一种由计算机控制的精确多轴的物体投射机

技术领域：

本发明涉及投射机，尤其是一种精确的有多轴的物体投射机，该 投射机由计算机系统控制，将一个物体从预定释放点按预定初速度、 预定初始轨迹和两个预定转动分量投掷出去。

背景技术：

职业棒球通过出场费、播放权和各种市场活动产生巨大的年收入。 但是，因为付给职业棒球手的工资很高，以及场地和培训设施成本高， 所以棒球是一种利润相当低的商业。为了维持和增加来自比赛和电视 转播的收入，主要是要使棒球迷保持高昂的兴趣和激动。尽管低记分 的投掷比赛可以令棒球行家感到高兴，但通常比赛中最令球迷们感兴 趣和激动的是大量的击球和本垒打。

在职业运动中，成功地将职业棒球投手投掷的棒球击中是运动员 承担的惟一最困难的任务，这一点是公认的。当被投掷的棒球穿过一 垒时，其速度可从60到70mph之间甚至90mph以上。根据投手的高度 和姿态以及投出的投球类型，可以在相当大的区域内从任何点发出棒 球。从空气动力学的观点看，投出的棒球在许多不同的轨迹中的任何 一个轨迹上；该轨迹依赖于棒球切痕方向，该切痕方向与棒球的平动 和转动、初速度，并且该轨迹还依赖于棒球的转动方向，该转动方向 与球的平动有关。因为投掷出的球在释放点和本垒之间运行时间很短， 大约在十分之四到十分之五秒之间，因为击球手对投球的释放和最初 轨迹在视觉上有较慢的响应时间，而且因为球运行的不同空气动力学 上引起的轨迹很多，所以击球手只有几毫秒的时间来估计球在本垒上 方好球部位的击球区域运行的高度和方向并且开始挥动球棒击球，或 者判断出球的轨迹不与好球部位相交而放弃挥棒。如果可以精确计算 的话，比导致本垒打的开始抡棒时间稍微提前或滞后5毫秒左右，可 能导致打出场地左侧或场地右侧的界外球。球棒和球之间的接触点与 最佳接触点的稍微错位可能导致反常的内野飞球或界外球。

因为球迷的热情很大程度上依赖于击球手击球的技能，而且击球 需要接近人的能力极限的手眼协调能力，因此培养职业棒球手总能击 中职业投球手投出的球是职业棒球培训课程重要和困难的环节。训练 击球手击打职业投球的一种有效方法是让击球手每天与职业投球手接 触许多小时。但是，准确、快速、以各种轨迹投掷棒球也是一项优秀 的技术。另外，最高水平投球自然是一个极端苛刻的任务。因为付给 职业投球手的工资很高，因为投球手能够高水平地投球而不受伤的时 期相当短，而且因为为了训练击球手需要给每个击球手的投球数量相 当大，所以用职业投球手训练击球手是不切实际的。

作为使用职业投球手的一种替换，棒球队可以雇佣半职业或业余 投球手进行训练。但是，雇佣半职业或业余投球手也很昂贵，最重要 的是，半职业或业余投球手投不出职业投球手在比赛中投出的那种速 度和变化轨迹的球。由于这些原因，棒球队采用许多不同的投射机进 行重复击球练习。

已经设计、生产和提出各种类型的投射机。在图1所示的一种投 射机中，棒球102被线绳104拴到垂直转轴106上，转轴106由电机 108带动。球在水平面内沿环形路径运动，每一圈代表一次投掷。通 常，这种装置不能模仿投球，因为球的环形路径不像投出的球的轨迹。

已经采用各种不同的投射球的投射机。这些装置安放的位置可以 使它与击球练习者之间的距离与击球者和投球手的正常释放点之间的 距离基本相同。这些投掷装置中采用了许多不同的推动原理，包括气 动推力，电磁加速度，和弹簧驱动杆臂。虽然比图1中的投射机投得 更远，但是也已证明这些不同类型的投射机不合适。通常，它们不能 如实地重复投手投出的球的运动。另外，由于有伤害击球手的危险， 这些装置并不安全，所以非常不合适。当职业投球手例行公事地将棒 球投掷经过好球部位的前面时，该好球部位是小于两英尺见方的区域， 投射机按许多变化投掷。结果，针对这种机器，练习的击球手当然易 于采用比面对真人投球手更为小心和犹豫的态度。更成问题的是，这 些投射机一般以低于职业投球手的速度投掷棒球，而且通常不投真球。 因为现在流行的机器没有确定棒球切痕(seams of baseball)方向的 方法，所以投掷真球是成问题的，没有这样的定位，棒球的轨迹因空 气动力学的影响而变得十分不稳定。

