專利名稱：一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于排球?qū)ｍ椨柧毜妮o助系統(tǒng)，尤其是基于單片機控制的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，該機械手模擬攔網(wǎng)運動員手臂的左右擺動和伸縮動作，提高排球運動員的扣球技術水平。
背景技術：
扣球是排球運動中發(fā)、墊、傳、扣、攔的五大技術之一。在排球比賽中，扣球是主要的得分技術。在關鍵時刻，能否扣球得分，關系到在比賽中能否獲得主動權(quán)甚至是比賽的勝利。一個排球運動員要熟練的掌握扣球技術，都必須要經(jīng)過長期的專項訓練，基于科學訓練理論和技術，適當引入輔助訓練系統(tǒng)和專用設備，可以有效減少陪練教練的工作強度，可以為提高運動員的訓練水平提供必要的技術保障。目前，排球運動專項訓練輔助設備的科學研究工作雖已取得豐富成果，但是在產(chǎn)品化和商用方面尚處于起步階段，不能夠滿足當前國際排球技術發(fā)展對排球?qū)ｍ椨柧毾到y(tǒng)的科學化、信息化和工業(yè)化需求，在一定程度上阻礙了我國排球運動的發(fā)展進程。如中國專利CN201701712U中設計的排球扣球手法輔助練習器，該設計的主要是構(gòu)成是一個長手柄與一對模擬手掌，兩者相連接構(gòu)成該排球球扣球手法輔助練習器。陪練教練手握長手柄，伸舉模擬手掌進行攔網(wǎng)。雖然應用該排球扣球手法輔助練習器，可以避免陪練教練的起跳動作，但對陪練教練的體能有一定要求。在專利“一種用于排球扣球技術訓練的機械手”中設計的機械手，可以實現(xiàn)訓練前調(diào)節(jié)好機械手的高度及與水平面的夾角并將其固定，訓練過程中陪練教練在場地外使用鍵盤控制模擬手的伸縮。雖然應用該機械手，可以降低對陪練教練的體能要求，但該用于排球扣球技術訓練的機械手只有三個自由度，即機械手的上下移動、機械手與水平面的夾角可調(diào)以及模擬手的伸縮。該用于排球扣球技術訓練的機械手只能在某一特定位置進行攔網(wǎng)，攔網(wǎng)范圍小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠模擬攔網(wǎng)真實情境的簡單、安全和實用的輔助訓練系統(tǒng)。在排球扣球技術訓練中使用該機械手，排球運動員可以針對某一范圍的攔網(wǎng)多次練習某些專項扣球技術。陪練教練在場地外通過按鍵控制輔助訓練系統(tǒng)工作。本發(fā)明所采用的技術方案-種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是底座(I)為圓柱形，該底座(I)中心處圓柱形凹槽，凹槽內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，立柱(2)為圓柱形，該立柱(2)底端外周上設有與凹槽內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，該底座(I)與該立柱(2)通過螺紋機械旋
接在一起。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是支架(3) —端為圓柱形套筒，一端為T型，支架(3)的圓柱形套筒可無縫隙的套在立柱(I)上，并可在無阻礙的情況下沿立柱(I)下上下移動。套筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，旋鈕(9)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9)，可緊固該支架(3 )與該立柱(2 )，使該支架(3 )固定于該立柱(2 )上，不可上下要移動。向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9)，該支架(3)與該立柱(2)松開，該支架(3)可以在沿立柱(2)上下移動，從而調(diào)節(jié)機械手的高度。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是箱體外殼(4)的左側(cè)表面突出兩個圓筒，這兩個圓筒可無縫隙的套接在支架(3)的T型兩端，并可在無阻礙的情況下做以該支架(3) T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動，圓筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，兩個旋鈕(10、11)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，可緊固該箱體外殼(4 )與該支架(3 )，該箱體外殼(4 )不轉(zhuǎn)動，向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，該箱體外殼(4)與該支架(3)松開，該箱體外殼(4)可以做以該支架(3) T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)機械手與水平面夾角。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是箱體外殼(4)的右側(cè)表面有兩個圓孔以及前表面的左下角處有一個圓孔，連接鍵盤模塊(14)的導線從箱體外殼(4)的下表面的圓孔引出，控制兩根連臂(5、6)轉(zhuǎn)動的兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸分別從箱體外殼(4)的右側(cè)表面的兩個圓孔伸出，兩根連臂(5、6)的一端分別與兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸通過螺絲固接在一起，兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便可帶動兩根連臂(5、6)做機械轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的左右擺動。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是兩只模擬手(7、8)分別和兩根連臂(5、6)通過兩個肘關節(jié)(12、13)連接在一起，兩個肘關節(jié)(12、13)內(nèi)分別有一個步進電機，兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便可帶動兩只模擬手(7、8)做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是電源模塊用于為控制部分的各模塊提供能量。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是鍵盤模塊(14)上設有5個按鍵，5個按鍵分別為“L”鍵(Left)、“R”鍵(Right)、“E”鍵(Extend)、〃S〃鍵(Shrink)和〃D〃鍵(Disjunctor),當“L”鍵按下時,兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向左轉(zhuǎn)動，當“R”鍵按下時，兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向右轉(zhuǎn)動，當“E”鍵按下時，兩只模擬手(7,8)伸出，當〃S"鍵按下時，兩只模擬手(7、8)縮回，當"D"鍵按下時，若電源模塊為開啟狀態(tài)，則單片機控制電源模塊關閉，若電源模塊為關閉狀態(tài)，則單片機控制電源模塊開啟。所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是步進電機驅(qū)動器根據(jù)單片機給出的控制信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動兩根連臂(5、6)的轉(zhuǎn)動以及兩只模擬手(7、8 )做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。所述的用于排球扣球技術訓練的機械手，其特征是步進電機驅(qū)動器根據(jù)單片機給出的控制信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動兩根連臂(5、6)的轉(zhuǎn)動以及兩只模擬手(7、8 )做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。本發(fā)明的優(yōu)勢在于本發(fā)明能夠模擬單人攔網(wǎng)，為排球運動員提供排球扣球技術訓練的真實環(huán)境，從而獲得良好的訓練效果。排球運動員還可以針對某一范圍的攔網(wǎng)多次練習某些專項扣球技術，提高專項技能水平。陪練教練在遠離排球網(wǎng)的位置按鍵控制模擬手掌的伸縮，不必進行起跳，不消耗大量人力，避免起跳給腳踝、膝蓋、手指帶來的意外傷害。
圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明系統(tǒng)工作流程示意圖；圖3是本發(fā)明中控制部分的各模塊連接關系示意圖；圖4是本發(fā)明中控制部分的電路結(jié)構(gòu)示意具體實施例方式一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，第一自由度為機械手的上下移動，第二自由度為機械手與水平面的夾角可調(diào)，第三自由度為機械手的左右擺動，第四自由度為模擬手的伸縮。該用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手包括機械部分和控制部分兩部分。陪練教練在場地外，操作鍵盤模塊(14)，通過按鍵的不同輸入不同的信號，單片機根據(jù)輸入信號的不同向步進電機驅(qū)動器輸出不同的信號，步進電機的轉(zhuǎn)軸根據(jù)步進電機驅(qū)動器控制信號的不同做出相應的轉(zhuǎn)動，從而帶動機械手的擺動以及兩只模擬手(7、8)的伸縮，達到模擬攔網(wǎng)的目的。所述機械部分包括一個底座(I)、一根立柱(2)、一根支架(3)、一個箱體外殼
(4)、兩根連臂(5、6)、兩只模擬手(7、8)和兩個肘關節(jié)(12、13)。機械部分的實施方式如下底座(I)為圓柱形,半徑為200mm,高為200mm。底座(I)中心處有一半徑為50mm,深度為80mm的圓柱形凹槽，凹槽內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋。立柱(2)為圓柱形,半徑為50mm,高為2000mm。該立柱底端外周上設有與凹槽內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，該底座(I)與該立柱(2)通過螺紋機械旋接在一起。支架(3)—端為圓柱形套筒，一端為T型。支架(3)的圓柱形套筒可無縫隙的套在立柱(I)上，并可在無阻礙的情況下沿立柱(I)下上下移動。套筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，旋鈕(9)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9)，可緊固該支架(3)與該立柱(2)，使該支架(3)固定于該立柱(2)上，不可上下要移動。向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9 )，該支架(3 )與該立柱(2 )松開，該支架(3 )可以在沿立柱(2 )上下移動，從而調(diào)節(jié)機械手的高度。箱體外殼(4)為一長方體，該箱體外殼(4)的長為250_，寬為200_，高為200_。左側(cè)表面突出兩個圓筒，這兩個圓筒可無縫隙的套接在支架(3)的T型兩端，并可在無阻礙的情況下做以該支架(3)T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動。圓筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，兩個旋鈕(10、11)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，可緊固該箱體外殼(4 )與該支架(3 )，該箱體外殼(4 )不轉(zhuǎn)動。