CN103736265B - 一种发球机的方向编码定位方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乒乓球或网球等小球类运动自动发球机技术领域，提供一种能够任意设置发球点，随意控制发球角度变动，而且当机头组件受到外力作用不能正常工作，当外力消失后能够自动复位并恢复工作的发球机的方向编码定位控制装置。其结构包括驱动机构和定位机构，定位机构控制连接驱动机构，所述定位机构包括控制电路板和确认机头组件位置信息及反馈机头组件位置信息给控制电路板的编码器，所述控制电路板控制连接驱动机构。通过编码器给机头组件的每个出球点都设定一个编码，每个出球点的编码具有唯一性，不同于其他出球点的编码。这样便可以依据编码向驱动机构确认机头组件的位置信息，以便于驱动机构能够准确编辑球的落点。

Description

一种发球机的方向编码定位方法及控制装置

技术领域

本发明涉及乒乓球或网球等小球类运动自动发球机技术领域，更具体的说是一种发球机的方向编码定位方法及控制装置。

背景技术

自动发球机是乒乓球或网球等小球类运动常用的一种训练设备，用于有规律或随机等方式模拟对手发球，在一定的发球角度区域内将球发射出去，并可以编辑球的落点以达到训练的目的。该设备一般通过电机带动机头组件的往复摆动，实现出球横向或纵向角度的变化。出球的时间间隔和角度通过控制机构的软件程序设定，这样就可以在所述纵向或横向的扇形区域内，有规律或随机发射球，以适应不同的训练需求之用。

现有的发球机通过编程的方式将发球角度区域划分成多个发球点，通过软件控制发球机在那个点发球，那个点不发球，即不同的训练程序都要有一个独立的控制程序进行控制。所有的训练均为预设好的程序，该程序不能在训练的过程中被打断，否则发球的位置和时间点均与预期不同，扰乱训练的步骤。

但是，在平时的训练中，发球机难免会受到外力的强制作用，比如被击打回来的球射中或者被从旁边行走过的人员碰到。当机头组件被碰到的时候，其往复摆动的动作将会被阻止，即机械行进被阻止，控制机构的软件程序无法识别这种随机的状态，即无法识别机头组件在哪里停止或偏转至那个位置，如何复位重新开始。因此往往会导致程序控制与运动不匹配，造成停机再作调整。出现这种情况的时候，往往导致训练的中止或混乱，这是训练者不希望出现的情形。

当然可以采用专用的旋转定位机构实现落点的控制，但这种专用的旋转定位机构属于精密设备一般价格昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种能够任意编辑落球点，随机控制发球角度变动，而且当机头组件受到外力强制作用不能正常工作，当外力消失后能够自动复位并恢复工作的发球机的方向编码定位方法及控制装置。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

本发明首先提供一种发球机的方向编码定位方法，用于主机控制机头组件的转动并能够及时纠错，包括以下过程：

编码过程：为N个出球点设定不少于2N+1个编码，每个编码具有唯一性，不同于其他编码，每个出球点设置一个编码，每个出球点两侧至少各设置一个编码。该过程为生产过程中对发球机的设定，每个发球机在一定的发球角度内都预设有多个发球点，为了能够准确识别并区分这些发球点的位置，在控制系统中给这些发球点进行编码，编码及其顺序存储在系统内。每个编码应该具有唯一性，这样才能进行准确识别并区分。每个编码的两侧至少设置一个编码，这是为了提高识别的准确性，防止在自动复位的过程中机头组件左右摆动，提高机头组件快速定位的能力。当然，为了进一步提高机头组件快速定位的能力，也可以在相邻的发球点之间设置多个编码。

控制过程：主机依据预设程序控制机头组件转动，并同时读取机头组件实际位置编码，与目标位置编码进行比较，匹配则继续按预设程序进行，不匹配则进入复位过程。在发球机工作过程中，发球机都是通过主机预设程序控制机头组件的转向运动，设置了上述编码之后，便可以通过读取机头组件实际位置编码来判断机头组件是否准确依照设定程序运行。当机头组件在工作过程中受到强外力的作用导致停止或移位的情况下，所述机头组件的实际位置编码便不与预设程序相匹配，此时便可以启动复位过程对机头组件进行复位。

