论文总字数：20821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

02009405 Sinan Hao

Supervised by Liang Han

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肢协调配合的隔网对抗性有氧运动项目^[1]。关于网球运动的历史起源，众家的说法不一。今日我们所说的“网球”运动，已经经过了许多世纪的进化和演变，由国际公认的协会来制定规则，其运动形式也得到大众的接受和喜爱^[2]。而在现当代的中国，网球也因其快速的运动节奏和所代表的青春阳光的形象而倍受各界群众的喜爱。随着08年北京奥运会带动的全民健身运动的开展和李娜、郑洁等一批具有国际知名度的选手在各大赛事中屡创佳绩，中国的民间网球事业的普及和发展迎来了一个崭新的纪元。另外，随着中国人民生活水平的显著提高，人们更多地把精力投入到户外健身和提高生活品质上。网球，作为一项适合各个年龄群体的运动也随之得到了人们的关注和喜爱。

但是,网球这项体育运动受同伴影响较大，需要双人训练，运动强度大，这样自己的主观能动性就减小^[3]，大多需要专业人员陪练才能完成基本动作技巧的练习，而往往聘请这些专业人员的费用十分昂贵，使得许多收入一般的群体和学生群体望而却步。另外，初学者在训练初期往往进行的是非常简单的发球接球训练，聘请这些专业的训练人员往往显得“大材小用”。而且由于缺少必要的网球训练辅助器械，陪练人员在网球练习初期阶段往往需要投入更大的体力和精力，这对于陪练人员的要求也随之提高，训练者也容易由于缺少持续高效的练习，技术提高缓慢，降低了对于的网球兴趣，也有人就因此放弃了练习。而这些因素和情况叠加在一起，就在很大程度上限制了网球运动在中国的发展和普及，加大了网球这项富有魅力的运动与普通群众的距离，也阻碍了一些渴望接触这项运动的人们入门的步伐。因此，网球训练辅助器械的开发和研制是十分重要和迫切的。

在众多网球器械中，发球器无疑对初学者显得至关重要。在设计之前，笔者研究了国内和国际现有的网球发球器，总结出以下两个特点：1.这些器械大多适用专业人士的网球训练，功能比较复杂；2.价格昂贵，大概在几千钱到一万元不等。这些产品虽然可以提供不同速度和不同转向的球，但对于初学者来说，入门阶段的练习不需要这些复杂的功能，接球时来球以平动球为宜，球速适中即可。另外，高昂的价格也加大了训练成本，不太符合中国国情。

因此，设计一款适合初学者使用，高效，成本低廉的发球器就变得十分重要，我们提出了“抛射式教学用网球发球器”的设想，主要用于将球平动击出，贴合初学者的需要，并力求降低成本。在设计的过程中，我们充分考虑了户外网球教学的实际情况，切合实际地完成设计。在各大高校网球教学课程如火如荼开展的今天，该器械有望解决“发球难”问题，提高训练效率，为中国网球运动的推广和普及，贡献应有的一份力量。

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体系，由技术层、战术层、心理层和体能层四个方面组成^[4]。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，除了研究人体发球的过程和原理之外，设计时也应考虑球在空中的飞行轨迹、空气阻力等因素。在对抗风阻和网球重力分量等阻力因素的过程中，发球器一般需要强劲的动力源和高效的执行系统。

一般来说，发球机以电源为动力，通过两个直径相同而转向不同的两轮利用摩擦力将球击出，通过两轮的速度差来控制球的转向。现今愈加成熟的市场和网球爱好者日益迫切的需求则吸引着众多有实力的公司加入到开发网球发球器的行列中来，一批批特点鲜明，功能完善的产品在国内外相继出现。

1.2.2国内外网球发球机

（1）国外网球发球机

网球在国外拥有众多的爱好者，而世界各大网球公开赛在全球范围内的风靡也极大程度上刺激了网球运动在国外的普及。因此，在国外，网球发球器有着稳定而成熟的市场。再加上西方世界惯有的商业运作模式，国外的发球器发展较为迅速，产品功能强大，能为资深网球爱好者甚至职业网球选手提供必要的发球功能。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。这两种发球器都进口到了中国，在中国甚至全球范围内都占有相当的市场份额。

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]。该方案能保证发球器高效地发出各种适合用户需要的球，功能强大，运行稳定可靠，但成本较高昂，售价在几千元到一万元不等，另外摩擦轮对于因用旧而变小的网球摩擦力较小，导致对其速度和角度的控制不精确。实物图如下图1-2。

图1-2TUTOR实物图

德国的蒙迪诺网球发球机也是利用这种原理制造^[8]。

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。这种发球机的缺点是噪音大,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；它的优点是价格比对转双轮的网球发球机便宜^[8]。这种发球机的实物图如下图1-3。