由许多投射机制造者(包括JugsTM公司)生产的更为成功的一类 投射机，是用两个反转橡胶轮胎的轮给棒球一个旋转将棒球推向击球 手。图2示出一种Jugs型的投射机。操作员202将棒球204放进机械 供给机(未示)，球通过该供给机滚进两个反转橡胶气胎和轮组件之间 的一个狭窄空间内，轮组件包括轮206和208。反转轮206和208分 别由电机210、212驱动。反转轮以3000rpm的速度转动。球暂时被夹 在轮子之间然后以可达到90mph的速度被推出。通过调节一个轮子相 对另一个的转速，可以使两个反转轮子以略微不同的速度转动，就可 以从该装置中、在两轮位于的平面内将球向前或向后转动地推出。另 外，如图3所示，为了改变球的轨迹，反转轮的平面可以倾斜。例如 在图3中，因为倾斜的反转轮使球倾斜转动，所以球沿Jugs机和击球 手之间的一个曲线路径运动。可以沿许多不同轴调整Jugs机。例如， 为了调节投掷的球的初始水平轨迹，可以让该机器相对于垂直轴转动。 可以围绕一根水平轴垂直地调节该装置，以改变投出的球相对地面的 角度。这些垂直和水平调节一起描绘出了棒球的初始平移轨迹。因为 反转轮由单独电机驱动，因此可以调节它们的相对转速以使球在前后 方向上具有不同程度的转动。

虽然Jugs机对前面描述的装置做了巨大改进，可是该机仍然不具 备真人投球手的能力。首先，Jugs机不能精确投掷真球，因为Jugs 机不能真实地确定真球切痕的方向，因此不能控制球在空气动力学上 引起的运动。另外，一般使用表面有波纹的塑料球。其次，在球上还 有真人投球手施加的附加的转动，这一点Jugs机无法再现。Jugs机 没有足够的能够再现真人投掷的球的可控轴。最后，Jugs机不能再现 真人投球手的外形，包括各种投球时变化的释放点。可以在Jugs机上 通过升高和降低反转轮组件来调节释放点，但是该操作需要相当长的 时间和相当长的再校准时间。

为了模拟真投球手，制造者已经企图将投球手的视频图象的投射 与各种类型的棒球投射机结合起来，最普通的投射机是Jugs型的棒球 投射机。图4示出一种活动的，视频图象投射机系统。棒球投手402 的活动图象被投影到屏幕404上。在投球手的图象释放棒球的那一时 刻和那一点上，在投影屏404的平面上，球从小的固定口406或释放 口弹射出来。通常，这些系统都不能成熟地实施，而且不能再现真人 投球手的投掷时间刻和外形。首先，正如上面描述的其他投射机，这 些系统通常不投掷真球，而是投掷有波纹的塑料球，与上述所有投射 机固有的缺陷一样，缺乏再现投掷的球的实际运动的能力。还有，释 放点406被固定在屏幕上，然而，根据不同类型的投球和投球手的身 体特征，真人投球手在释放点平面上的不同位置、以与击球手不同的 距离释放球。最后，所有这些系统将投影屏幕靠近击球手的距离超过 60英尺，一般隔开最小20英尺到最大50英尺的距离，60英尺距离是 击球手与真人投球手隔开的正常距离。为了补偿被缩短的距离，球以 较低的速度被投出。但是，这些系统产生的视觉效果与真人以正常速 度投球和被投掷的球的动力学运动所产生的视觉效果大不相同。

由于棒球商业上的利润率特别薄，所以提高职业棒球的打击水平 的需要变得愈加重要。目前使用的棒球投射机不能精密再现真人投球 手投出的棒球的运动。现在使用的棒球投掷系统不能再现真人投球手 的外形，而且不能再现由真人投掷的球的变化的释放点和运动。为这 些原因，已经需要有一种棒球投射机，该投射机可以如实的再现被投 掷的棒球的运动和轨迹，而且可以再现真人投球手的外形。另外，对 于上述的许多原因，同样需要配置成可以重复如实地再现被投掷和被 打击物体的物体投射机、以模拟棒球其他方面和其他运动类型，其他 运动包括网球、曲杆球、武术、足球、乒乓球和羽毛球，并且还具有 工业实用性。