复位过程：机头组件当前的实际位置编码与目标位置编码不匹配时，控制机头组件朝与目标位置编码匹配的方向运动，直至实际位置编码与目标位置编码匹配，回到控制过程。在发生意外导致机头组件停止或移位的情况下，主机只需按原编码顺序方向控制机头组件朝目标位置转动，直至机头组件的实际位置编码与目标编码匹配为止，便可以继续中断前的程序，保证发球机工作的连续性。主机也不会因发生上述意外而无法判断如何继续而停机，或者继续错误的程序，导致训练的紊乱。

发球机的控制电路板一般采用单片机控制，为了提高单片机的计算能力，以便于适用发球机快速运动，并可以在出现意外的情况下能够快速复位，上述匹配的过程越简单越好。因此，本发明方法所述的编码按递增或递减分布，在所述复位过程中，当目标位置编码大于实际位置编码的时候，控制机头组件朝编码递增方向运动，当目标位置编码小于实际位置编码的时候，控制机头组件朝编码递减方向运动。数值的比较只需采用一个比较器就能够实现，大大简化了判断的过程，缩短计算时间，提高了发球机的反应能力，减少对训练的影响。

由于编码的要求只需要具有唯一性且不重复就可以，如果要将不同的编码进行数值排序的话显然影响编码的自由度，为了克服这个缺点，本发明所述编码递增或递减分布是将编码映射一组递增或递减的数值，在所述复位过程中，通过比较每个编码所对应的数值的大小来实现机头组件运动方向的控制。通过映射的方式将每个编码对应一个数值，数值可以具有一定的顺序，这样编码的编辑就十分灵活，设计人员可以采用多种方式进行编码，比如电位开关、光栅、光耦或机械开关等，具有很高拓展能力。

具体来说所述编码采用与机头组件同步转动的遮光盘阻挡或不阻挡n个光耦信号所形成的高低电平编成n位二进制编码，上述编码的数量2N+1≤。遮光盘与光耦配合形成的编码器方式具有灵活性高，体积小，稳定性好等优点。并且编码的位数很容易进行拓展，以便于不同发球机的要求，具有很高的适应性。

本发明还设计了一种发球机的方向编码定位控制装置，设置在发球机的机头组件上用于控制发球方向，包括驱动机头组件转向的驱动机构和识别机头组件转动角度的定位机构，定位机构控制连接驱动机构，所述定位机构包括控制电路板和确认机头组件位置信息及反馈机头组件位置信息给控制电路板的编码器，所述控制电路板控制连接驱动机构。发明通过编码器给机头组件的每个出球点都设定一个编码，每个出球点的编码具有唯一性，不同于其他出球点的编码。这样便可以依据编码向驱动机构确认机头组件的位置信息，以便于驱动机构能够准确编辑球的落点。另外，当机头组件在强外力作用下机头不能转动或发生位移而导致落点位置错误，编码器能够在强外力消除后立即向驱动机构反馈位置，使其恢复正常工作，从而使机头组发出正确的落点。

具体来说，所述编码器包括若干设置在控制电路板上的光耦和环边上设有槽孔的遮光盘，所述遮光盘的环边在光耦的发射端和接收端之间运动阻挡或不阻挡光耦的信号形成编码。所述遮光盘包括一层或多层环边，所述光耦在控制电路板上对应所述环边分布。所述环边在光耦的发射端和接收端之间运动，当槽孔运动至光耦的时候，信号能够从槽孔穿过，所述接收端能够收到发射端的信号，该光耦识别为低电平（编码器为0）。同理，当环边其他位置运动至发射端和接收端之间时，信号被环边侧壁阻挡，所述接收端无法收到发射端的信号，该光耦识别为高电平（编码为1）。利用不同槽孔宽度和光耦之间相对位置的不同能够实现2ⁿ个二进制编码，其中n为光耦数量。根据具体的出球点的数量N，需要编码的数量为2N+1，设置相应的光耦的数量n，2N+1≤。假设出球点为7个，则设置不少于4个光耦，编码可以在16个二进制编码中选择15个，假设出球点为9个，则设置不少于5个光耦，编码可以在32个二进制编码中选择19个，依次类推。通过遮光盘上的槽孔与光耦配合来实现编码，结构简单，编码方便，识别率高，抗干扰能力强。

