[0001] 本发明涉及一种足球射门装置。

[0002] 足球可谓是全球最受欢迎的运动之一。随着机器人技术的不断进步，让机器人踢足球也不再是天方夜谭。伴随着世界经济的快速发展，科学技术水平的不断提高，在国际上迅速开展起来一种高科技的机器人足球对抗活动，它涉及人工智能、智能控制、机器人、通信以及传感等多个领域的前沿研究和技术融合，是连接基础研究与实际应用的中介与桥梁。

[0003] 近几年来，科学技术发展迅速，且科技在足球比赛中的运用越来越多，涉及的方面越来越广，有了科技力量的支持，运动员能够取得更好的成绩。目前国内专门用于精准射门以训练运动员的足球机器人并不多见，常见的是一些比赛类型的足球机器人。然而，这些足球机器人的结构大都比较复杂以及操作繁琐，同时射门的精度也不是很高。为了更好提升足球运动员的训练效果，设计一个能够实现“精准射门”的装置成为目前急需解决的一个问题。

[0037] 下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

[0038] 如图1至图16所示：本发明实施例提供的足球射门装置，其包括底座100，底座100的形状为方形，且底座100沿长度方向水平设置，底座100上设置有可编程逻辑控制器101，底座100的底部设置有多个移动轮102，底座100上设置有壳体200，壳体200的左端为敞口设计，壳体200内设置有击球机构、击球点调节机构以及弹簧拉伸机构，底座100的上表面左端固定设置有固定柱103，固定柱103位于壳体200的左侧外部，固定柱103的顶端设置有定位凹槽104，固定柱103顶端的定位凹槽104中放置有足球105，击球机构在可编程逻辑控制器101的控制下，通过弹簧拉伸机构对足球105进行击打，以实现对足球105的射门动作，同时通过击球点调节机构，使击球机构对足球105进行不同击球点位置的击打，以使足球实现不同轨迹的射门，其中：

[0039] 击球点调节机构包括底板106，底板106的形状为方形，且底板106沿长度方向水平设置，底板106通过第一支撑轴107和第二支撑轴108设置在底座100的上方，底板106在第一支撑轴107和第二支撑轴108上向前或向后移动。

[0040] 第一支撑轴107和第二支撑轴108沿纵向分别设置在底座100上表面的左侧和右侧，第一支撑轴107和第二支撑轴108的前端均固定设置有第一滚轮109，且第一支撑轴107和第二支撑轴108的后端均固定设置有第二滚轮110，第一支撑轴107和第二支撑轴108分别通过第一滚轮109和第二滚轮110在底座100的上表面向左或向右移动。

[0041] 底板100的上表面左端设置有长方形的限位孔111，限位孔111贯穿底板100，限位孔111沿长度方向纵向分布，固定柱103位于限位孔111中，且限位孔111的宽度大于固定柱103的外径。

[0042] 击球机构包括击球杆120、第一立柱121、第二立柱122、第一击球杆支架127以及弹簧123，弹簧123位于击球杆120的上方，第一立柱121和第二立柱122分别固定设置在底板106上表面的前侧，第一立柱121沿竖直方向设置有第一安装凹槽124第一安装凹槽124中设置有第一丝杆125，第一丝杆125在第一立柱121顶端设置的第一步进电机126的驱动下进行转动，第一击球杆支架127的前端通过第一螺纹孔128与第一丝杆125转动连接，第一击球杆支架127的后端通过第一固定环129与击球杆120活动连接，击球杆120在第一固定环129中自由移动，击球杆120的左端位于足球105的右侧；

[0043] 第二立柱122固定设置在106上表面的后侧，第二立柱122沿竖直方向设置有第二安装凹槽134，第二安装凹槽134中设置有第二丝杆135，第二丝杆135在第二立柱122顶端设置的第二步进电机136的驱动下进行转动，第二丝杆135上套设有与其相配合的第一滑块137，第一滑块137位于击球杆120上方，第一滑块137上固定连接有弹簧安装部130，弹簧123的左端固定设置在弹簧安装部130上，击球杆120的右端上表面固定设置有弹簧固定架131，弹簧123的右端固定设置在弹簧固定架131上。

