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摘  要：结合市面上已有的发球机，分析其功能及结构，设计一款模拟运动员击球高度，击球风格，击球方向的自动排球发球机。为了模拟训练和比赛时迎球的高度和方向不一，采用叉剪机构来控制击球平台的高度；为了击球稳定采用气缸或者液压缸将球送入。击球效果方面，击发机构由电机驱动的两个滚轮构成，通过改变滚轮的转速，达到球摩擦射出的初速度不同。锁定球场边界和球网，再改变发射台的角度和出球速度来实现定点击球和后续模拟不同种类的发球实现场内随机落球。发球机具有使用频率高，使用时间长的特点，结合这些特点，拟设计模块化机械结构以使发球机在单个单元出现故障时及时更换。

关键词：升降系统，模块化

结合市面上已有的发球机，分析其功能及结构，设计一款模拟运动员击球高度，击球风格，击球方向的自动排球发球机。

为了模拟训练和比赛时迎球的高度和方向不一，采用叉剪机构来控制击球平台的高度；为了击球稳定采用气缸或者液压缸将球送入。击球效果方面，击发机构由电机驱动的两个滚轮构成，通过改变滚轮的转速，达到球摩擦射出的初速度不同。锁定球场边界和球网，再改变发射台的角度和出球速度来实现定点击球和后续模拟不同种类的发球实现场内随机落球。

发球机具有使用频率高，使用时间长的特点，结合这些特点，拟设计模块化机械结构以使发球机在单个单元出现故障时及时更换。

0  引言

当今时代，科技在各方面当中所占的比重越来越大。体育运动正从依靠前辈的经验的时代过渡到应用科技的时代。随着当今竞技体育水平的不断提高，天赋所占的比重越来越小，训练所占的比重越来越大。在排球运动中，球的状态多种多样，单独依靠人工发球不仅对人的体力以及精力是极大的考验，而且失误也是不可控的。

1  排球的旋转分析

排球运动中排球的旋转是不可忽视的影响排球运动轨迹的因素。所以研究一个发球机要分析出排球不同旋转时的运动情况。

由于排球旋转时带动空气运动，使得排球不同方位的空气相对排球的速度不同。根据伯努利原理，空气流动速度不同压强也不同，使得球不同方向所受的压力不同。主要分为上下旋、左右旋以及不旋转的球。其中上下旋以及不旋球在比赛中应用最多。

2  发球机的机械结构

2.1  击发机构

此机构为发球机的核心部分。如图所示，排球从位置一受到两个橡胶轮的摩擦力的作用，在此期间加速以及施加旋转。但经过实验发现，当电机达到一定转速之后，单纯的摩擦会由于摩擦系数的原因导致只施加摩擦力排球的速度会达到一个上限，所以通过缩短两个橡胶轮的间距为排球施加一个压力，提高排球速度的上限。通过控制电机的转速使得排球有不同的旋转。橡胶的材质可以保证发射过程中排球的表面不被磨损。发射机构的两个橡胶轮固定在云台上，云台由多个电机以及传动机构组成。由于排球在空中的运动也要纳入模拟范畴，所以不能单纯的依靠两个发射橡胶轮来模拟不同种类的球。云台可以在水平方向控制俯仰角，以控制排球初速度的方向，用以模拟发球，吊球以及扣球的初速度方向。使得排球可以以不同的角度发射出去。云台可以使排球以不同的角度和旋转方向被发射出去。在国际大赛中侧旋球失误率高且威胁性低，所以使用侧旋球较少。故考虑到实用性以及成本，本产品不具备发侧旋球的功能。

工作时，通过控制滑块的前后位置差，调整摩擦轮的偏转角度，让上下摩擦轮偏转不同角度、旋转不同的转速，打出不同效果的击发球。启动电机，由二轴连杆机构带动整个击发机构在竖直平面旋转一定角度，让球从不同角度打出。

2.2  底座

底座由金属底板和四个麦克纳姆轮组成。为保证发球机可以在球场上穿梭以达到发出不同状态排球的目的，四个角的麦克纳姆轮都单独连接电机，四驱系统可以使整个装置实现更多灵活的移动。

2.3  升降机构

在研究了排球运动中的不同发球后，发现大致可分为大力旋转发球，小力飘球以及近些年出现 的新技术大力跳飘。大力跳飘威胁性大，既具备了大力跳发的速度，又有跳飘的轨迹不可预测，且速度快的飘球轨迹的变化幅度更大。如果想要大力跳飘则必须有一个高的击球点，而市面上大多数的发球机通过加大仰角通过旋转来模拟高击球点的发球，这种方法可以模拟大力旋转跳发，但是具有不能模仿大力跳飘的局限性，如果加大仰角并加大发球速度的话，由于没有旋转的下坠会导致排球出界。所以跟上发球技术的进步需要为发球机添加可变击发高度的功能。本装置通过升降机构来改变击发装置的高度。为了使发球机可以做到在不同高度进行发球，设计使用叉剪机构来使击发模块升降。

2.4  模块化设计

发球机的可动结构较多，发球机在具有使用频率高，使用时间长的特点。采用模块化设计使发球机不同结构发生故障时可单独更换。降低维修升本，提高维修效率。

3  总结与展望

设计的排球发球机基于两个摩擦轮的差速实现排球不同旋转。通过二维云台实现对发球角度的控制。通过升降机构实现发球高度的变化。通过麦克纳姆轮实现发球机在球场上的自行移动。

计划在此设备的基础上增加视觉系统，通过摄像头锁定场地边线，排球轨迹及落点和运动员的位置。收集信息以及通过大数据分析球员的防守区域，一传到位率等技术信息。

参考文献

[1]韩春明，吴丝琴.排球发球机的工业设计研究[J].科技与企业，2012（04）：222+224.DOI：10.13751/j.cnki.kjyqy.2012.04.052.

[1]丁峰. 一种新型排球发球器的设计[D].合肥工业大学，2009.

[1]王健. 排球发球器的研究与改进[D].合肥工业大学，2009.