账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
球来就打
第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 陳智勇、李炫輿等】2016年11月23日 星期三

浏览人次:【7609】
  


传统市面上贩售的乒乓球发球机,发球位置固定变化性小,忽略了与人对打时球路线以及球种的多变性。为了增加发球机的性能,本作品以Delta机器人为发球机本体设计一台具有多种出球点,底座步进马达的转动可调整方位角,伺服马达控制出球仰角,两组发球马达转速控制调整球体速度、球体旋转以及球路皆可自由控制之发球机。同时为了增加发球机之真实度,在球拍上安装之加速度计,以蓝牙传输回传挥拍讯号,系统判定击球方式以及角度后,才进行对应之发球动作。使用者亦可使用手机软体控制此机器,依照个人需求设定不同的练习脚本。本作品所有控制系统皆以一颗盛群先进微控制器HT32F1765完成,提供多种球路达到跟真人对打时的拟真性。


前言

传统发球机使用模式局限于三种常见功能模式。固定模式:球种、落点、速度可事前定义,重复相同动作。自动模式:随机选择发球球路,球路变化性大,但有可能发出不合常理的球种。记忆模式:类似固定模式,依照个人需求制作发球脚本,可以组合出多种不同的练习状况。然而市售具备此种功能的发球机不仅价格昂贵,一般家庭难以购买练习,再复杂的脚本式发球流程,经过几分钟的练习之后就会习惯机械化发球动作感到枯燥。


本作品不仅可以精确调整兵乓球发球的仰角、方位角、发球速度及旋转方式。为了增加发球时出球点的多变性,本作品发挥Delta机器人的特性,以三颗伺服马达和支架结构,在很小的空间内使发球机任意调整出球点。增加球拍上微型加速度计回传三轴G值,判定挥拍速度及击球角度,更能提升对战的真实感。由于现在智慧型手机的普及,我们设计发球机控制的APP,让使用者可以依自己所需练习的球路做设定,介面简单,让使用者练习时更便利。本作品发挥盛群先进微控制器内的功能与特性完成发球机所有马达控制、角度计算、传输、通讯等工作。作品完成度高,相当适合家庭休闲、学校练习、专业训练使用。


工作原理

下图为本作品之系统架构图,主要以盛群HT32F1765晶片为主控制器,配合机电结构达成各种不同角度的发球动作。



图1 : 系统架构图
图1 : 系统架构图

Delta机器人出球点可变发球结构

利用正向运动学来推算移动平面时,Delta机器人如何去达到指定位置得动作。利用逆向运动学配合正向运动学算出的数值推算伺服马达移动之角度。


本作品将正逆运动学公式实现于盛群微控制器,计算伺服马达角度来带动Delta机器人的支架,让发球头可以在同一平面的任意位置移动,搭配自制的发球机构。该伺服马达控制方式为脉波宽度调变,利用脉宽与角度的关系来控制机器臂上升或下降。如下图所示,本作品以三颗伺服马达控制发球机构正面平面移动的功能,达成出球点可变的创新功能。


图2 : Delta机器人发球结构
图2 : Delta机器人发球结构

步进马达控制原理

在发球机底座安装步进马达,控制其旋转角度,即可控制其发球角度可调的功能。



图3 : 发球方位角控制示意图
图3 : 发球方位角控制示意图

球速及旋转方向控制

控制两个直流马达的转速来控制发球的快与慢,直流马达一个转与一个停止来控制球的旋转方向。机构上的小马达可以变化出直球、快速球、慢速球、左旋球、右旋球等球路。 (图4-1)


发球仰角与送球时间点控制

利用伺服马达控制发球头的仰角位置,使球发出时,可以有高抛球和杀球的效果。本作品将电磁阀放置在发球机构里,当电磁阀收到讯号时,推动电磁阀的一端,将兵乓球推出。 (图4-2)


三轴加速度感测器

利用三轴加速度感测器侦测到的值,来判断使用者挥拍时的动作,借此发送相应球种给使用者。以RFduino的蓝牙通讯功能,借此达到快速的传送球拍讯息给盛群晶片HT32F1765做判断可能的姿势,回以最合理的球种。 (图4-3)


APP软体控制介面

本团队开发一套手机应用程式提供使用者设定发球的脚本及发球的球速、角度和旋转方向之功能,让使用者可依自己喜好来控制发球方向。使用常见的手机作为控制介面可简化设计,并节省硬体成本。



图4
图4

作品结构

微控制器

盛群晶片HT32F1765:接收手机和RFduino的蓝牙讯号,然后计算正逆运动学来推算伺服马达的角度,借以达到Delta机器人的平面移动,并且发送信号给直流马达、步进马达及电磁阀来控制发球的角度、速度和方向。


伺服马达

伺服马达用于Delta机构控制与发球仰角调整。此控制方式为脉波宽度调变,利用脉宽与角度的关系来控制上升与下降,当脉波宽度为0.9ms时,马达轴承位置往右旋转约135度,当脉波宽度为2ms时,则往左至中心线,脉波越长,角度越大。此伺服马达具备高扭力与高转速,能够于1秒内控制发球的变换,其扭力为16Kg/cm。 (图5-1)