向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，該箱體外殼(4)與該支架(3)松開，該箱體外殼(4)可以做以該支架(3) T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)機械手與水平面的夾角。箱體外殼(4)的右側(cè)表面有兩個圓孔以及前表面的左下角處有一個圓孔,連接鍵盤模塊的導線從箱體外殼(4)的下表面的圓孔引出，控制兩根連臂(5、6)轉(zhuǎn)動的兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸分別從箱體外殼(4)的右側(cè)表面的兩個圓孔伸出。兩根連臂(5、6)的一端分別與兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸通過螺絲固接在一起。兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便可帶動兩根連臂(5、6)做機械轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的左右擺動。轉(zhuǎn)動角度以及轉(zhuǎn)動速度由單片機編程控制。兩根連臂(5、6)的另一端分別與兩只模擬手(7、8)通過兩個肘關節(jié)(12、13)連接在一起。兩只模擬手(7、8)的手臂長為250mm，寬為100mm。兩只模擬手(7、8)分別與兩個肘關節(jié)(12、13)內(nèi)的兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸通過螺絲固接在一起。兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,便可帶動兩只模擬手(7、8)做伸縮運動。轉(zhuǎn)動角度以及轉(zhuǎn)動速度由單片機編程控制。
上述機械部分的構(gòu)件一個底座(I)、一根立柱(2)、一根支架(3)、一個箱體外殼(4)、兩根連臂(5、6)和兩個肘關節(jié)(12、13)，均采用韌性較好的熟鐵制成。兩只模擬手(7、8)采用彈性較好的輕質(zhì)橡膠制成。
所述的控制部分包括一個鍵盤模塊(14)、一個電源模塊、一個單片機、兩個步進電機驅(qū)動器和四個步進電機?？刂撇糠值膶嵤┓绞饺缦码娫茨K用于為控制部分的各模塊提供能量。鍵盤模塊(14)上連有6根導線，其中I根為地線，另外5根為與單片機I/O端口相連的控制線。鍵盤模塊(14)上設有5個按鍵，5個按鍵分別為“L”鍵(Left)、“R”鍵(Right)、“E” 鍵(Extend)、〃S〃 鍵(Shrink)和 〃D〃 鍵(Disjunctor)。當 “L” 鍵按下時，兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向左轉(zhuǎn)動；當“1 ”鍵按下時，兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向右轉(zhuǎn)動；i“E”鍵按下時，兩只模擬手(7、8)伸出；當〃S"鍵按下時，兩只模擬手(7、8)縮回；當"D〃鍵按下時，單片機首先驗證電源模塊為開啟狀態(tài)還是關閉狀態(tài)，若電源模塊為開啟狀態(tài)，則單片機控制電源模塊關閉；若電源模塊為關閉狀態(tài)，則單片機控制電源模塊開啟。單片機上連有9根導線，其中2根為電源線，還有3根為與鍵盤模塊(14)相連的控制線，另外4根為與步進電機驅(qū)動器相連的控制線。單片機用于存儲程序，識別鍵盤模塊
(14)的輸入信息，并向步進電機驅(qū)動器輸出相應的信息。兩個步進電機驅(qū)動器上各連有8根導線，其中I根為地線，還有3根為與單片機I/O端口相連的控制導線，另外4根為與步進電機相連的控制線。步進電機驅(qū)動器根據(jù)單片機給出的控制信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。四個步進電機上各有4根導線?？刂苾筛B臂(5、6)轉(zhuǎn)動的兩個步進電機上的4根導線均與其中一個步進電機驅(qū)動器相連，控制兩只模擬手(7、8)伸縮的兩個步進電機上的4根導線均與另一個步進電機驅(qū)動器相連。步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動兩根連臂(5、6)做機械轉(zhuǎn)動以及兩只模擬手(7、8)做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。上述控制部分的各模塊中電源模塊和鍵盤模塊(14)構(gòu)造簡單，可以手工制作。上述控制部分的各模塊中單片機、步進電機驅(qū)動器和兩個步進電機均可在市面上買到。單片機選用MSP430系列的單片機，MSP430系列的單片機具有以下特點1、處理能力強2、運算速度快3、超低功耗
在本發(fā)明中，單片機接5V電源，I/O端口被占用6個引腳，工作頻率選為8MHz主頻。步進電機驅(qū)動器選用42 二相步進驅(qū)動器DQ542MA該型號的步進電機驅(qū)動器，采用直流18 50V供電，適合驅(qū)動電壓18V 50V，電流小于4. OA外徑42 86毫米的兩相混合式步進電機。此驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動很小，低速運行很平穩(wěn)，幾乎沒有振動和噪音。高速時力矩也大大高于其它二相驅(qū)動器，定位精度高。在本發(fā)明中，步進電機驅(qū)動器接24V電源，并將電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)分別設置為400兩個步進電機選用42步進電機42BYGHW609，該型號的步進電機42BYGHW609具體參數(shù)如表格I所示
權(quán)利要求