发明概述

本发明的一个实施例是一个多轴的、伺服控制的棒球投射机 (“BPM”)。棒球投手的全部活动图象被显示在位于BPM前面的垂直投 影屏上。棒球投手的活动图象模拟投球手的位置和运动。不同移动图 象可以模拟各种不同类型的投球，这些投球是由许多不同投球手投出 的。在球从被模拟的投球手手中被释放出来的那一刻，一个真球从投 掷图象中描绘的棒球的释放点的位置，经过该投影屏被投掷向与真人 击球手相关的一个确定位置。这样，本发明的一个实施例的BPM机可 以真实地模拟不同投球手投出的各种类型的球的位置和运动，并以预 定的初速度和预定轨迹向击球手投球，这些投球真实地再现由被模仿 的投球手的投球。

BPM的特征是动态释放点或释放口，后者可以在投影屏的一个大范 围内的任何位置，以便与被模仿投球手投出的球的释放时间和位置保 持一致。该释放口是一个快门，该快门打开很短时间使球通过该投影 屏。击球手看不见快门的动作，因为它的动作只有二十五分之一秒的 时间或更少，不在人的可视范围内。

棒球由夹紧部件夹紧，并在两个圆形反转飞轮之间移动。两个飞 轮的圆柱表面覆盖有压缩材料，该材料通过摩擦力夹紧球。当夹紧部 件给两个反转飞轮之间的棒球加力并在两反转飞轮之间的水平轴方向 向本垒高速投掷棒球时，反转飞轮的转动动量立即传给棒球。球速由 反转飞轮的转速控制，每个飞轮由一个电动伺服电机驱动。通过转动 不同转速的两反转飞轮，在一个平面内的顺时针或逆时针方向的旋转 被施加给棒球，该平面穿过并平分两个反转飞轮。通过使两个飞轮绕 一个投射轴转动来调节相对于垂直方向的旋转角度，该投射轴经过两 个飞轮之间、垂直于两个飞轮中心之间的线段，并且与穿过并平分两 个反转飞轮的平面共面，棒球沿该投射轴开始被投掷。当飞轮绕投射 轴的转动与球从飞轮之间的投出同时发生时，可以在垂直于经过两飞 轮的投射轴的平面内将一个额外的旋转施加给棒球。

飞轮和驱动飞轮的伺服电机被安装到一个组件上，该组件可以相 对投射屏水平和垂直移动，这样可以将球的释放点放在一个平面区域 内的任何一点上，该平面区域与投影屏平面重合并被它界定。另外， 该组件可以由另外的伺服电机驱动，在水平方向上绕一个枢轴转动并 在垂直方向上绕一个枢轴转动，以便在一个假想锥体内给投射轴定向， 该锥体垂直于该投影屏并在发球方向上从球的释放点张开并离开该投 影屏。

投影屏的反射表面包括五个柔性带。第一个柔性带固定到该装有 反转飞轮的组件的左侧并被一个垂直安装的弹簧加载的拉紧卷轴拉 紧，该拉紧卷轴在棒球机器的左侧。同样，第二柔性反射带固定到该 内部装有反转飞轮的组件的右侧并被一个垂直安装的弹簧加载的拉紧 卷轴拉紧，该拉紧卷轴在棒球机器的右侧。带一槽或开口的第三柔性 反射带被保持在水平安装的、电动伺服电机控制的下和上拉紧卷轴之 间，下和上拉紧卷轴位于该内部装有飞轮的组件的下面和上面，该拉 紧卷轴与该内部装有飞轮的组件一起相对于投影屏水平移动。当棒球 从两个飞轮之间投掷时，通过将第三柔性带内的开口移到一个与投射 轴重合的位置，一个小的快门样的开口短暂地出现在投影屏的表面上， 以使球通过该投影屏。一个第四柔性带固定在该内部安装有反转飞轮 的组件的顶部，并被投射机顶部的一个水平安装的弹簧加载的拉紧卷 轴拉紧。同样，一个第五柔性反射带固定在该内部安装有飞轮的组件 的底部，并被棒球机器/投射机底部的一个水平安装的弹簧加载的拉 紧卷轴拉紧。第四和第五柔性带位于第三柔性带的后面，从而第三柔 性带中的开口不会被移到暴露的、敞开的空间的前面，该空间在该内 部装有飞轮的组件的上面和下面。

