设为首页 收藏本站 English

当前位置: 福煌五金网 >> 丝印台

网球挥拍机械手设计与实验研究0反应釜

发布时间:2022-08-12 18:17:06

网球挥拍机械手设计与实验研究

网球挥拍机械手设计与实验研究 1 绪论1.1课题的研究背景及发展趋势 网球运动作为一项深受大众喜爱的热门运动己逐渐进入到现代人的文化生活中,它不仅在政治,经济,文化等领域发挥着巨大功能,而且也在现实生活中潜移默化地影响着人们生活方式。打网球可以使人们动作迅速、判断准确、反应敏捷,提高人的速度、力量、耐力等,对发展身体的协调性也有积极的作用。经常从事网球运动能改善人的心理、生理机能,增强体质,培养勇敢、顽强、拼搏向上的意志品质,更能加强修养、陶冶情操;网球运动是隔网对垒项目,没有身体接触,能减少不必要的伤害,安全,文雅。另外,打网球需要有一个对手或球友,这样通过打网球可以增进友谊,加强团结,交流球艺,开展社交活动。 尽管网球逐渐的大众化,喜爱网球的人越来越多,但是世界各国对网球运动的深度分析尚处于初级阶段,虽然国内外朗:多学者对网球运动进行了许多研究,但大多都停留在表嘶层次且多集中在某几个方面,尚未对网球运动进行深入的、系统的研究。随着网球运动的发展,国外对网球运动的研究也随之进入到一个更高的层次,国外已有研究人员利用机械电子技术搭建模拟人击球的实验平台来分析运动员击球过程中手臂各个部位的受力情况、击球过稗中消耗的能量、手臂所产生的阻抗以及如何优化击球动作,但这些模型比较简单,不能精确的反映研究对象的状态变化,然而国内在这方面的研究还是一片空白。1.2 课题的研究意义及研究目的 网球挥拍机械手试验甲台在网球运动研究中有诸多优点,它可以模拟人击打网球的整个动作,不但可以单独研究某一个部位受力状况,还能够将网球的运动轨迹、网球与球拍的碰撞、拍弦的变形、球拍的变形、手掌与球拍连接处受力状况和腕关节、肩关节、髋关节、大臂、小臂的受力状况结合起来作为一个整体来研究,可以同时测得手臂各个部位的受力状态,消除了分别测试各个部位受力状态时在时间上产生的误差,打破了单独研究某一个部位的局限性;还可测得击球时消耗的能量、手臂产生的阻抗,为优化击球动作提供参考依据;利用网球机器人模拟不同的击球动作就可获得不同的受力状态,为科学分析击球动作提供参考依据,通过研究肘部的受力状态还可以寻找网球肘的成因,为治疗网球肘提供科学依靠。 目前国内网球球馆的设备仍存在着较大的缺陷,所使用的网球训练设备,科技含量低,价格高,易损坏。人们热切期待一种能够迅速提高网球技术而且费用低廉的网球训练设备,网球挥拍机械手实验p台可以很好的满足网球爱好者的需求,它可模拟人类打球动作,实现不同的挥拍动作。网球挥拍机械手试验甲台还可以用来发球,可以将陪练从枯燥的接发球练习中解脱出来,并且发球时噪音低,网球磨损小,优化练球环境。2 网球正手平击球动作分析 正手击球是网球运动最基本的基础技术,也是比赛中得分和调动对方使其处于被动地位的重要手段。费德勒的正手击球采用半西方式握拍,因其动作优美、功能全面、变化多端、威力惊人、适应性极强而被普遍认为是史上最好的正手。因此本文选取费德勒的正手平击球动作作为研究对象,以此作为网球挥拍机械手实验平台正手平击球挥拍动作的依据。2.1 准备姿势 图1为费德勒的准备姿势,从图中可以看出费德勒的准备姿势是很放松的,双脚开立,略比肩宽,上身稍向前倾并且屈膝,前脚掌撑地以便随时启动;两肘轻触腰侧部,右手轻握拍柄,左手轻扶球拍,球拍置于肚脐与胸的高度之问并保持在身体的中央;抬头向上,目光注视着网球。在准备姿势中,费德勒重心下降,重心落在前脚掌上。