所述驱动机构包括用于编辑落点和接收机头组件位置信息的主机和用于带动机头组件转动的步进电机，所述主机包括控制器和驱动电路板分别与步进电机和操作盒连接，步进电机带动所述遮光盘。主机内有一电子主板，电子主板集成了控制器，通过操作盒编辑球落点信息，并将信息传送至驱动电路板，驱动电路板能够驱动步进电机转动机头组件的角度。通过对编码器的位置信息进行确认，可以驱动步进电机带动机头组件转动，实现精准定位。同时，当机头组件在强外力作用下机头不能转动或发生位移而导致落点位置错误，主机能够接收编码器的位置信息，驱动步进电机带动机头组件恢复正常工作，从而使机头组发出正确的落点。

所述步进电机通过驱动齿轮和设置在机头组件上的扇形齿轮的配合带动所述机头组件转动，所述遮光盘与驱动齿轮同步转动。具体的结构是机头组件通过转盘与底座连接，转盘上部与机头组件相连，扇形齿轮设置在转盘后部，转盘下部套上一轴承后装到底座的转盘座上。转盘相对转盘座转动，实现机头组件转动而发出各种球落点。

上述结构优选遮光盘与驱动齿轮连成一体（也可以是分体结构），安装在步进电机输出轴上同步转动，大大减少编码器误判断的几率。另外，由于出球的区域是局限在一个扇形区域内，转盘座或转盘侧侧边开有一限位槽，转盘或转盘座装有一限位柱与限位槽配合。机头组件摆动总角度通过限位柱在限位槽上控制，避免驱动齿轮与扇形齿轮脱离啮合，同时限位柱可防止转盘与轴承座发生轴向位移。

所述转盘座上还设有一用于安装步进电机的电机固定板，电机固定板底部安装有步进电机，步进电机转动带动输出轴上的驱动齿轮转动，从而传动扇形齿轮，实现机头组件转动。电机固定板与转盘座形成一体，能保证两齿轮中心距的准确性，减少噪音及提高运行的平稳性，简化安装工艺。

本发明通过编码器与光耦之间的配合，给不同出球点设置不同的编码，控制电路板通过不同的编码识别相应的出球位置。当机头组件因碰撞或其他原因导致停止或倒退或前进的时候，所述控制电路板能够通过驱动机构带动机头组件转回意外发生时的位置，实现复位，保证发球机工作的连续性。通过对编码器的优化改进，本发明能够大大缩小整个控制装置的体积，并且提高识别的精准度。该装置可以用于对现有的发球机进行改良，不会影响原发球机的其他控制结构，具有很高的适应性。综上所述，相对于现有技术来说，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，具有创造性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为图1的结构分解图。

图3为实施例的遮光盘的结构示意图。

具体实施方式

以下结合上述附图举例对本专利做进一步的说明。本实施例用于示例说明所采用的上述附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示的一种发球机的方向编码定位控制装置，设置在发球机的机头组件130上用于控制发球方向，机头组件130安装在底座连接器140上，可以相对底座连接器140转动。所述方向编码定位控制装置包括驱动机头组件130转向的驱动机构和识别机头组件130转动角度的定位机构，定位机构控制连接驱动机构。具体来说所述定位机构包括控制电路板111和编码器，编码器包括光耦112和与驱动机构同步运动的遮光盘113，所述遮光盘113环边设置在光耦112的发射端与接收端之间运动，光耦112将遮光盘113的位置信息反馈至控制电路板111。所述驱动机构包括步进电机121和主机（图中未示出），所述主机分别与步进电机和控制电路板控制连接。驱动齿轮122和遮光盘113一体成型，同时装在步进电机121的输出轴上。遮光盘113上部有两环边（也可以多环边），环边上开有槽孔。控制电路板111设置在遮光盘113上方，对应遮光盘113在控制电路板111上装有两环（也可以一环到多环）光耦112。这一组合结构成为数字编码器，可以起到对主机输入的信心进行反馈及确认的工作，及时把机头组件130转动的位置信息提供给控制电路板111上的集成控制器。