两反转飞轮的速度、球的释放点、球被投射离开投影屏的初始方 向以及平分该两个反转飞轮的平面相对该投射轴的角度，都可以由计 算机控制电动伺服电机来控制和调整，从而真实再现各种投球的轨迹， 包括快球、曲线球、不旋转球和滑动球。还有，各种类型的投球可以 与一个投球手的投掷图象一致，从而模拟任何不同的投球手所作的投 球。最后，当棒球从60英尺的距离被投掷时，通过计算机控制电动伺 服电机，可以精确地将棒球经过好球区的轨迹预定到距要求轨迹两英 寸的半径范围内。

对本发明的物体投射机的某些部件进行修改，可以变为网球服务 机，武术的武器投射机，足球经过机和其他类运动模拟机。物体投射 机还可以用于工业模拟器、试验设备和物质运输装置中。

图面说明：

图1示出一种目前使用的投射机。

图2示出不同投射机中用于投射棒球的一种。

图3示出JugsTM投射机。

图4示出一种活动的视频图象投射机系统。

图5示出从本垒后方某一观测点看到的BPM的轮廓。

图6示出从位于垂直投影屏背面的BPM的后面的观测点所看到的 BPM。

图7还示出该BPM的垂直投影屏的详图。

图8示出BPM的七个附加机械轴。

图9和10示出BPM的主框架、X轴框架和Z轴支架。

图11A-C示出Z轴支架的辊子和辊子轨道机构。

图12是垂直投影屏的分解图。

图13是安在X轴框架上的I轴投影屏的前视图。

图14A-B示出一个飞轮的截面图和边缘截面图。

图15是飞轮驱动装置的分解图。

图16是飞轮外壳组件的分解图。

图17示出完全组装好的飞轮外壳组件。

图18示出H和J轴组件。

图19示出在收回位置的完全组装好的H和J轴组件。

图20示出电动缸的可延伸臂伸展时的完全组装好的H和J轴组件。

图21示出棒球夹紧组件的分解图。

图22示出从垂直投影屏附近一个有利点向H和J轴组件看过去的 W轴支架的分解图。

图23示出从H和J轴组件后面的一个观测点向垂直投影屏看过去 的W轴支架的局部分解图。

图24是向下看W轴时的Y轴支架和W轴支架的水平面图。

图25是W轴支架相对于W轴转动时，向下看W轴时的Y轴支架和 W轴支架的水平面图。

图26示出Y轴支架。

图27示出在水平位置的Y轴支架。

图28表示绕Y轴向下转动的Y轴支架。

图29表示Z轴支架。

图30是Y轴支架的截面图。

图31示出从BPM上方向下看W轴的W轴支架的截面图。

图32和33表示飞轮外壳绕G轴的转动。

图34表示BPM的电子和计算机控制。

图35是说明最高级BPM控制程序的控制流程框图。

图36是“投掷”程序的控制流程框图。

图37是由“投掷”程序确定的计算程序的控制流程图。

图38表示电动伺服电机运行时间线。

图39是由“投掷”程序确定的投掷路线的控制流程框图。

图40表示棒球的分选屏。

发明的详细描述    

本发明的一个实施例是用于棒球击球训练的棒球投射机(BPM)。 图5示出从本垒后面的某一个观测点看到的棒球投射机的外形。投球 手502的整个运动的视频图象被投影到垂直投影屏504上，该投影屏 504包括BPM 506的前表面。投球手502的图象从视频图象投影仪508 被投影到投影屏504上。当一个棒球图象从投球手502的投掷图象的 手中释放时，一个动态的可再定位的快门510打开一瞬间，允许一个 真棒球从BPM 506向本垒514上方的区域512空间内的一个点投出。 BPM506的特征在于，在BPM内大量机械部件由计算机控制的、多轴电 动伺服电机控制，BPM不但可以为了模拟其图象显示在投影屏504上 的投球手的投掷类型而施加几个转动分量，而且能够给棒球施加精确 限定的初速度和初始轨迹。例如，BPM可以精确模拟快球投掷、滑球 投掷、曲线球投掷、不旋转球投掷和各种更复杂的混合投掷。另外， 为了精确地将棒球对准本垒514上方空间512内的选择点，可以校正 BPM。