[0044] 底座100的上表面设置有固定凹槽140，固定凹槽140中左侧和右侧分别纵向设置有第一螺杆132和第二螺杆133，其中：第一螺杆132的一端连接有第一控制电机141，第一螺杆132设有与其相配合的第一滑动块142，且第一滑动块142固定设置在106的下表面，第一螺杆132在第一控制电机141的驱动下进行转动进而带动第一滑动块142向前或向后移动；第二螺杆133的一端连接有第二控制电机143，第二螺杆133上套设有与其相配合的第二滑动块144，且第二滑动块144固定设置在底板106的下表面，第二螺杆133在第二控制电机143的驱动下进行转动进而带动第二滑动块144向前或向后移动。

[0045] 固定凹槽140由底座100的上表面内凹形成，固定凹槽140的形状为方形，且固定凹槽140沿长度方向纵向设置在底座100的上表面中间位置；固定凹槽140的长度大于底板106的宽度，第一螺杆132和第二螺杆133的长度相等，且第一螺杆132的长度大于底板106的宽度。

[0046] 击球机构还包括第三立柱150以及第二击球杆支架151，第三立柱150固定设置在底板106上表面的前侧且位于第一立柱121的右侧，第三立柱150中沿竖直方向设置第三安装凹槽153，第三安装凹槽153中设置有第三丝杆154，第三丝杆154在第三立柱150顶端设置的第三步进电机155的驱动下进行转动，第二击球杆支架151的前端通过第二螺纹孔156与第三丝杆154转动连接，第二击球杆支架151的后端通过第二固定环157与击球杆120活动连接，击球杆120在第二固定环157中自由移动。

[0047] 击球机构还包括第一固定柱161、第二固定柱162、挡板167、第一缓冲器168以及第二缓冲器169，其中：

[0048] 第一固定柱161固定设置在底板106上表面的前侧，且第一固定柱161位于第一立柱121和第三立柱150之间，第一固定柱161中沿竖直方向设置有第一固定凹部162，第一固定凹部162中设置有第四丝杆163，第四丝杆163在第一固定柱161顶端设置的第四步进电机164的驱动下进行转动，第四丝杆163上套设有第四滑块165，第四滑块165上固定连接有第一固定部166；

[0049] 第二固定柱162固定设置在底板106上表面的后侧，且第二固定柱162位于第二立柱122的后侧，第二固定柱162中沿竖直方向设置有第二固定凹部170，第二固定凹部170中设置有第五丝杆171，第五丝杆171在第二固定柱162底端设置的第五步进电机172的驱动下进行转动，第五丝杆171上套设有第五滑块173，第五滑块173上固定连接有第二固定部174；

[0050] 挡板167的形状为方形，挡板167沿长度方向纵向设置在底板106上方，且挡板167上设置有通孔175，击球杆120贯穿通孔175；第一缓冲器168的左端与第一固定部166固定连接，且第一缓冲器168的右端与挡板167左侧壁的前侧固定连接；第二缓冲器169的左端与第二固定部174固定连接，且第二缓冲器169的右端与挡板167左侧壁的后侧固定连接。通过上述设计，也即通过设置的第一缓冲器168和第二缓冲器169，可对挡板167进行一定程度的防护，避免弹簧123拉伸后在回弹的过程的中弹簧1123和击球杆120对挡板167造成较大的冲击，从而对挡板167进行一定程度的防护，安全可靠性得到提升，以达到延长其使用寿命的目的。

[0051] 第一固定环129的上端固定设置在第一击球杆支架127的下表面，且第一固定环129与第一击球杆支架127为一体成型；第二固定环157的上端固定设置在第二击球杆支架
151的下表面，且第二固定环157与第二击球杆支架151为一体成型。通过上述设计，也即第一固定环129固定设置在第一击球杆支架127的下表面且与其为一体成型，进而提高第一固定环129与第一击球杆支架151相结合的牢固性，第一击球杆支架127在第一丝杆125的转动下进行上升和下降，进而带动第一固定环129上升和下降，以带动击球杆抬升和落下；同时，第二固定环157固定设置在第二击球杆支架151的下表面且与其为一体成型，进而提高第二固定环157与第二击球杆支架151相结合的牢固性，第二击球杆支架151在第三丝杆154的转动下进行上升和下降，进而带动第二固定环157上升和下降，以带动击球杆提升和落下。