具体的结构可以进一步结合图2所示，机头组件130通过转盘131与底座连接器140连接，转盘131上部与机头组件130相连，转盘131后部有一扇形齿轮123，转盘131下部套上一轴承143后装到底座连接器140的转盘座144上，所述驱动齿轮122通过扇形齿轮123带动机头组件130转动。转盘座144侧边开有一限位槽141，转盘131装有一限位柱132与限位槽141配合。所述转盘座144上还设有一用于安装定位机构和驱动机构的电机固定板142，步进电机121悬挂在电机固定板142的下方，输出轴穿过电机固定板142，所述遮光盘113和驱动齿轮122为一体成型结构，安装在所述输出轴上。步进电机121通过驱动齿轮122与扇形齿轮123配合，带动机头组件130相对于底座连接器140转动。控制电路板111支撑在所述电机固定板142上，光耦112呈内外两环对应遮光盘113的环边分布在控制电路板111的下方，倒扣在所述遮光盘113上方。

遮光盘113的详细结构如图3所示，所述遮光盘113为遮光盘结构，遮光盘包括内层环边115和外层环边114，上述光耦112中两个光耦112与内层环边115配合，四个光耦112与外层环边114配合。所述环边在光耦112的发射端和接收端之间运动，当槽孔运动至光耦112的时候，信号能够从槽孔穿过，所述接收端能够收到发射端的信号，该光耦112识别为低电平（编码器为0）。同理，当环边其他位置运动至发射端和接收端之间时，信号被环边侧壁阻挡，所述接收端无法收到发射端的信号，该光耦112识别为高电平（编码为1）。利用不同槽孔宽度和光耦之间相对位置的不同能够实现2ⁿ个二进制编码，其中n为光耦数量。不同的发球点的编码均不同于其他位置，因此控制电路板111可以准确识别机头组件130转动的位置。

上述机构具体的工作过程如下，所述步进电机121驱动机头组件130相对于底座连接器140来回摆动，依次经过每个发球点，发球点的按编码顺序排列。在正常工作的情况下，控制电路板111能够识别该顺序，并按设定的程序进行工作，比如设定在发球点A发球，发球点B发球，发球点C不发球，发球点D发球，发球点E发球，发球点F不发球，发球点G不发球，等等。这样，每个发球点的动作都是固定的，保证了训练的有序性，发球点的位置是固定的，不会因程序时差和机械运动误差导致训练上的偏差。

当机头组件130被碰撞的时候，比如在D位置上受到强外力的强制作用下而停止时。此时控制电路板111比较机头组件130当前位置的编码与预设程序编码的大小，便可以获知机头组件130的运动方向，因此可以通过步进电机121带动机头组件130运动回到D位置，并按原来的转动方向继续训练程序，实现了机头组件130的碰撞复位。

为了便于遮光盘的设计，缩小定位机构的体积，并防止各个光耦之间的干扰，本实施例中优选包括5个光耦，所述遮光盘包括内外两层环边，2个光耦与内层环边配合，3个光耦与外层环边配合。通过分层的结构，可以在缩小遮光盘的面积，在同一面积内可以分布更多的光耦，供与更多的出球点使用。

在上述结构中，为防止5个光耦之间相互干扰，并保证有遮光盘上有足够的空间用于设置槽孔，所述内侧环边所对应的光耦的连线与外侧环边所对应的光耦的连线相互垂直。这样子在内环边上只布置2个光耦，外环边上布置3个光耦，光耦间错开90°，内外层光耦对齐，是5个光耦的最佳分布方式。

5个光耦最多可以提供15个出球点，二进制编码选取格雷编码防止编码误差，如提下表所示：

发球点	左边缘	发球点1	间隔	发球点2	间隔	发球点3	……	发球点15	右边缘
										编码	00001	01001	00101	11010	10001	00111	……	01011	10100
数值	5	10	15	20	25	30	……	150	155

