一周可以送出六个球。对直流电机进行PWM脉宽调制可以改变电机转速从而改变叶片轮转动速度，从而改变送球频率。叶片轮所在的中隔板与邮件玻璃板构成一密闭室。为了防止卡球现象，叶片轮后是一段弯曲的球道，从而使乒乓球能够顺利地进入送球管道。在送球装置内共设计两个直流电机。其中一个电机通过齿轮传动同时带动叶片轮和搅拌器转动，另一个直流电机带动曲柄连杆机构实现机头的左右摆动。
2.6材料的选择
送球装置中，装置壳体，叶片轮，及中隔板的制作材料是增强塑料，增强塑料的特点：有较高的强度，刚度，韧性；有良好的耐磨性与耐疲劳性，并有较高的热变形温度。从增强塑料的特点上来看，它是适合做这些部件的材料的。
送球装置中，三对传动齿轮以及齿轮轴均采用ABS材料注塑制成，ABS材料的特点：ABS是由苯乙烯—丁二烯—丙烯腈为基的三元共聚体，故具有良好的综合性能，即高的冲击韧性与良好的机械强度；优良的耐热，耐油性与化学稳定性；尺寸稳定，易于成型和加工，且表面可渡金属；电性能良好。鉴于ABS材料具有以上优良的特性，正适合齿轮这种转速高，强度、冲击韧性大，局部温度高，加工较为复杂的装置，因此特选用ABS作为三对齿轮与齿轮轴的制作材料。
2.6.1叶片轮的设计
叶片轮的作用是通过其旋转将球顺利地送入送球管道中。本套发球机的叶片轮采用六叶片机构，即旋转一周输送六球，选用ABS材料注塑制成。叶片厚度为42mm。
2.6.2中隔板的设计
中隔板的作用是安放叶片，电机与轴承，并且与有机玻璃板共同封闭住电机，叶片轮与乒乓球。因此，中隔板的厚度要综合考虑以上几个因素。中隔板的具体尺寸见CAD送球装置部件图。
2．7传动齿轮的设计
在本设计中采用三对齿轮传动，两对斜齿圆柱齿轮和一对圆锥齿轮传动。即可以实现同时控制叶片轮同搅拌器的转动。由于本套设备中的齿轮传递力矩相对较小，对齿轮材料的强度要求也不是很高，因此所用塑料齿轮，制造材料选择ABS。
塑料齿轮以质轻、耐磨、耐腐蚀、振动小、噪音低、化学性能稳定、加工成本低、便于大批量快速生产等众多优势受到了很多传动机构及研发工程师的青睐。其设计过程大体上分为以下几个部分：齿轮副理论设计、齿轮模具设计、齿轮模具制造和齿轮注塑生产，其流程如下页图所示：
鉴于目前常用的塑料齿轮多为渐开线小模数齿轮，故本套系统的直齿传动齿轮的模数选为1。现选择一对直齿齿轮对其进行参数设计：乒乓球捡球机
1、模数：m=1
2、齿数：Z1=60mm，Z2=120mm，即传动比i=2
3、分度圆直径：d1=60mm，d2=120mm，故中心距a=90mm
4、压力角：α=
5、齿顶高系数：=1，故两齿轮的齿顶圆直径为：=62mm,=122mm
6、顶隙系数：=0.2，故两齿轮的齿根圆直径为：=57.6mm，=117.6mm其他齿轮的参数选择方法同这一对齿轮类似。
2.8传动轴的设计
传动轴采用增强固体塑料注塑制成，传动轴的设计参照金属轴的设计方法，
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机械原理课程设计
说明书
设计题目 网球捡球机
系 别 ：
专业（班级）：
作者（学号）：
指导教师：
完成日期：
机械与电子工程系 机械设计制造及自动化(二班) 李祥(512010120005) 张春燕 2014年 6月10日
蚌埠学院教务处制
目 录
1 设计题目···················································3乒乓球捡球机
2 设计要求···················································3 3 相关产品专利与技术发展现状······························4 4 网球捡球机的工艺动作及功能分解
5 运动方案及选择
5.1 ········································6
5.2······································6
5.3
5.4 优缺点的比较及最终方案··································7 6 传动方案设计·············································8
七 机构组合 ﹑参数及运动协调设计