直流马达控制模组

直流马达装置于发球机构两侧,使用直流马达的好处就在于不受电源频率限制,速度控制只需透过改变电压即可,此马达再透过马达驱动器(L298N)使得其正反转。主要将两组桥式电路封装成晶片,并加上稳压IC,驱动两颗直流马达并控制转速。 L298N马达驱动板具备I/O脚、地线与电源输入与输出,马达连接端子。马达工作电压输入、地线、5V电源输出。一组马达可使用两只脚位来控制正、反转及转速。 (图5-2)


步进马达控制器

本作品步进马达所用型号为DM6088E步距角度为1.8度。装置于发球机构底层并控制其为五种角度变化使得发球机构不再是单一方向做发球,并加上M542驱动器,M542驱动器适用于驱动2相和4相混合式步进电机。此驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制,电机的转矩波动很小,低速运行很平稳,几乎没有振动和噪音,高速时力矩也大大高于其它二相驱动器,且定位精度高。 (图5-3)


电磁阀

装置于发球机构内部,中心是由铜线圈组成,透过盛群晶片,收到讯号时线圈将电磁阀一端推出去。 (图5-4)



图5
图5

三轴加速度感测器

ADXL335 三轴加速度感测器包含多晶矽表面微加工传感器和信号调理电路,输出信号为模拟电压,与加速度成比例。将加速度感测器装置在球拍上,可以测量三轴(X、Y、Z)空间球拍产生的静态重力加速度及击球时的冲击或振动导致的动态加速度,藉由球拍移动改变的数值,来决定发球机所要回应的球路。


RFduino穿戴式蓝牙传输模组

利用RFduino内的蓝牙4.0模组来传输球拍的值和APP讯息。球拍感测到加速度的变动值时,就以蓝牙传输给予盛群微控制晶片。



图6 : 三轴加速度计与RFduino蓝牙4.0模组
图6 : 三轴加速度计与RFduino蓝牙4.0模组

测试方法

硬体系统安装

本作品共有六处需要安装连结,分别是电源供应器、直流马达控制器、步进马达控制器、伺服马达、电磁阀,均连接完成后,电源供应器插上插座即可供电使用。


图7 : 硬体安装图
图7 : 硬体安装图

Delta机构不同发球点测试

利用伺服马达控制Delta机器人的手臂,随后Delta机器人移动至指定平面位置。图14为发球机经由角度计算将伺服马达偕同移动,将发球机构调整之不同的出球点,让发球的角度有不同的变化。除此八个位置外,在机构延伸范围内的所有角度都可以到达,且经度相当的高可以任意改变。


图8 : 发球点移动测试图
图8 : 发球点移动测试图

直球、 左旋球、右旋球

当直流马达控制器接收到HT32F1765晶片直球、左旋球、右旋球信号时,直流马达控制器使二颗马达一起转动时发送直球,使一颗马达转动一颗静止达到左右旋球之变化,测试方法为将球放入发球机构中,发球机可发出不同球路的球。


变换方位角发球

当M542步进马达控器接收到HT32F1765晶片信号时,控制步进马达转动,借以达到改变发球方向,如图所示。



图9 : 变换方位角发球测试图
图9 : 变换方位角发球测试图

电磁阀控制发球数

当电磁阀接收到HT32F1765晶片送球信号时,会启动电磁阀缩放功能,借此达到控制发球时机及发球数,如图10-1所示。


发球仰角变化

位于发球机构下方的伺服马达可控制发球机构仰角,可经由脉波调变控制仰角角度。如图10-2所示。


APP介面测试

利用APP介面来控制所有发球的种类、方向和角度。使用者设定好之后,手机就会经由蓝牙将设定传输给发球机,接下来发球机就会按照此设定进行发球。如图10-3所示。


图10
图10

使用者挥击感测测试

利用球拍上的加速度感测器,并经由RF duino传送给盛群晶片HT32F1765进行判断。当使用者击中球后,发球机将会发出对应的球制造回击对战的实战感受。


(本文作者陈智勇为树德科技大学电脑与通讯系教授,李炫舆、林子涵、夏瑞毅、张哲纶为树德科技大学电脑与通讯系学生)


相关文章
智慧温室种期最隹化管理系统
烘得你衣
产线自动化趋势升温 整合伺服系统优势明显
一劳灸逸━智慧温控灸疗装置
音缘线
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Arduino Motor Shield
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
mbed
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
Raspberry Pi
原厂/品牌:RS
供应商:RS
產品類別:
  相关新闻
» SCHURTER通过奕力解决方案扩展PCAP控制器组合
» 企业防疫须超前部署 震旦推整合方案协助数位转型
» 第十五届盛群杯MCU创意大赛正式开跑
» 防疫医材受市场关注 台湾国际医疗展6月现实力
» 智慧医疗产业前瞻 贸协揭开医材应用新商机
  相关产品
» DELO 推出新款旒合剂适用於功率半导体元件
» HOLTEK推出BM5602-60-1 2.4GHz收发器模组
» HOLTEK推出HT45F0058电磁炉MCU
» HOLTEK推出Arm Cortex-M0+核心32-bit微控制器 提供LCD显示介面及低功耗应用
» HOLTEK推出Arm Cortex-M0+核心32-bit微控制器 新增QSPI介面
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw