自动乒乓球发球机文献综述

摘要：我国作为乒乓球强国，参与乒乓球运动的人数非常巨大，民间参加乒乓球运动的积极性也非常高。对于初学者，捡球所耗的时间有碍技术水平的提高；对于专业选手，由于人手发球速度和频率会有一个极点，而且陪练员长时间发球也不可能，因此要进行变化多、强度大的多球练习比较困难。一款高度自动化的乒乓球发球机，辅助运动员进行训练，可以解决上述问题。为了使练习者能更好地学习乒乓球技术以达到健身和训练的目的,针对乒乓球发球的特点,计划设计一种新型自动乒乓球发球机,它以单片机为控制核心，可以发出各种适合练习者需要的球,利用单片机对电机的控制进而对各种球的速度、角度、旋转进行控制,以满足练习者的不同技术需求。

关键词：单片机控制；乒乓球发球机；电机PWM调速

研究的目的及意义

乒乓球是中国的国球，乒乓球运动不但有利于娱乐健身，还可以练习头脑的灵活性、眼睛的反应力以及全身的协调性，特别是对改善儿童视力有着独特而显著的作用^【1】，近年来，中国运动员在国际赛场上屡获佳绩，张继科、马龙等运动员为大家所熟知，乒乓球热度逐渐上升，民间也有极为庞大的乒乓球爱好者数量，但是由于缺乏足够的专业教练指导和陪练，大部分业余爱好者的水平上升空间往往有限，错误的训练方式不但达不到提升水平的目的，还有可能损伤身体。并且对于初学者而言，捡球的时间比真正在台上练球的时间还要多， 这样要提高技术水平就很慢，也会削弱对乒乓球的兴趣。一台使用方便的乒乓球发球机可以辅助甚至代替教练教学和陪练，有助于业余爱好者娱乐健身，提升技术。对于专业的乒乓球馆或者在大学的体育课中引入乒乓球发球机辅助教学，有利于帮助学员对乒乓球轨迹的认识和掌握，^【2】在学生学习乒乓球的泛化阶段,发球机出球落点稳定及持续性强的特点可以大幅增加单位时间内学生的击球数量,提高学生技术动作的稳定性和规范性。^【3】旋转是乒乓球运动中最为独特的因素，也是初学者最难掌握的部分，不同旋转的球的轨迹有很大差别，^【4】如：俯视视角的弧线横向偏转程度与乒乓球侧向旋转程度呈正相关关系。旋转速度相近的情况下,横向偏转距离侧旋gt;侧上旋gt;上旋。^【5】乒乓球发球机可以定量地改变发球的旋转，帮助初学者通过球的运动轨迹判断球的旋转。

国内外研究概括

2.1世面上的发球机分类

目前市场上销售的乒乓球发球机，按出球方式可以分为三类:一类是轮式发 球机，一类是压气式发球机，另一类是捶击式发球机。其中轮式发球机的原理是由于装有轮子的通道空间很小，当球从滑轨滚入通道时，轮子就将球喷出。这种情况和小石头被打滑的车轮喷出是一样的。这种发球方式有两种，一种是单轮驱动，另一种是双轮驱动。单轮驱动发球机的弊端是:发出来的球如果速度快，那么同时旋转也强;如果速度慢，那么同时旋转也弱。这和人们实战打球是完全不同的，实际上球速和旋转并不是完全成正比的，比如攻球的速度最快，但是旋转并不强;而弧圈球虽然旋转极强，但是速度未必很快。双轮驱动的发球机完全解决了单轮驱动速度和旋转的矛盾，可发出各种旋转的球，同时也可以发出不转 球。压缩式发球机是利用空气压缩机来发射球的，球被装入长桶的底部由一个窄 口固定住，这个窄口的直径比球的直径略小一些。当压缩空气推挤乒乓球穿过窄口的时候，球就被发射出去了。这种发球机的缺点是噪音极大而且不能提供高的性能，同时，空气压缩消耗的功率很大，难以使用电池来供电;它的优点是价格比较便宜。^【6】捶击式发球机有多种设计方案，最常见的是通过凸轮带动摆杆，将落入发球口的乒乓球击出去，这种方式性能单一，而且不方便控制，已经逐渐被淘汰。

按控制类型可以分为两类:一类是半自动乒乓球发球机，这类发球机无论是安装还是使用都比较麻烦，而且发球的方式、力量、速度都是固定的，如果要改变各项技术参数，就必须停下来，人工来校准调整机头旋转角度，来实现各种旋转球，手动抬高或降低机头，来调整球的射程弧度，而且机械性能比较差，经常卡球，但这类产品在市场上占的比重还是比较大，而且有很多俱乐部还在用它，究其原因，虽然是功能不强但价格比较低。另一类是全自动电脑程控的全自动乒乓球发球机，是由全电脑程控的，能模拟运动员常用的技术，可发出攻球、前冲弧圆球、削球、长胶球等高性能的球，其中包括九种与真人发射基本相同的基本球，另外还能发多种速度不同的球，从而可派生出多种多样性能的球，使用非常的人性化。其电脑记忆功能还能记录球员打球的路数，能起到专业陪练效果。这种机器虽然性能很高，但价格也比较贵。^{【7】【8】}

按使用场景分类，可分为桌上式和桌下式。桌上式有较好的便携性，适合家庭使用，功能简单，经济实惠，不能回收来球，功率较低的型号甚至能用电池驱动；桌下式乒乓球发球机可以配合回收网拦截回收来球并再次发射，一般除出球口外，机体置于球台下，机器体积较大，移动不便，但是功能齐全，适合乒乓球馆等固定场所使用。

图1.传统桌下式发球机结构

2.2国外的研究成果与动态

国外的乒乓球发球机发展比较快，其功能比较齐全，自动性能也比较高，既 可以满足普通练习者的需求，也可以满足专业运动员的日常训练要求。目前，世 界上生产乒乓球发球机的厂家比较多，具有代表意义的厂家是美国的NEWGY 公司和IPONG公司。LNEWGY公司乐吉发球机ROBO-PONG 1050: 其发球原理是由电动机带动的位置可调旋转轮和一固定的摩擦块组成发射机构，当球进入发球通道，由旋转轮将球旋出发球口来，旋转轮的位置不同，则可得到不同旋向的球。该型号发球机包含数字化控制系统、电脑联机编程设计、网络共享训练程序等诸多创新，可发上、下、左、右旋球及各种侧旋混合球，用手旋转机头，将位于发球口处的某种旋转标识，调整到正上方，发球机即发出此种旋转球，机头可360°旋转、角度变换、当两种旋球之间表示旋转机头的箭头位于正上方时，则发该两种旋转的混合旋球；松开铜旋钮，可上下调整机头的仰角度，从而调整出球的弧线的高低，调整后再将其旋紧，即可可调整发球弧线的高低；在控制盒手动模式下，实现如下功能：球速调整，调整发球的飞行速度及旋转强度，从而改变球的前后落点，出球间隔，调整两球之间的时间间隔，即发球快慢，最慢1个/分钟，最快170个/分钟；摆动调整，通过任意设置左右落点改变发球方向，即可在不同方向定点发球，也可全台任意变化；在电脑联机情况下，可任意自主编程。可用新建、打开、运行、保存、读取、写入等方式来编辑训练程序。由电脑操控发球机或者将编好的程序存入控制盒训练模式下33-64任一位置，脱离电脑，随时由控制盒操控发球机。并可通过网络以各种方式（即时通信工具、BBS、电子邮件等）与全球的同好相互发送、下载、保存编好的训练程序，实现远端教学、网络共享。^【9】IPONG发球机是一种便携式桌上发球机，使用时将发球机置于球台上，一次可以装80-100颗乒乓球，可以以固定的频率（30球每分钟）固定方向发射无旋转或者简单旋转的球，可以由电源供电或者用4粒2A电池供电，此类发球机价格实惠，适合儿童训练或者简单娱乐。