1 机构选用···············································8 2 机构组合···············································9 3 运动协调设计···········································9 4 设计计算···············································9 5 运动循环图·············································13
八 设计图纸················································13 久 心得体会················································13
1 设计题目
网球是一项优美而激烈的运送，盛行于全世界，内称为世界第二大球类运动。但是网球爱好者，特别是运动员在进行网球训练是时候，要平频繁捡起散落在很大范围内的网球就成为一件耗时耗力的工作。具有高效全自动捡球功能的机器可广泛用于各种类型的网球练习场地，为人们进行网球训练提供便利和节省时间。因此这次设计题目为网球自动捡球机。
2 设计要求
为了方便捡球，目前市场上出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要有人操作。人把捡球车推到需要捡起的球前，然后捡球车把球拨入车中。此类捡球机相对纯粹的人工捡球在效率上有一定的提高。乒乓球捡球机
但是，这种半自动的网球捡球工具仍有不足之处。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙。既浪费空间，又影响训练人员打球，因为在它捡球的过程中运动员不方便打球。还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。如若配置专门的捡球人员则浪费了人力资源。而且，它只适用于地上球较多的情况，但是地上球多会影响运动员打球。地上球少时则没有必要用上述捡球车。因此，它的适用环境较局限，未实现捡球过程的完全自动化、智能化。
为了克服以上半自动网球捡球机的不足之处，构思一种捡球机，使其具有很高的捡球效率和多重自动控制模式，无卡求现象，无盲点等。该网球捡球机可以使网球参与者拥有更多的练球时间和休息时间
3 相关产品专利与技术发展现状
经过图书馆和网络资源查询已知，获得的有关专利与产品如下表3-1所示。
表3-1
4 网球捡球机的工艺动作及功能分解
4.1网球捡球机的工艺动作可分解为：
（1） 收到球如图（a）；
（2） 带球向上运动如图(b)；
（3） 使球进入球篮如图(c).
图（a）
图（b）乒乓球捡球机
图（c）
4.2网球捡球机的功能可分解为：
（1）捡球系统；
（2）行走系统。
5 运动方案及选择
5.1 捡球系统设计
5.1.1 方案一
此方案是靠摩擦力来实现捡球收球,捡球步骤为:
(1)接触到球,如图5.1.1(a)所示。
智能网球捡球机的研制
【摘要】综述了目前国内外市面上主要网球捡球机的原理与特点，同时针对现有捡球机的不足之处设计了一款新型的智能网球捡球机。智能网球捡球机由视觉系统、驱动装置、捡球装置和中央处理器组成，以蓄电池供电，并用单片机作为控制核心对寻球机构、捡球装置进行高效集中的控制。智能网球捡球机能够完成网球的搜寻与捡取，可以方便捡拾网球场上散落的网球。它体积小，自动化程度高，能实现自动智能捡球，节省人力资源。
【关键词】捡球机；自动化；超声波；单片机；运动控制
1.引言
为了方便捡球，目前市场上出现了一类手推式网球捡球车。此类捡球车为半自动式，需要有人操作。人把捡球车推到需要捡起的球前，然后捡球车把球拨入车中。此类捡球机相对纯粹的人工捡球在效率上有一定的提高。
但是，这种半自动的网球捡球工具仍有不足之处。它体积大且重，相对于智能化捡球机比较笨拙。既浪费空间，又影响训练人员打球，因为在它捡球的过程中运动员不方便打球。还需要人工操作，相对于智能化捡球机浪费了不必要的时间与体力。如若配置专门的捡球人员则浪费了人力资源。而且，它只适用于地上球较多的情况，但是地上球多会影响运动员打球。地上球少时则没有必要用上述捡球车。因此，它的适用环境较局限，未实现捡球过程的完全自动化、智能化。
为了克服以上半自动网球捡球机的不足之处，作者研制了能够实现网球捡球过程的自动化、智能化、高效化的智能网球捡球机。智能网球捡球机由视觉系统、运动系统，捡球系统和中央处理器组成，能够检测到掉落的网球，对网球进行准确的定位，并能够准确走到网球的位置，完成捡球动作。在整个捡球过程中，智能网球捡球机独立完成寻球、行走、捡球动作，不需要人的参与。既节省了运动员的时间、体力与不必要的人力资源，又实现了捡球过程的高效、快捷。符合当今各领域产品智能化、自动化的趋势[1]。
