专利名称：全自主中型足球机器人踢球机构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于全自主中型足球机器人，涉及一种全自主中型足球机器人踢球机 构，是一种能使球能沿任意平面空间角度射出的踢球机构。
背景技术：
在全自主中型机器人足球比赛中要解决的首要问题之一是传球和射门。目前，国 内全自主中型足球机器人常用的踢球机构都是由一组固连在基座上的机械元件组成，一般 组成部分有踢球杆、踢球力来源元件(如电磁铁，气缸，气动肌腱等)、踢球杠杆、及一些固定 连接零件组成。但是，由于现有的机械结构特性的限制，这种踢球机构只能使球沿着全自 主中型足球机器人的正前方挑出，从而限制了全自主中型足球机器人的进攻能力和防守能 力。基于上述缺点且为了使全自主中型足球机器人能够进一步接近人类传球和射门的水 平，提高其在比赛场地上的进攻灵活性和防守灵活性，所以迫切需要设计新型的踢球机构。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有的踢球机构不能使球按任意平面空间角度射出 的不足，提供一种全自主中型足球机器人踢球机构，能使球能按照期望的空间角度射出，即 使在困难的情况下，也能达到理想的效果。为了达到上述目的，本实用新型的构思是1.机械结构部分通过控制踢球面(1，见附图1，下同)相对于足球的空间位置来 改变足球的受力点，从而达到控制踢球角度的目的。踢球面是与踢球杆(2 )连接在一起的， 通过一个由两个单轴驱动器(即9 水平螺杆，15 垂直螺杆)组成的平台来控制其移动，其 移动的同时也改变着足球的受力点。踢球面与足球是点接触的，因此可以知道在足球的受 力点上，作用于该点的作用力方向是通过球心的，则出球角度变得可控。当踢球面的中心和 足球的球心在同一水平线上时，在运动控制部分的控制下，就可以实现平射的目的。2、运动控制部分两个单轴驱动器(即水平螺杆和垂直螺杆)分别由独立的步进电 机(10) (16)带动，步进电机分别由独立的电机驱动电路驱动，整个系统的控制芯片采用 FPGA，电机驱动电路的信号由FPGA发出。当FPGA接收到上位机发出的踢球信号时，立即发 出信号使气缸释放气体，从而驱动踢球面执行踢球射门动作，该动作在瞬间完成。根据上述实用新型构思，本实用新型采用下述技术方案一种全自主中型主球机器人踢球机构，包括基座构架和踢球机构，其特征在于所 述基座构架的一个安装座上安装二维移动机构，该二维移动机构连接所述踢球机构。所述基座构架的结构是由四根型材通过四个型材连接块固定连接成四方形底 座，另两根竖直的型材与该四方形底座垂直固定连接，并在该两根竖直的型材的顶端固定 连接所述安装座。所述二维移动机构的结构是两根水平平行道轨固定安装在所述安装座上，该两 根水平道轨的一端固定连接一个水平驱动电机安装座，另一端滑配一个水平移动螺母，在所述的水平驱动电机安装座上安装一个水平驱动电机，该电机输出轴联接一根水平螺杆， 该水平螺杆与所述水平移动螺母旋配；所述水平移动螺母通过一个三角连接块固定连接两 根垂直平行道轨，该两根垂直平行道轨的上端固定连接一个垂直驱动电机安装座，另一端 滑配一个垂直移动螺母，在所述垂直驱动电机安装座上安装一个垂直驱动电机，该电机输 出轴联接一根垂直螺杆，该垂直螺杆与所述垂直移动螺母旋配。所述踢球机构的结构是一根连杆的上端与所述垂直移动螺母固定连接，而下端 通过一个铰接块铰接一根踢球杆，该踢球杆的下端连接一块踢球面板；所述连杆还与一个 气缸固定连接，该气缸前端连接一个气缸连接头对准所述踢球杆。本实用新型与现有技术相比较，具有以下显而易见的特点和优点第一，能够实现踢球机构的踢球动作执行部分在水平方向和垂直方向所合成的平 面内精确移动，让球沿任意平面空间角度射出；第二，能够实现挑射和平射两种动作，且可 以根据需要进行切换。在全自主中型足球机器人比赛中，与现有的踢球机构相比，采用该新 型踢球机构的足球机器人能够有更多的射门角度可供选择，增加射门机会及进球几率。
图1本实用新型的机械结构图；图2本实用新型的运动控制框图；图3水平方向和垂直方向的合成运动效果图；图4本实用新型的程序流程图。
具体实施方式
本实用新型的优选实施例结合附图说明如下实施例一参见图1，本全自主中型足球机器人踢球机构，包括基座构架和踢球机 构，所述基座构架的一个安装座6上安装二维移动机构，该二维移动机构连接所述踢球机 构。实施例二 本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下上述基座构架的结构 是由四根型材12通过四个型材连接块13固定连接成四方形底座，另两根竖直的型材12 与该四方形底座垂直固定连接，并在该两根竖直的型材12的顶端固定连接所述安装座6。上述二维移动机构的结构是两根水平平行道轨18固定安装在所述安装座6上， 该两根水平道轨18的一端固定连接一个水平驱动电机安装座20，另一端滑配一个水平移 动螺母17，在所述的水平驱动电机安装座20上安装一个水平驱动电机10，该电机输出轴联 接一根水平螺杆9，该水平螺杆9与所述水平移动螺母17旋配；所述水平移动螺母17通过 一个三角连接块8固定连接两根垂直平行道轨7，该两根垂直平行道轨7的上端固定连接 一个垂直驱动电机安装座19，另一端滑配一个垂直移动螺母14，在所述垂直驱动电机安装 座19上安装一个垂直驱动电机16，该电机输出轴联接一根垂直螺杆15，该垂直螺杆15与 所述垂直移动螺母14旋配。上述踢球机构的结构是一根连杆15的上端与所述垂直移动螺母14固定连接，而 下端通过一个铰接块4铰接一根踢球杆2，该踢球杆2的下端连接一块踢球面板1 ；所述连 杆5还与一个气缸11固定连接，该气缸11前端连接一个气缸连接头3对准所述踢球杆2。[0023]实施例三本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下本全自主中型足球机 器人新型踢球机构运动控制部分主要由FPGA控制芯片及相应的外围电路和执行机构组 成。其运动控制框图如附图2所示。FPGA具有超大规模的单芯片容量和硬件电路的高速并行运算能力，在高速复杂逻 辑处理方面具有独特的优势。FPGA发出脉冲信号和方向信号给电机驱动电路来控制步进电 机的运动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在 非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载 变化的影响，当电机驱动电路接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动 一个固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉 冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电 机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。外围电路包括USB通道，编码器反馈通道，电机驱动电路，电磁阀及其控制电路。 USB通道用来完成上位机与底层FPGA控制芯片的通信；编码器通道用来完成电机到FPGA 的反馈，电机运动采用闭环控制；电机驱动电路用来驱动电机运动，包括正反运动及步进电 机细分运动。电磁阀及其控制电路用来控制气缸内气体的释放，气体释放时间有FPGA控 制。执行机构主要包括步进电机、气缸和踢球面。步进电机带动踢球面运动，在运动过 程中，当FPGA接收到上位机发出的踢球信号时，立即发出信号使气缸释放气体，且释放时 间可控，从而驱动踢球面执行踢球射门动作，该动作在瞬间完成。本实用新型所涉及的水平螺杆与垂直螺杆长度相等(为了便于分析，我们将水平 螺杆和垂直螺杆模型化为X轴和Y轴，则踢球面的运动为X-Y平面运动)，即X方向和Y方 向长度相等。踢球面在X方向和Y方向的运动的合成是一个边长为d的正方形，如图3所 示，图中黑点的位置为踢球面的初始位置，即正方形的中心位置。系统上电后，水平螺杆驱动水平螺母位于水平方向电机轴的中间位置，垂直螺杆 驱动垂直螺母位于垂直方向电机轴的中间位置，所以踢球面位于期望的初始位置上，即图3 正方形的中心位置。程序运行后，两个移动螺母同时运动，即水平螺杆向左运动同时垂直螺 杆向上运动，系统实现了同时向上向左运动。在本实用新型中，我们设置X方向电机和Y方 向电机运行速度相等，那么在X方向上和Y方向上，由于初始位置在正方形的中心位置，水 平螺杆和垂直螺杆的滑动螺母将会同时到达边界。