2.2 后摆引拍 当判断出网球的飞行路线、预测出击球点后,费德勒开始做后摆引拍动作,如图2所示。费德勒以腰部为轴开始转动身体,同时双肩右转,上半身整体向右转动90°,左手依然托住球拍以便身体在击球前有更好的预转;随后开始向后摆动球拍。 如图3所示,在后摆引拍过稗中,费德勒迅速向后拉开球拍并转动双肩,重心后移,左臂屈肘前仲协助转体与身体平衡,左手依然轻扶球拍;右手轻握球拍,肘关节角度大约为100度,球拍轴线和拍面也近似垂直地面;后摆引拍时费德勒的手腕翘起,使得拍头高于手腕。后摆引拍时费德勒用腰部和双肩带动手臂和球拍向后运动,而不是手臂单独的运动。 图4为费德勒后摆引拍动作结束时的姿势,此时费德勒左肩对网,右肩和球拍指向身后墙壁,球拍与两肩近似在一条直线上,拍头向上高于右肩约25 cm,拍面开放,球拍轴线和拍面依然近似垂直地面,肘关节角度约为120°。此时左手虽然离开了球拍,但是整个左臂仍然在身体的右侧,通过左臂屈肘前仲可以协助转体和调节身体平衡。后摆引拍动作结束时费德勒的左脚启动,重心开始向右脚转移。

2.3 前挥

由图5可以看出,费德勒双肩、双臂以及髋部保持在同一侧,持拍手臂在腰部以上位置,左臂伸出对准来球,以右脚为轴丌始转动腰部和双肩,左脚开始向前跨出;左脚向前跨出的同时,重心和握拍手一起开始下降,手臂和球拍开始沿下弧线运行。

完成上述动作后,费德勒左脚右前方跨出一小步,并且加速转动腰部,用腰部的向左旋转带动手臂和球拍向前运动,同时手臂也做出向前挥拍动作;在前挥过程中球拍轴线旱水平方向,且手臂与地面垂直。在球拍由后方的低处向前方的高处挥动时,费德勒的重心也随着向前上方转移,腿由弯曲变为伸直;同时费德勒的眼睛也始终盯着来球,直至球接触到拍面;在前挥过程中其左臂屈肘前仲协助转体时身体的平衡。完成挥拍时费德勒打开身体面向正前方的球网,费德勒的右手臂并未完全伸直,而是略微屈肘。在整个挥拍动作结束时,拍面向正前方,以保证将球水平击出。图6到图8品示了费德勒前挥的整个过程。

2.4 击球

如图9所示,此时击球点在腰部以上,击球时以肩关节为轴,手腕关闭(固定不动),转动肩膀,用大臂带动小臂、手腕及球拍,用球拍的“甜点’’(网球拍的中点)击打球体水平轴的后部,球拍面在整个击打过程中与地面垂直或者略开一点;击球过程中重心从后向前移动,并开始向左脚转移;击球过程中费德勒的眼睛也始终盯着球。 从图9和图l0中可以看到,费德勒在击球的过程中髋部和双腿并没有随着上身同步转动,而是在这一刹那保持原来的位置。击球过稗中左臂依然屈肘前仲协助转体时的身体甲衡;右臂在击球瞬问保持略微的屈肘,在击球结束后完全伸直。 从图6到图l0中还可以看出:击球前,费德勒的拍头是落后于拍柄的;然而到了击球时,他的拍头开始超越拍柄的位置;最后在完成击球后,他的拍头已经完全领先于拍柄。这说明,球拍在击球过程中除了得到身体和手臂的力量之外,还在击球瞬问获得了一个突然的加速度,这就是费德勒强有力的甩腕动作。在击球的一刻,原先放松轻握球拍的手也瞬间握紧,以保证击球的稳定性和力度。2.5 随挥 从图ll到图l4可以看到,在击球后费德勒的整个击球动作并没有结束,球拍沿着击球的方IhJ自然挥出,将球拍挥到头部另一侧,做出一个有力的上拉动作,从而产生一个充分的随挥。开始随挥时,右手臂向左前方挥出,同时保持拍嘶沿着网球的飞行方向平稳运动,左手臂屈肘协助转体和保持身体平衡;随挥进行中,当右手臂完全伸直挥至左前方时,左手臂向前接住右手臂协助完成挥拍动作;随挥结束时,球拍运动至在身体后方,下巴或右脸颊几乎贴到右肩,此时的费德勒的重心己完伞从右脚移到左脚,身体此时击球的方向整个正手击球的动作,他的腰部完成了大约l20°的旋转,而手臂完成了将近180°的旋转。2.6 回到准备姿势 随挥后费德勒的手臂平缓地回到身体的中心,屈膝下沉,做好再次击球的准备。