图1-3LOBSTER实物图

相比起来，压气式发球器比TUTOR发球器噪音更大，功能实现的效果也不如TUTOR好，也不能用电池供电，但是，压气式发球机较为便宜。

(2)国内网球发球机

相比于国外无论是原理还是产品都较为成熟的状态来说，国内网球发球器的开发才刚刚开始，但大部分都是沿用双轮对转原理。

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，收藏方便的特点，但是它的价格对相当一部分家庭来说也是一项不菲的开支^[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，升华了科学训练过程。对初学者和专业选手均提供了不同技术阶层的“多球训练”和网球运动是“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。在设计理念上采用了电动控制与液压技术相结合，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

这次设计是基于对已有网球发球器原理及优缺点的研究上，力求结合高校网球户外教学课程的实际情况和初学者练习初期的要求，设计出一款操作简单、成本低廉、绿色环保的发球器。

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，现有网球发球器都采用交流电或蓄电池供电。但是，这种供电方式在户外具有很大的局限性，因为户外网球场基本找不到外插电源，如果需要交流供电只能从室内用长电线连接，非常地不方便；而电线拖在人数较多的训练场也一定程度上增大了安全隐患。相比于交流电，蓄电池供电虽然能避免以上的不足，在器械使用较频繁的各大高校，蓄电池需要经常充电。另外，更换蓄电池也会产生新的费用，废旧的电池也会加重现有的环境问题。因此我决定放弃这两种供能方式，从纯机械的角度入手实现供能，以人力作为驱动，最终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，发球方式的选择是多样的，主要有双轮对滚式，单轮式等。现将其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]。

在设计本次发球机的初期阶段，我也很倾向于这种发球原理，用齿轮箱将两轮连接起来并使之能用一个动力输入轴控制方向，由于本次设计不需要发出上旋或者下旋球，用同一轴输入动力可以满足两轮速度相同，发出的球应该为平动。但是，齿轮箱的引入会大大增加设计难度和装置的复杂度，这与我们意想中结构简单，易于操作的思路相违背，另外，这种双轮式发球器两轮之间的距离要掌握得非常合理，但在户外网球教学中，由于有相当数量的球被多次使用，可能出现上面绒毛脱落，表面粗糙度降低的情况，球的直径也会随着使用时间的增加而变小，就有可能出现双轮与球摩擦得不充分导致球脱落或者发球的距离、速度不够的情况，降低了装置的可靠性，所以最后我没有选择这种发球方式。

2.2.2 单轮式发球

从以往的研究论文和成果来看，这种发球方式虽然在实际生产中未得到广泛的应用，但其简洁的设计和稳定的功能仍然值得我们考虑，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。这种发起方式简单可靠，成本低廉，但是由于网球只有一边与摩擦轮摩擦，网球被击出后在空中会有旋转，而且摩擦轮旋转的速度越快，网球的旋转也会越强烈，这会令初学者感到不适应，不适用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较多的实际情况，因此我最后没有选择这种发球方式，但是这种方式也为我之后的设计提供了灵感。于是，我提出了叶片式击球的设想。

2.2.3 叶片式发球

由于摩擦轮与网球的摩擦势必会带来旋转，而且施加摩擦力的充分与否对网球的表面情况的依赖很大，既然需要网球平动发出，我想到直接用叶片将球击出，原理图如图2-2所示。

图2-2叶片发球方式原理图

网球从入口进入后，叶片高速旋转将球击出。叶片的直径比网球的直径大，击球点可近似看成是网球的中心，将球击出后为球大体为平动飞行，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，可以理想化看作是从轴心方向引出的直线，假设网球为刚体，击球的瞬间，网球受到的各个力为恒力，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两个方向：水平和竖直，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在竖直方向上的分量就越小，在水平方向上的分量就越大，对轨道的压力也就越小，球就被击出得越顺利。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，θ角并不能无限制地减小，因为θ角的减小就意味着要用更长的叶片和底边圆弧更大的轨道，这会加大成本并使发球装置更笨重，因此在能满足击球要求的前提下，适当缩减叶片长度也是有必要的。一般网球的直径大概在68mm到70mm之间，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，网球在空中的飞行状态是十分复杂的，受很多的因素影响，而这些因素都在影响着网球在空中的速度和旋转程度，但是如果要把这些因素都考虑在内，将会使设计初期的工作量大大增加。因此，我决定建立一个理想模型^[13]，只考虑主要因素，将对核心参数影响不大的因素忽略掉，提高设计效率。现假定网球为刚体，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，将其看成是在真空中的运动，即斜抛运动^[14]。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，若网球出球角度为45º，网球能达到的水平距离最大。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

当动力从自行车车架的后轴输出时，我们需要高效，可靠的传动机构将动力输出给执行机构，在本次传动部分的设计的过程中，我从最简单的传动方案开始设想，结合书本上学过的知识，根据本次发球器设计的核心目标和户外教学的实际情况，一步一步循序渐进，不断地修改、拓展、加深原方案，最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]，将问题分解开各个击破。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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