程序在运行过程中会不停地就收电机的 反馈信息，以此判断水平移动螺母和垂直移动螺母是否到达边界，若到达边界，则开始同时 向下向右运动，向下向右运动的分析过程与同时向上向左运动的分析过程相似。当水平螺 杆和垂直螺杆各自的移动螺母同时到达各自的边界时，程序经过分析判断，会控制移动螺 母再做同时向上向左运动，如此循环进行下去。其程序流程图如图4所示。由于踢球面板被固定在垂直移动螺母上，而垂直移动螺母的移动会随着水平移动 螺母的移动而移动，所以踢球面可以实现在水平螺杆和垂直螺杆所组成的X-Y平面内任意 移动的目的。基于以上，本实用新型所涉及的全自主中型足球机器人新型踢球机构的踢球射门 动作执行过程如下所述，由四部分组成第一部分是固定基座上的水平移动螺母进行水平方向(即X方向)上的左右运动。在左右运动的同时可以与垂直方向运动合成平面运动。第二部分是固定在水平移动螺母上的垂直移动螺母进行垂直方向(即Y方向)上的 升降运动。在垂直运动的同时可以与水平方向运动合成平面运动。第三部分，基于前两个部分，是固定在垂直移动螺母上的踢球面板在水平螺杆和 垂直螺杆所组成的X-Y平面内任意移动。第四部分，基于前三个部分，是踢球面板在气缸的作用下进行足球挑射运动，且该 挑射运动是踢球面板在两个移动螺母的水平运动和垂直运动所合成的平面内运动时进行 的。这四部分运动的合成实现了本实用新型所涉及的全自主中型足球机器人新型踢 球机构的射门及传球动作，实现了本实用新型所要实现的目的，并且即使在困难的条件下 也能达到理想的效果。
权利要求1.一种全自主中型足球机器人踢球机构，包括基座构架和踢球机构，其特征在于所述 基座构架的一个安装座(6)上安装二维移动机构，该二维移动机构连接所述踢球机构。
2.根据权利要求1所述的全自主中型足球机器人踢球机构，其特征在于所述基座构架 的结构是由四根型材(12)通过四个型材连接块(13)固定连接成四方形底座，另两根竖直 的型材(12)与该四方形底座垂直固定连接，并在该两根竖直的型材(12)的顶端固定连接 所述安装座(6)。
3.根据权利要求2所述的全自主中型足球机器人踢球机构，其特征在于所述二维移动 机构是两根水平平行道轨(18)固定安装在所述安装座(6)上，该两根水平道轨(18)的一 端固定连接一个水平驱动电机安装座(20)，另一端滑配一个水平移动螺母(17)，在所述的 水平驱动电机安装座(20)上安装一个水平驱动电机(10)，该电机输出轴联接一根水平螺 杆(9)，该水平螺杆(9)与所述水平移动螺母(17)旋配；所述水平移动螺母(17)通过一个 三角连接块(8)固定连接两根垂直平行道轨(7)，该两根垂直平行道轨(7)的上端固定连接 一个垂直驱动电机安装座(19)，另一端滑配一个垂直移动螺母(14)，在所述垂直驱动电机 安装座(19)上安装一个垂直驱动电机(16)，该电机输出轴联接一根垂直螺杆(15)，该垂直 螺杆(15)与所述垂直移动螺母(14)旋配。
4.根据权利要求3所述的全自主中型足球机器人踢球机构，其特征在于所述踢球机构 的结构是一根连杆(15)的上端与所述垂直移动螺母(14)固定连接，而下端通过一个铰接 块(4 )铰接一根踢球杆(2 )，该踢球杆(2 )的下端连接一块踢球面板(1)；所述连杆(5 )还与 一个气缸(11)固定连接，该气缸(11)前端连接一个气缸连接头(3)对准所述踢球杆(2)。
专利摘要本实用新型涉及一种全自主中型足球机器人踢球机构，它包括基座构架和踢球机构，基座构架的一个安装座上安装一个二维移动机构，该二维移动机构连接上述踢球机构。本实用新型的踢球动作采用基于FPGA的步进电机双轴驱动器来实现。本实用新型的优点是第一，能够实现踢球机构的踢球动作执行部分在水平方向和垂直方向所合成的平面内精确移动，让球沿任意平面空间角度射出；第二，能够实现挑射和平射两种动作，且可以根据需要进行切换。即使在困难的情况下，也能达到理想的效果。
文档编号A63H13/04GK201912767SQ20102068311
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者刘云飞, 刘军江, 张方杰, 桂春胜, 陈万米, 陈海波, 黄慎之, 黄潮炯 申请人:上海大学