论文总字数：17966字

摘 要

关键词：网球发球器;网球教学;人力;平动出球

The Projectile Tennis Serving Machine

Abstract： In nowadays China,tennis is developing rapidly and is liked by more and more people.Meanwhile,all kinds of tennis serving machines are made. The article describes the current products in the domestic and foreign market and design a new type of tennis serving machine ----the projectile tennis serving machine according to the outdoor circumstances ,which is environmentally friendly and needs low cost .This device uses the structure of the bike wisely and utilize human labor to give power,and pass the power to the actuator through gears ,speed increaser ,couping ,and clutch.The whole device is pure machinery without any electrical components and does not need the power supply so that the awkwardness of find a power supply outdoor and the inconvenience to charge a battery can be avoided.The device is easy to operate and has no harm to the environment.The article describes the idea and the theory of this device,and explicitly instructs the structure and the features of power supply ,the transmission mechanism and the actuator.

The device uses boards to pinch the ball which moves in translational motion in the sky so that even beginners can use the machine comfortably which makes the device suitable for tennis teaching in universities .Moreover, the device uses clutch as a switch and can serve people more effectively.The machine can be started only by stepping the footboards which makes it easy to control .Each student can operate the machine when the other one is practicing .The machine fits the needs of many universities and has a broad future.

Key word: Tennis serving machine;tennis teaching;human labor;in translational motion

抛射式教学用网球发球器

1 绪论

1.1 引言

网球运动是一项需要上下共同调配合的隔网对抗性有氧运动项目^[1]。对于网球运动的历史起源，每个人的说法都不一样。如今的“网球”运动，早就经过了很长时间的进化和演变，它的规则由国际公认的协会定制，大家能接受并且喜欢它的运动形式^[2]。而在现当代的中国，大家因为网球运动节奏快，并且能展现青春阳光的形象而喜欢它。在2008年的北京奥运会中，李娜、郑洁等一批具有国际知名度的选手在各大赛事中取得了非常好的成绩，推动了中国的民间网球事业的普及和发展。另外，中国人民的生活水平越来越好，人们更加注重户外健身和提高生活品质。网球，因为适合各个年龄层，所以大家很喜欢它，纷纷关注它。

但是,网球这项体育运动受搭档影响较大，需要双人训练，运动强度大，这样自己的主观能动性就减小，对于网球的基本动作的练习大多都需要专业人员在一旁陪着练习，然而这个费用十分昂贵，以至于让很多人只能看看，却没有钱体验。另外，初学者在刚刚开始学的时候一般都是简单的接球发球训练，花大价钱请这些专业人员就有些不值得。而且在该阶段没有网球训练辅助器械，这对于陪练人员是个很大的挑战，他们需要投入更大的体力和精力，对于训练者来说，练习不能持续，技术提高缓慢，降低了兴趣，放弃的人也逐渐变多。由于这些原因，让网球运动在中国的发展和普及受到很大的打击，使网球这项运动和人民群众的距离拉大了，也把一些想要接触网球的人拒之门外。由此可见，我们要赶紧开发和研制网球训练辅助器械。

对初学者来说，网球开球器非常重要。在设计之前，有人研究了国内外现有的网球发球器，有以下两个特点：1.器械大多不适合非专业人士的网球训练，功能比较复杂；2.价格在几千钱到一万元不等，太贵了。这些产品提供了对于初学者来不需要的复杂的功能，不同速度和不同转向的球。初学者接球时最好是平动球，球的速度一般就行。另外，价格过于高也让成本变高，不太适合中国市场。

因此，对于初学者来说，设计一款高效，价格低廉的发球器十分重要，我们提出了“抛射式教学用网球发球器”的设想，原理是将球平动发出，完全符合初学者的要求，最重要的是成本要低。在设计的过程中，我们根据户外网球教学的实际情况，一切以实际出发完成设计。当今社会，网球教学课程红红火火展开，该器械能够解决“发球难”问题，使训练效率大大提升，带动中国网球的发展，推动它的进程，为中国网球的发展贡献一份力量。