假设发球机的机头组件受到强外力的作用而移位，此时，根据预设程序下一发球点是发球点3，即目标位置斑马00111，对应数值为30的时候，此时读取的机头组件的实际位置编码00101，即发球点1和2之间的间隔位置，对应的数值为15。控制电路板比较实际位置编码映射的数值与目标位置编码映射的数值，15＜30，控制电路板向主机发送命令，使主机控制机头组件向数值递增方向运动，进行复位，即15-20-25-30。在运动的过程中，编码器向控制电路板反馈位置信息编码，控制电路板不断将所获得的实际位置编码与目标位置编码比较，直至机头组件运动至发球点3，即实际位置编码00111，对应的竖直30=目标位置编码映射的竖直30。至此，复位完毕，发球机可以继续按预设程序进行运行。

当然也可以节省光耦的数量，比如仅包括4个光耦，所述遮光盘包括一层环边，光耦间错开90°。这种分布方式，最多可以提供7个出球点，如提下表所示：

发球点	左边缘	发球点1	间隔	发球点2	间隔	发球点3	……	发球点7	右边缘
										编码	1001	1100	0101	1010	1111	0110	……	0000	0111
数值	2	4	6	8	10	12	……	28	30

上述附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种发球机的方向编码定位方法，用于主机控制机头组件的转动并能够及时纠错，其特征在于包括以下过程：

编码过程：为N个出球点设定不少于2N+1个编码，每个编码具有唯一性，不同于其他编码，每个出球点设置一个编码，每个出球点两侧至少各设置一个编码；

控制过程：主机依据预设程序控制机头组件转动，并同时读取机头组件实际位置编码，与目标位置编码进行比较，匹配则继续按预设程序进行，不匹配则进入复位过程；

复位过程：机头组件当前的实际位置编码与目标位置编码不匹配时，控制机头组件朝与目标位置编码匹配的方向运动，直至实际位置编码与目标位置编码匹配，回到控制过程。

2.根据权利要求1所述的发球机的方向编码定位方法，其特征在于所述编码按递增或递减分布，在所述复位过程中，当目标位置编码大于实际位置编码的时候，控制机头组件朝编码递增方向运动，当目标位置编码小于实际位置编码的时候，控制机头组件朝编码递减方向运动。

3.根据权利要求2所述的发球机的方向编码定位方法，其特征在于所述编码递增或递减分布是将编码映射一组递增或递减的数值，在所述复位过程中，通过比较每个编码所对应的数值的大小来实现机头组件运动方向的控制。

4.根据权利要求1~3任一项所述的发球机的方向编码定位方法，其特征在于所述编码采用与机头组件同步转动的遮光盘阻挡或不阻挡n个光耦信号所形成的高低电平编成n位二进制编码，上述编码的数量2N+1≤2ⁿ。

5.一种发球机的方向编码定位控制装置，设置在发球机的机头组件上用于控制发球方向，包括驱动机头组件转向的驱动机构和识别机头组件转动角度的定位机构，定位机构控制连接驱动机构，定位机构包括控制电路板和确认机头组件位置信息及反馈机头组件位置信息给控制电路板的编码器，控制电路板控制连接驱动机构，其特征在于所述编码器包括若干设置在控制电路板上的光耦和环边上设有槽孔的遮光盘，所述遮光盘的环边在光耦的发射端和接收端之间运动阻挡或不阻挡光耦的信号形成编码。

6.根据权利要求5所述的发球机的方向编码定位控制装置，其特征在于所述驱动机构包括主机和用于带动机头组件转动的步进电机，所述主机分别与步进电机和控制电路板控制连接，步进电机带动所述遮光盘。

7.根据权利要求6所述的发球机的方向编码定位控制装置，其特征在于所述步进电机通过驱动齿轮和设置在机头组件上的扇形齿轮的配合带动所述机头组件转动，所述遮光盘与驱动齿轮同步转动。

8.根据权利要求5至7任一项所述的发球机的方向编码定位控制装置，其特征在于所述遮光盘包括一层或多层环边，所述光耦在控制电路板上对应所述环边分布。

9.根据权利要求8所述的发球机的方向编码定位控制装置，其特征在于所述遮光盘包括内外两层环边，光耦对应内外两层环边均匀分布。