[0052] 弹簧拉伸机构包括第一水平支撑杆181、第二水平支撑杆182、第一安装柱183、第二安装柱184、移动杆185以及电磁铁186，其中：

[0053] 第一安装柱183固定设置在底板106上表面的前侧，第一安装柱183沿竖直方向设置有第一限位凹槽187，第一水平支撑杆181水平设置在底板106的上方前侧，且第一水平支撑杆181的前侧壁设置有第一角度调节电机188，第一角度调节电机188固定设置在第一限位凹槽187中，第一水平支撑杆181在第一角度调节电机188的驱动下转动；

[0054] 第一水平支撑杆181沿其长度方向设置有第三固定凹部189，第三固定凹部189中设置有第六丝杆190，第六丝杆190在第一水平支撑杆181后端设置的第六步进电机191的驱动下进行转动，移动杆185的前端通过第三螺纹孔(图中未示出)套设在第六丝杆190上；

[0055] 第二安装柱184固定设置在底板106上表面的后侧，第二安装柱184沿竖直方向设置有第二限位凹槽191，第二水平支撑杆182水平设置在底板106的上方后侧，第二水平支撑杆182的后侧壁设置有第二角度调节电机193，第二角度调节电机193固定设置在第二限位凹槽191中，第二水平支撑杆182在第二角度调节电机193的驱动下转动；

[0056] 第二水平支撑杆182沿其长度方向设置有第四固定凹部194，第四固定凹部194中设置有第七丝杆195，第七丝杆195在第二水平支撑杆182后端设置的第七步进电机196的驱动下进行转动，移动杆185的后端通过第四螺纹孔(图中未示出)套设在第七丝杆195上；

[0057] 移动杆185的左侧壁设置有拉力传感器192，拉力传感器192的左侧设置有电磁铁186，电磁铁186用于吸附击球杆120的右端。由于击球杆120由铁质材料构成，所以当电磁铁
186通电后，通过移动杆185向击球杆120的右端靠近时，电磁铁186吸附击球杆120的右端。

[0058] 壳体200的顶部右侧固定设置有储球框300，储球框300的上端开口，通过上述开口向储球框300内部的储球区域存放足球105。通过上述设计，也即在壳体200的顶部右侧设置有储球框300，储球框300用于存放足球，方便使用。

[0059] 本发明实施例提供的足球射门装置，上述底板106上表面的左端设置有足球提升机构，足球提升机构包括第一固定板211、连接板210以及第二固定板212，其中：

[0060] 第一固定板211和第二固定板212均竖直设置，第一固定板211的底端固定设置在在连接板210上表面的前侧，第二固定板212的底端固定设置在连接板210上表面的后侧，连接板210固定设置在底板106上表面的左端，且连接板210上位于限位孔111的位置设置有定位孔213，述固定柱103的上端依次贯穿限位孔111和定位孔213并向上延伸；

[0061] 第一固定板211的后侧壁设置有第一固定凹槽(图中未示出)，第一固定凹槽中设置有第八丝杆(图中未示出)，第八丝杆在第一固定板顶部设置的第八步进电机214的驱动下进行转动，第八丝杆上套设有第八滑块(图中未示出)，第八滑块的后侧面固定设置有第一固定杆215，第一固定杆215远离第八滑块的一端设置有第一夹持部216；

[0062] 第二固定板212的前侧壁设置有第二固定凹槽217，第二固定凹槽217中设置有第九丝杆218，第九丝杆218在第二固定板212顶部设置的第九步进电机219的驱动下进行转动，第九丝杆218上套设有第九滑块220，第九滑块220的前侧面固定设置有第二固定杆221，第二固定杆221远离第九滑块220的一端设置有第二夹持部222；