1.2 研究背景

1.2.1网球发球机简介

网球的发球不仅是一个简单的技术动作，更是一个完整的整体系统，组成方面是技术层、战术层、心理层和体能层^[3]。要想设计一款高效的网球发球器械，必须先从这几个方面入手研究，而与设计最密切相关的，则是对技术层中发球动作的研究。现今对于发球动作的分类有两种：第一种将发球动作分成准备姿势和挥拍、挥拍触球，随挥动作三部分^[5]；另一种则是将整个发球过程分为6个阶段，即准备站位、抛球、过渡、向后挥拍、向前挥拍和随挥^[6]。无论是哪种分类方式，从生物力学的角度来看，发球过程都可看成是一个协调链^[5]，即整个发球的发力过程分为蹬腿、转髋、转体、手臂绕肩、肘部伸展、小臂外旋、转腕、随球动作和落地脚，通过这种发力顺序，使发球动作合理化，达到最佳的发球效果^[4]。而随着科学技术的发展和对于网球运动更深入的研究，人们已经能用机器模拟这种发球过程，并通过合理的结构来实现各种各样的发球，这就是网球发球器。设计师们将高新技术大量地运用到网球运动中，发球时速正在日益刷新^[7]。当然，不仅要对人体发球的过程和原理进行研究，设计时对于球在空中的飞行轨迹、空气阻力等因素也需要考虑。发球器一般需要强劲的动力源和高效的执行系统去对抗风阻和网球重力分量等阻力。

一般来说，发球机的电源是动力，它的原理是用两个直径相同而转向不同的两轮利用摩擦力将球发出，通过两轮的速度差来控制球的转向。现如今，在网球发球器开发行列中，许多有实力的公司由于成熟的市场和网球爱好者日益迫切的需求被吸引，生产出来一批批特点明确，功能完善的产品。

1.2.2国内外网球发球机

（1）国外网球发球机

在国外网球深受人们喜爱，因为世界各大网球公开赛在全球范围内被大家广泛熟知在一定程度上推动了网球运动在国外的普及。因此，在国外，网球发球器的市场比在国内稳定而成熟。由于国外惯有的商业运作模式，国外的发球器发展相比较国内比较迅速，产品种类和功能多，发球功能能跟上资深网球爱好者甚至职业网球选手的需求。最具代表性和市场统治力的发球器有两种：一种是来自TUTOR公司生产的网球发球器；一种是来自LOBSTER公司出产的网球发球器。中国引进了这两种发球器，这两种发球器在中国甚至全球范围内的市场份额都相当多。

TUTOR公司生产的网球发球机

这种网球发球器是以对转双轮^[8]为原理工作的，如图1-1^[8]所示。

图1-1 TUTOR发球器工作原理

两个摩擦轮相互对转，其对于网球的施力方向相同，都朝着发球的方向，通过与球的摩擦力将球发出。两轮间距略小于球的直径，以提供足够的摩擦力，通过速度差来控制出球的种类。当上轮的速度大于下轮时，网球的上端受力点的速度大于下端受力点的速度，网球上旋，发出的为上旋球；当上轮的速度小于下轮时，网球的上端受力点的速度小于下端受力点的速度，网球下旋，出球为下旋球；当上轮的速度与下轮相同时，网球上下两端受力点的速度相同，网球平动击出。两摩擦轮分别由两个直流电机控制^[9]。该方案能使用户接到适合自己的球，功能强大，运行十分稳定，但太贵了，售价在几千元到一万元不等，另外由于用旧，摩擦轮对于网球摩擦力变小，会其速度和角度的控制有影响。实物图如下图1-2。

图1-2TUTOR实物图

这个原理也应用在德国蒙迪诺网球发球机。

1. LOBSTER网球发球机

该发球器使用空气压缩机来提供出球动力，所以又被称为“压气式发球机”^[10]。将球固定在通道下方比球直径略小的球卡处，通过压缩空气将球吹出，并利用球与通道的摩擦来控制球的旋转方向。当球的下端与通道发生摩擦时，出球为上旋球；当球的上端与通道发生摩擦时，出球为下旋球。由于使用了空气压缩机，整个装置体积较大，它具有多功能特性，坚固耐用，移动便利，方便收藏。这种发球机有很多缺点，例如噪音大,网球易磨损，空气压缩消耗的功率很大，难以使用蓄电池来供电，使用不方便；唯一的优点是比对转双轮的网球发球机便宜^[10]。这种发球机的实物图如下图1-3。