3 自由度分析 一个完整的正手平击球动作会牵涉到人体腰部、肩部、腿部和手臂等多个部位的运动,在人体结构上,各个部分又是通过各种关节互相连接在一起构成一个整体的,而每个关节又可以分解为多个自由度。因此,本文以人体躯T(分为腰部和胸部两部分)为基体,建立出人体自由度模型,如图l 5。

依据建立的人体自由度模型,人体一共有3 1个自由度,如果要在网球挥拍机械手实验平台中将所有的自由度都实现,那么整个系统将会变的十分庞大且极其复杂,同时对控制电路的要求也会变得非常高,因此需要对人体的自由度进行简化。 由于本文研究的网球挥拍机械手实验平台固定在地面且只有一个机械手臂,故头部和非持拍手的自由度均可排除;由于网球挥拍机械手需要模拟出人体重心的上升和下降,因此除了膝关节的绕额状轴屈仲(肢体在矢状面内、绕额状轴转动向前运动为屈,向后运动为伸)的自由度外,下肢的其他自由度也排除。 在击球过程中腰部的转动是必不可少的动作,且在转动过程中伴随有重心的上升和一卜降,因此腰部绕垂直轴转动的自由度和绕额状轴转动的自由度需保留;由于在击球过程中不考虑身体绕矢状轴的转动,故腰部绕矢状轴转动的自由度可排除。 持拍手肩部关节中绕矢状轴和额状轴转动的两个自由度在击球过稗中起主要作用,故予以保留;而绕自身纵轴旋转的自由度在击球过程中所起作用十分有限,故予以排除。肘部关节中绕额状轴转动的自由在击球过稗中起主要作用,故予以保留;而绕自身纵轴旋转的自由度在击球过稗中所起作用十分有限,故予以排除。在手臂后摆和前挥的过程中腕部虽然有动作,但是在击球瞬问腕部是固定不动的;在击球瞬问,网球会对球拍产生很大的冲击力(约150 N),如果在实验平台的机械手臂中加入腕部的自由度,则对机械手结构设计和所用电动机的要求就会增高,考虑到上述两点并结合本实验室的实际条件、课题的时间经费限制,暂不考虑腕部的自由度。 由于绕额状轴转动的自由度和绕额状轴屈仲的自由度的作用均是引起人体重心的上升和下降,因此这两个自由度可以合并为一个自由度。腰部绕垂直轴转动的自由度和肩部关节绕矢状轴转动的自由度的作用是引起手臂的后摆和前挥,因此可以合并为一个自由度。经过简化后,网球挥拍机械手实验平台只需四个自由度:腰部绕垂直轴转动的自由度、肩部绕矢状轴转动的自由度、肘部绕额状轴转动的自由度和引起人体重心升降的自由度,足够模拟网球正手平击球动作。4 击球机构设计 击球机构是在分析费德勒正手击球动作的基础上,参考国内外击球机构产品进行的创新性设计。 机械手臂结构如图l6所示。肩关节与肘关节基座都采用一体式基座,小臂也设计为同心圆截面一体式小臂,同步带传动采用两级同步带传动。

重心升降部与腰部的整体结构设计如图17。重心升降部采用两套运动方向平行于垂直轴的直线轴承导向副、一个电机和一套同步带传动装置,直接由电机驱动同步带传动装置。重心升降部安装在腰部轴上,电机通过同步带驱动腰部轴转动,进而带动重心升降部转动,从而模拟击球时人体腰部的转动。

网球挥拍机械手外观如图18所示。

5 网球挥拍机械手控制系统硬件设计 网球挥拍机械手采用ARM9系列控制芯片作为微控制器,控制器、电源电路、晶振电路、复位电路、存储系统和串行通信系统组成了控制器的最小系统。首先控制器比较步进电机的初始位置和设定位置,当两者不相同时控制器输出控制信号驱动步进电机运动直到与设定位置相同时,步进电机停止运动,步进电机、同步带传动装置、光电编码器和电流传感器构成了一个闭环控制系统。然后通过编稗,同时控制四个步进电机的运动,四个步进电机相互配合,共同完成击球动作。控制系统便件总体方案如图l9所示。系统软件设计流程冈如图20所示。

南昌哪家角膜病医院最专业

南昌中医眼科哪家最好

看腰椎间盘突出哪家好

台州治疗早泄需要花多少钱

治男科医院排名

友情链接