[0063] 第一夹持部216和第二夹持部222形成足球夹持部，通过上述足球夹持部可将足球105夹起并固定。同时，上述第八步进电机214和第九步进电机219均与上述可编程逻辑控制器101电连接，上述第八步进电机214和第九步进电机219在可编程逻辑控制器101的控制下进行启动和关闭，并通过足球夹持部对足球实现夹起并进行提升，从而可使足球实现不同轨迹的射门。

[0064] 同时，为了方便操作，还设置有控制面板201，控制面板201固定设置在壳体200前侧面的左侧，控制面板201与可编程逻辑控制器101电连接，且控制器面板201上设置有三个控制按钮，分别为第一控制按钮202、第二控制按钮203和第三控制按钮204，上述三个控制按钮分别控制击球杆120，使其打出不同轨迹球，也即直线球、抛线球和弧线球三种不同轨迹球，具体为：

[0065] 当按下第一控制按钮202时，足球射门装置击打直线球，此时弹簧拉伸机构通过电磁铁186吸附击球杆120的右端，使击球杆120向右移动，同时击球杆120向右移动的过程中拉伸弹簧123再借助击球杆120将足球105击打出去，形成直线球。

[0066] 当按下第二控制按钮203时，足球射门装置击打抛线球；此时足球射门装置通过足球提升机构、击球机构和弹簧拉升机构来调节击球角度，从而让足球与地面之间呈一定角度击打出去。

[0067] 当按下第三控制按钮204时，足球射门装置击打弧线球；此时足球射门装置不仅需要调节足球射出时和地面之间的角度，还需要通过击球点调节机构让整个装置左右调节，而足球不动。

[0068] 本发明实施例提供的足球射门装置，还包括激光传感器114，激光传感器114设置在在底板106上表面的左端，且位于限位孔111的左侧壁的边缘，通过激光传感器114，用于检测本发明实施例提供的足球射门装置距离球框之间的距离。

[0069] 本发明实施例提供的足球射门装置，其中，上述拉力传感器192的型号为“高精GJBLS-I”量程为0-300kg，工作电压为12V-24V；上述第六步进电机191和第七步进电机196的型号均为LN57S276A-1024，静扭矩为160N.cm，步距角为1.8°；上述电磁铁的最大吸引力为300kg，工作电压为24V。

[0070] 本发明实施例提供的足球射门装置，其工作原理为：

[0071] 首先，激光传感器114检测本发明实施例提供的足球射门装置距离球框之间的距离并形成检测数据，同时将检测数据发送给上述可编程逻辑控制器101，可编程逻辑控制器101根据检测数据并通过公式计算得出将足球105击打到上述球框所需要力的大小；

[0072] 然后可编程逻辑控制器101控制弹簧拉伸机构中的电磁铁186靠近击球杆120的右端，同时电磁铁186通电；当电磁铁186吸引到击球杆120的右端时，第六步进电机191和第七步进电机196通过移动杆185带动电磁铁186再反向运动；在这期间拉力传感器192一直在检测弹簧168的拉力值状况，当检测到的拉力值大小小于击球所需力的大小时，第六步进电机191一直驱动第六丝杆190保持旋转，以及第七步进电机196一直驱动第七丝杆195保持旋转，且电磁铁186也保持通电状态。当拉力值大于击球所需力时，电磁铁186断电，第六丝杆
190和第七丝杆195也停止旋转。这时，击球杆120在弹簧168的弹力下击打出去，并将足球
105击打出去。

[0073] 当本发明实施例提供的足球射门装置需要击打抛线球时，足球提升机构首先通过足球夹持部将足球105提升到一定高度，然后击球机构通过第一步进电机126驱动第一丝杆125、第二步进电机136驱动第二丝杆135、第三步进电机155驱动第三丝杆154、第四步进电机164驱动第四丝杆163以及第五步进电机172驱动第五丝杆171运动，从而来调节击球杆
120的角度；然后通过第一角度调节电机188和二角度调节电机193调节弹簧拉伸机构的角度，以使弹簧拉伸机构和击球机构保持相同的角度；最后再通过弹簧拉伸机构将击球杆120拉伸过来以实现击球动作。

[0074] 当本发明实施例提供的足球射门装置需要击打弧线球的时候，既要调整击球的角度，也需要调整左右击球点；此时，可编程逻辑控制器101通过控制底座100上固定凹槽140中的第一控制电机141驱动第一螺杆132以及第二控制电机143驱动第二螺杆133，从而使得底板106整体向前或向后移动，而足球固定不动。