2.智能网球捡球机的工作原理
2.1 智能网球捡球机的组成部分
智能网球捡球机设计的关键是实用性及可靠性，因而结构稳定、操作简便、维修方便、适应性强成为主要的设计口标[2]。为了满足实用性的要求，智能网球捡球机在结构上由运动系统、视觉系统、捡球部分组成，如图1所示。
2.1.1 运动系统
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
北京四中机器人小组制作的智能捡球机器人依靠摄像头、红外传感器、光电传感器进行周围环境的感知，综合使用了PC机图像识别、8051单片机编程、串行口通讯等技术，来使机器人完成在乒乓球运动员进行训练时完全取代人一刻不停地进行捡球的工作。
机器人对于球的工作范围的定位主要通过图像识别完成的。 尽管选题叫做“检球机器人”，实际叫做“吸球机器人”更为贴切。因为“捡”的动作实际是由风扇负压方式完成的。当乒乓球处在吸球管口的附近时，会触发一组光电传感器，单片机感知到信号后，启动风扇抽出集球盒内的空气，乒乓球就在气压作用下被吸到了集球盒里。除了负压吸球系统外，机器人的硬件部分还包括：可以通过电磁继电器调节仰角的摄像头，两组驱动直流电机，一台笔记本电脑，一块 8051芯片，以及电路部分等。
通过两年来参加机器人小组得到的经验，我们认为机器人能否具有一定的实用性，除了能够顺利完成制定的工作外，还应该能够随机处理各种复杂的实际情况。为了能够在实用性上有所进展，我们除了通过图像识别技术精确定位乒乓球外，还在如下几方面进行了更进一步的开发：
1．在程序上自创了“数字墙”图形处理技术，可以通过色带圈定机器人捡球的区域，机器人在进行每一步工作前首先会判断自己是不是己经走到了圈定范围之外，如果是，则会自动退回到圈内。这样做可以防止机器人为了搜索乒乓球而走到很远的地方。之所以称之为“数字墙”，是因为图形处理程序可以让机器人忽略掉色带圈定范围之外的所有物体，仿佛在机器人面前筑起了一堵墙。“数字墙”技术是本作品的最主要创新点和技术点。
2．我们在色带的拐角处放置了一个用特殊颜色标记的浅底球盒，一旦机器人经过大范围搜索，认为圈内已经没有球，或者储球仓已经装满时，则会沿着色带前进，最终找到纸盒，把球"吐"到纸盒里。
3．机器人前端设置了五个红外传感器和两个微动开关，每时每刻都受到单片机的监控。一旦某个元件被触发，则立刻由单片机调用相应的避障程序，从而实现了机器人的应激性。
4．为了适应各种场合的实际需要，在编程时我们设置了两种工作模式：第一种工作模式在启动后进人待命状态，只有视野内出现乒乓球才开始正常工作，捡完球后，又一次进入待命状态，适合于场地较小，乒乓球较少的情况；第二种工作模式则没有设置待命状态，机器人在一开始和每次放球之后都会对场地继续进行大范围搜索，适合于场地较大，乒乓球较多的情况。
在具体使用时，您将会看到智能捡球机器人以如下方式进行工作： 如果设定为工作方式一，则机器人在启动后首先进入待命状态。在待命状态下，机器人会以“低头”、“抬头”的方式交替地进行近处、远处乒乓球的原地寻找，一旦发现乒乓球，则进入正常工作状态。在正常工作状态下，PC机随时通过摄像头处理色带、乒乓球的位置、角度，把转向、前进的距离等指令发送到单片机，单片机根据发送协议完成各种工作。在捡球时，“数字墙”程序可以计算出某一次动作是
否可能是机器人走到色带之外，一旦发现，就会让机器人走回色带。当摄像头的视野内没有乒乓球的时候，程序调用无球处理模块，机器人以如下方式进行搜索：左转60度搜索-->抬高摄像头再次搜索-->右转60度搜索-->抬高摄像头再次搜索-->回到原位，前进50厘米，如果距离色带很近，则根据与色带的角度选择最佳转向方向转向，前进。以上每一步中如果发现乒乓球，都会立刻执行捡球程序。当PC机记录的转向次数达到四次时，机器人执行放球程序。首先，机器人会前进到色带近处，之后通过程序的处理，使机器人沿色带前进，直到看见纸盒的标记时，机器人会原地转 180度，倒车行进直到看到另一个提示放球的标记后，机器人打开储球仓的后门，乒乓球就依靠自身重力掉到纸盒里面去了。完成工作后，两种工作模式分别会选择进入待命状态或进入无球模块继续搜索。 智能捡球机器人可算是我们机器人小组成员两年来工作成果的一个综合展示。每一个成员都为之付出了极大的心血。通过这次经历，我们充分体会到了科学研究的艰辛、学以致用的满足、以兴趣为动力的乐趣。可以说，不管比赛结果怎样，我们已经享受到了科学研究的快乐。
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