图1-3LOBSTER实物图

压气式发球器相比较TUTOR发球器来说，噪音更大，机器体验效果也不如TUTOR好，只能充电使用，但是，压气式发球机价格便宜。

(2)国内网球发球机

相对于国外成熟的网球发球器技术来说，国内网球发球器技术就像是一个婴儿，才刚刚开始，它们基本上用的都是双轮对转原理。

1.丰润牌网球发球机

这款发球机利用的是双轮对转原理。它的优点很明显：速度高、易控制、经济实惠。缺点是故障率高、质量差^[8]。

2.斯波阿斯网球发球机

这款发球机也利用的是双轮对转原理，相对于国外发球机具有经济实惠，移动便利，收纳简单的特点，但是它的价格相对于普通家庭来说也是挺大的一项花费^[11]。

3.力干牌举升式网球发球机

该机是由北京太阳计算机技术公司生产研制的举升式网球发球机，把科学训练的过程提高。对初学者和专业选手均提供了不同技术阶层的“多球训练”和网球运动式“肌肉记忆运动”的强化训练，使掌握规范网球技术的时间大大缩短为“一年赛三年”。举升式网球发球机是一种比较先进的网球发球机。此机可发出上旋、下旋、平击球，可仿真模拟网球运动时真实击出的左侧上旋或下旋球，右侧上旋或下旋球，更可以仿真发出落点在发球区内任意点球的全新功能，提供了网球运动中重要的接发球技术高难度训练。采用了电动控制与液压技术相结合的理念，这样不仅解决了上下旋转不好控制等问题，而且增加了发射的准确性^[8]。

1.3 本次设计的主要目的及内容

这次设计是为了符合学校网球户外教学课程和用户初期要求，在原有对网球发球器工作原理及优缺点的设计上，设计出一款操作简单、价格低廉、健康环保的发球器。

本次设计的工作内容如下：

1. 网球发球机的机械结构设计；
2. 发球机的工作原理；
3. 轴和其他机械零件的设计和选择的计算；
4. 检查各部分的设计和选择的强度；
5. 绘制零件加工图纸的和整体装配图；
6. 整体装配以及整体调试。

2 设计方案的选择和确定

2.1 纯机械结构的确立

经过研究与调查发现，交流电或蓄电池供电是现有的供电模式。但是，这两种供电模式在实行起来很不方便，因为插座在户外网球场几乎没有，所以人们想要充电还要从室内接线，既麻烦又费事；并且电线拖在训练场上人来人往，会对人有危险。相比于交流电，蓄电池供电就没有以上烦恼，但是在学校，上网球课的人比较多，所以用蓄电池的次数多，就需要经常充电。并且，更换蓄电池也是一笔不小的开支，废旧的电池对环境有害。所以我不打算考虑这两种供能方式，我想从纯机械的角度来看，让我们自己驱动发力，所以我选用用自行车车架作为供能机构，以人力为驱动。

2.2 发球方式的选择和确定

由国内外现有的产品和研究论文可以看出，供人们选择的发球方式很多，有双轮对滚式，单轮式等。它们的原理及优缺点介绍如下：

2.2.1 双轮对滚式发球

这种发球方式在现今市场上的网球发球器中占主导地位，以其稳定的性能和多样的出球方式而倍受设计师们的喜爱。这一类发球机的发球部分由两个高速旋转的摩擦轮组成，两摩擦轮的旋转方向相反，之间留下一个略小于网球直径的空隙。网球通过轨道下落至接触到两摩擦轮，在高速旋转的摩擦轮带动下挤入两轮之间的空隙。进入空隙的网球受到两个摩擦轮的摩擦力作用，获得一定的初速度，从而将网球发射出去^[9]。

在刚开始本次设计的时候，对于这种发球原理我挺看好的，它的两轮用齿轮箱连接起来并且靠一个动力输入轴控制方向，在这次设计中上旋或者下旋球没有需求，想要满足两轮速度相同就要用同一轴输入动力，发出平动球。但是，运用齿轮箱太过于麻烦，而且装置很复杂，这不符合我们意想中的结构简单，易于操作，另外，对于这种双轮式发球器两轮之间的距离有精确要求，但在户外网球教学中，网球往往是重复使用，以至于网球表面经过摩擦，表面粗糙度下降，表面绒毛变少，球的直径也会随之变小，这些变化会让双轮与球摩擦得不充分，然后球飞不了多远，速度也发生变化，改变了装置的精确度，所以这种发球方式我淘汰了。

