投球机系统的设计-知识分享平台.PDF

投球機系統的設計 學校名稱：南台科技大學電機系 隊伍名稱：老爹隊 指導老師：黎靖 參賽學生：范姜宗霖、林政宏、陳銘耀 一、問題敘述 本次比賽的題目可敘述成：將一個直徑 38mm的乒乓球精準的傳送至 3.5m 外 的目標區 。基本上，傳送的方法可分成機構導引及 空中飛行兩種方式。機構導引 是利用機構的方式將球送至目標區或是目標區的附近，再將球置入目標區；空中 飛行方式則是在投籃區直接將球投射，球經由飛行的方式到達目標區。由於本隊 採用的是空中飛行方式，因此以下將只針對空中飛行方式所面對的問題 (為便於敘 述，稱之為乒乓球飛行問題)提出探討。 要有效的處理 乒乓球飛行問題， 必須對光滑圓球的流體力學有一些基本的認 識。下圖是光滑圓柱與圓球的雷諾數與阻力係數的關係及流場示意圖。由圖可知， 隨著雷諾數的改變，阻力會有所不同。特別是雷諾數在 100 左右，球的後方有卡 門渦流系統，將會導致圓球的不穩定而有擺動的現象 (乒乓球由於質量小更容易受 5 6 到影響) ；此外，在10 ＜Re10範圍阻力係數出現急遽的變化，由於光滑圓球在 5 6 空中飛行時，受到阻力的影響會減速 ，如果它的雷諾數恰在10 ＜Re10範圍， 將會因飛行期間速度的改變而有很大的阻力變化，從控制的觀點來看，這也不是 3 5 我們所欲見到的；在 10 ＜Re10範圍，有一個阻力係數非常平坦的區域，因此 我們應該將球速控制在這個範圍內，即球速在 0.4m/s 至 40m/s 之間。 圖一、光滑圓柱與圓球的雷諾數與阻 力係數的關係及流場示意圖 (from ：Fundamentals of Fluid Mechanics, Munson, Young, and Okiishi) 另一個值得關注的問題是 球體旋轉的影響，球體旋轉會使得球的行進方向上 飄或下沈，同樣會導致控制上的困擾 ，所以也必須避開。 由上述的分析可以瞭解，解決乒乓球飛行問題的最佳策略是： 在球速0.4m/s 至 40m/s間，讓乒乓球以最快且不旋轉的方式飛行。 二、投球機系統的設計 我們設計的投球機系統可分成三部份：角架 、投球機 、及瞄準器 。 2.1角架 好的角架至少應該有 4個自由度：高低的調整、及 roll 、pitch 、yaw 三旋轉軸 的調整。除此之外，角架必 須具有穩固性。當投球機在投球時產生之震動或後座 力，角架必須加以吸收並保持系統的方位不受影響。由於角架的良窳對系統的可 靠性及投球的準確性有很大的影響，因此設計一個穩固 而且姿態容易調整的角架 是非常重要的。 基於上述的考量，我們採用大型像機的角架作為投球機的角架，角架如照片 一所示。 照片一：投球機系統 2.2投球機 投射乒乓球的方式非常多，例如：打高爾夫球的方式、撞擊彈珠的方式、氣 壓推送的方式、 …… ，不同專長背景的人就會有不同的方式。本隊經過慎密的思 考及比較，並參考自身的專 長，認為採用如照片二所示之磨擦輪投擲方式，不但 結構簡單、容易製作，而且最能符合 「快、穩、準」的要求。 照片二、投球機 2.2.1投球機的原始設計 本隊最初設計的投球機包括入球區 、投球區 、及引導區 三部分，說明如下： 入球區 投球區 引導區 圖二、投球機的原始設計 1. 入球區 ：入球區是利用塑膠彎管製造而成，出口區的直徑為40mm(i.e. 乒乓球 的外徑為38mm ) ，入口區經擴孔程序使直徑約為42mm ，方便置入乒乓 球。 2. 投球區 ：由可調整轉速的直流馬達、帶輪、及橡皮磨擦輪機構構成，是整個系 統的核心。直流馬達的轉動經由圓形皮帶輪傳遞至主動磨擦輪，主動 磨擦輪與從動磨擦輪間以交叉皮帶傳動，使兩