1.一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是底座(I)為圓柱形，該底座(I)中心處圓柱形凹槽，凹槽內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋,立柱(2 )為圓柱形，該立柱(2 )底端外周上設有與凹槽內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋，該底座(I)與該立柱(2)通過螺紋機械旋接在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是支架(3)—端為圓柱形套筒，一端為T型，支架(3)的圓柱形套筒可無縫隙的套在立柱(I)上，并可在無阻礙的情況下沿立柱(I)下上下移動。套筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，旋鈕(9)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9)，可緊固該支架(3)與該立柱(2)，使該支架(3)固定于該立柱(2)上，不可上下要移動。向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(9)，該支架(3)與該立柱(2)松開，該支架(3)可以在沿立柱(2)上下移動，從而調(diào)節(jié)機械手的高度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是箱體外殼(4)的左側(cè)表面突出兩個圓筒，這兩個圓筒可無縫隙的套接在支架(3)的T型兩端，并可在無阻礙的情況下做以該支架(3) T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動，圓筒的側(cè)面有一圓孔，圓孔內(nèi)壁設有內(nèi)螺紋，兩個旋鈕(10、11)底端外周上設有與圓孔內(nèi)壁上的內(nèi)螺紋相配合的外螺紋。向內(nèi)旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，可緊固該箱體外殼(4)與該支架(3)，該箱體外殼(4)不轉(zhuǎn)動，向外旋轉(zhuǎn)該旋鈕(10、11)，該箱體外殼(4)與該支架(3)松開，該箱體外殼(4)可以做以該支架(3) T型的橫桿為軸的轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)機械手與水平面夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是箱體外殼(4)的右側(cè)表面有兩個圓孔以及前表面的左下角處有一個圓孔，連接鍵盤模塊(14)的導線從箱體外殼(4)的下表面的圓孔引出，控制兩根連臂(5、6)轉(zhuǎn)動的兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸分別從箱體外殼(4)的右側(cè)表面的兩個圓孔伸出，兩根連臂(5、6)的一端分別與兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸通過螺絲固接在一起，兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便可帶動兩根連臂(5,6)做機械轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的左右擺動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是兩只模擬手(7、8)分別和兩根連臂(5、6)通過兩個肘關節(jié)(12、13)連接在一起，兩個肘關節(jié)(12,13)內(nèi)分別有一個步進電機，兩個步進電機的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，便可帶動兩只模擬手(7、8)做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是電源模塊用于為控制部分的各模塊提供能量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是鍵盤模塊(14)上設有5個按鍵，5個按鍵分別為“L”鍵(Left)、“R”鍵(Right)、“E”鍵(Extend)、〃S〃 鍵(Shrink)和 〃D〃 鍵(Dis junctor),當“L”鍵按下時,兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向左轉(zhuǎn)動，當“R”鍵按下時，兩根連臂(5、6)相對于排球網(wǎng)向右轉(zhuǎn)動，當“E”鍵按下時，兩只模擬手(7、8)伸出，當〃S"鍵按下時，兩只模擬手(7、8)縮回，當"D"鍵按下時，若電源模塊為開啟狀態(tài)，則單片機控制電源模塊關閉，若電源模塊為關閉狀態(tài)，則單片機控制電源模塊開啟。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，其特征是步進電機驅(qū)動器根據(jù)單片機給出的控制信號，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，從而帶動兩根連臂(5、6)的轉(zhuǎn)動 以及兩只模擬手(7、8)做伸縮運動，達到攔網(wǎng)的目的。
全文摘要
本發(fā)明設計了一種用于排球扣球技術訓練的四自由度機械手，涉及一種用于排球?qū)ｍ椨柧毜妮o助設備。該機械手的四個自由度分別為機械手的上下移動、機械手與水平面的夾角可調(diào)、機械手的左右擺動和模擬手的伸縮。本發(fā)明能夠模擬單人攔網(wǎng)，為排球運動員提供排球扣球技術訓練的真實環(huán)境，從而獲得良好的訓練效果。排球運動員還可以針對某一范圍的攔網(wǎng)多次練習某些專項扣球技術，提高專項技能水平。陪練教練在遠離排球網(wǎng)的位置按鍵控制模擬手的左右擺動以及伸縮，不必進行起跳，不消耗大量人力，避免起跳給腳踝、膝蓋、手指帶來的意外傷害。
文檔編號B25J11/00GK103007510SQ20121053988
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者張?zhí)m超, 蘇暢, 胡文龍 申請人:哈爾濱黑石科技有限公司