2.2.2 单轮式发球

从以往的研究论文和成果来看，单轮式发球还没有被广泛认识，但其简洁的设计和稳定的优还是值得试试的，原理图^[12]如图2-1所示：

图2-1 单轮式网球发球机发球原理图

这种发球器用一个摩擦轮单向摩擦网球，网球的另外一边与轨道接触，当球由供球筒进入滚道时，高速旋转的摩擦轮就将网球在滚道中击出。它的优点是简单可靠，成本低廉，缺点是因为单边摩擦，网球被射出后在空中会有旋转，而且摩擦轮旋转的速度和网球的旋转速度成正比，对于初学者不友好，对于网球训练初期阶段的练习和现今各大高校网球教学中零基础的同学也是个挑战，因此这种发球方式我也排除了，但是这种方式也为我之后提出的叶片式击球的设计提供了灵感

2.2.3 叶片式发球

因为摩擦轮与网球的摩擦带来的旋转无法避免，而且网球的表情况与施加摩擦力的充分与否有着很大的联系，所以我想到直接用叶片将球平动发出，原理图如图2-2所示。

图2-2叶片发球方式原理图

把球从入口放入，叶片的旋转会将球击出。叶片的直径相比较网球大，叶片与网球接触的地方就可以看成网球的中心，这样球大概就是平动发出，符合初期教学的实际需要。

2.3叶片式发球机的工作原理

发球机的工作原理如下图2-3所示,由于叶片很薄，从理想角度来看，就是一条从轴心方向引出的直线，假设网球为刚体，球击出的瞬间，网球受到的各个力遵守质量守恒定律，轨道内壁足够光滑，摩擦力可忽略不计。叶片击球瞬间对球的力可分解成水平和竖直两个方向，其中水平方向的力用于将球击出，竖直方向的力与轨道对球的支持力平行。

由此可得叶片击球的方程组（2-1）：

（2-1）

图2-3 叶片式发球器工作原理图

由方程组可知，θ角越小，F在竖直方向上的力就越小，在水平方向上的力就越大，对轨道的压力也就越小，发出好球的概率就越大。因此在设计的时候要尽量地减小θ角以获得预期效果，但是，想要不断缩小θ角并不可能，因为减小θ角就需要选用更长的叶片和更大的圆弧轨道，这不利于缩减成本，成品也只会占地方，我们可以适当缩减叶片长度只有能满足击球要求。一般网球的直径大概在68mm到70mm之间，所以在本次设计中叶片的回转半径为130mm，θ角为37º。

2.4网球被抛出后的运动分析

在实际情况中，网球在飞行状态时是无法预计的，影响因素挺多的，对于网球在空中的速度和旋转程度也有影响，如果这些因素都要考虑到，那么后续工作肯定很麻烦。因此，我决定建立一个理想模型^[13]，只考虑主要因素，将那些对于主要内容影响很小的因素忽略，来提高设计效率。现假设网球为刚体，在空中飞行时空气阻力忽略不计，被击出后仅受到重力作用，即在计算网球在空气中的运动的时，可以看作是真空中的运动，即斜抛运动^[10]。如图2-4所示，

图2-4 网球抛射轨迹图^[12]

假设网球的初速度为，抛射角为，由斜抛运动在竖直方向上的计算公式可得知：

抛射高度h

（2-2）

抛射后网球能达到的水平最大距离

（2-3）

由方程（2-3）可知，当时，水平距离d取最大值，为

（2-4）

由上述结论可知，在理想状态下，当出球速度相同时，如果网球要达到出最大水平距离，球角度是45º。因此，在本次设计中，出球料斗的出球轨道与水平方向的夹角拟定为45º。此时抛射高度h为水平距离d的四分之一。根据要求：dgt;6m，hgt;2m，故本次设计中网球应达到水平距离为8m。

2.5 传动方案的选择和确立

在运输过程中，我们需要高效，可靠的传动机构把动力从自行车车架的后轴输出给执行机构，在本次传动机构的设计过程中，，我根据已有的相关机构和书本上学过的知识，开始设计最简单的传动方案，根据本次发球器设计的核心目标和户外教学的实际情况，一步一步慢慢来，不断地修改、拓展、加深原方案，然后得到最终传动方案，力求做到传动最优化^[15].。本次设计拟定按照系统化设计法进行原理方案设计，首先要将总功能分解为功能元，然后由功能元分散搜索到多个功能元解^[16]，将问题分解然后一个一个解决。另外在设计传动方案时，在满足各项强度要求和参数要求的前提下，还应考虑是否能快速合理装配，整个传动系统的质量、尺寸等^[12]。

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