[0075] 本发明实施例提供的足球射门装置，足球在空气中的轨迹大概可以分为三种轨迹，对应的装置也有三种工作模式。其工作模式一也就是水平球轨迹，在这里为了简化问题，我们假设足球在水平运动时受到的阻力为一个恒力。

[0076] 假设球在运动过程受到恒定阻力f＝0.5N，球击打出去之后运动距离为S，球的质量为m＝0.5kg，球击打出去之后的初速度为V0，弹簧的弹性系数为K＝9000N/m，弹簧拉伸长度为X，则弹簧的弹力F大小为：

[0077] F＝KX     (4-1)。

[0078] 弹力做功公式为：

[0079]

[0080] 假设整个过程没有能量损耗，弹力做功全部转化为足球动能则有：

[0081]

[0082] 假设足球运动过程中其动能全部被阻力消耗则有

[0083]

[0084] 综上可以计算得足球运动距离和需要的弹簧弹力之间关系式为：

[0085]

[0086] 将参数代入，经初步计算，将球通过水平轨迹击打到10米远距离弹簧弹力需要300N。由于整个计算过程是一个理想模型，在一些如空气阻力摩擦阻力等方面的能量消耗都被忽略掉了。所以实际中击球的弹簧弹力大小应该是要大于此。

[0087] 水平球击打过程相对来讲比较简单，其主要是先采集距离信息，然后可编程逻辑控制器对采集到的距离信息作出处理，并将距离数据通过公式(4-5)转化为击球所需要的弹簧弹力大小。同时可编程逻辑控制器也在不断采集拉力传感器的拉力信息，并将采集到的拉力信息与通过公式(4-5)计算而得到的预期拉力信息相比较。然后可编程逻辑控制器控制电磁铁通电同时驱动第六步进电机和第七步进电机转动，以拉动电磁铁移动并拉伸弹簧。

[0088] 击球工作模式二

[0089] 击球工作模式二是将足球与地面成一定角度击打出去。在这个工作模式中相对于模式一，其击球杆的位置要进行角度调节，并且击球到相同目标(也即球框)所需要的力大小也与装置处于工作模式一有所区别。在本工作模式下，同样为了简化计算我们取理想状态，忽略空气阻力对系统的影响。我们根据郝成红在其考略空气阻力抛体射程一文的研究可知如果不考略空气阻力，抛体的轨迹为抛物线，其射程d0为

[0090]

[0091] 其中v0是足球的初速度，g是重力加速度，α是足球刚射出时与水平地面之间的夹角。由我们在工作模式一中的分析可知

[0092]

[0093] 将其带入射程公式得击球所需力的大小和射程之间的关系为：

[0094]

[0095] 我们可以先通过激光测距传感器采集击球目标距离值，然后通过公式(4-8)，将目标距离值转化为预期击球所需要力的大小。

[0096] 在本装置的设计过程中为了简化模型，忽略了空气阻力同时在击打抛射球的时候我们设定足球初速度与地面之间的夹角为固定值15°。所以我们在进行程序设计的时候，只需要通过电机控制击球杆和地面之间的夹角为15°即可。经初步计算将球通过抛线球轨迹击打到10米距离需要的弹簧弹力为424N。

[0097] 为了实现本模式下的击球仿真，我们首先通过激光测距传感器采集距离信息，然后将数据传送回可编程逻辑控制器进行处理，然后利用在工作模式二下距离和力之间公式，计算出击球所需要力的大小。最后让可编程逻辑控制器控制第六步进电机和第七步进电机和电磁铁等元件，以进行角度调整和实现击球动作。

[0098] 击球工作模式三

[0099] 击球工作模式三和前面两种工作模式在控制的实现上有一定的重合度，我们可以在前面两种工作模式的基础上实现弧线球的射击。相对于工作模式二，工作模式三主要是利用可编程逻辑控制器控制相应的电机，让击球杆左右移动从而让让击球杆的击球位置不处于足球的中心。从而实现弧线球的击打。