图6示出从BPM后面的一个观测点看到的BPM。可以在图6中看到 的棒球投射机的主要部件包括：(1)主框架602，它包括十二个沿矩 形实体的边缘布置并以90度角连接的杆件；(2)矩形X轴框架604， 它有上水平支撑606和下水平支撑608，它们分别通过辊子系统(未 示)固定在主框架602的上水平杆件610和下水平杆件612上，以使 X轴框架可以横穿垂直投影屏504的平面水平运动；(3)一个Z轴支 架616，其通过一个辊子系统(未示)固定到X轴框架的水平杆件618 和620上，以使Z轴支架可以在X轴框架内垂直移动；和(4)若干安 在Z轴支架616内的投掷棒球和确定初始轨迹的部件622。X轴框架 604的水平位置和Z轴支架616的垂直位置一起确定棒球释放点相对 垂直投影屏504表面的x，z卡迪尔坐标位置。

图7是BPM的垂直投影屏504的详图。垂直投影屏504包括五个 分开的柔性反射带，包括柔性反射带704、706和708(五个柔性反射 带中的两个没有在图7中示出，但是在下面图12中示出)。左侧带704 垂直固定在X轴框架604上(没有示出垂直固定件)，并且横穿BPM 面延伸到一个垂直安装的弹簧加载的拉紧/供送卷轴710上。右侧带 706垂直固定在X轴框架604上(没有示出垂直固定件)，并且横穿BPM 面延伸到一个垂直安装的弹簧加载的拉紧/供送卷轴712上。上侧带 (未示)水平固定在X轴框架604上，并且在BPM表面的上部之间垂 直延伸到一个水平安到Z轴支架顶部的弹簧加载的拉紧/供送卷轴 716。底侧带(未示)水平固定在X轴框架上，并且在BPM表面的底部 之间垂直延伸到一个水平安到Z轴支架底部的弹簧加载的拉紧/供送 卷轴718。上述四个弹簧加载的拉紧/供送卷轴由威斯康星Milwaukee 的Milwaukee Protective Covers，Inc.提供，提供的垂直弹簧加载 的拉紧/供送卷轴零件序号是70-3-PN-11。同样类型的卷轴可以从其 他卷盖(roll-up covers)生产者那里得到。卷轴内的多个内部弹簧 在带上产生38.4磅力的弯曲张力，为用户保持光滑而平坦的外观。

当X轴框架604在向左方向上横穿BPM表面水平移动时，左侧拉 紧/供送卷轴710卷动左侧柔性带704，同时，右侧拉紧/供送卷轴712 供应右侧柔性带706。相反，当X轴框架604在向右方向上横穿BPM 表面水平移动时，左侧拉紧/供送卷轴710供应柔性带704，而右侧拉 紧/供送卷轴712卷动柔性带706。当Z轴支架沿X轴框架向上垂直移 动时，顶部拉紧/供送卷轴卷动顶部柔性带，同时底部拉紧/供送卷轴 供给底部柔性带。相反，当Z轴支架沿X轴框架向下垂直移动时，顶 部拉紧/供送卷轴供给柔性带，而底部拉紧/供送卷轴卷动柔性带。第 三个柔性反射带708安装在两个水平安装的电动伺服电机控制的拉紧 /供送卷轴716和718之间，卷轴716和718使第三柔性带708垂直移 动。第三柔性反射带位于顶部和底部柔性带之上，在图7中遮盖了顶 部和底部柔性带。所有五个柔性反射带由下列一种或多种材料制成， 这些材料可以方便地从全世界的合成橡胶和纺织品生产厂家得到，厚 度为千分之16英寸到千分之32英寸：

·氯丁橡胶，衬有布

·EPDM(三元乙丙橡胶)

·海帕论    

·SBR(丁苯橡胶)

·白腈FDA纸(食品级Neoprene加Nitrile橡胶涂覆的聚酰 胺)

·Viton(氟橡胶)

·氟硅氧烷

·布，用橡胶或聚四氟乙烯涂覆或浸渍。

两个水平安装的电动伺服电机控制的拉紧/供送卷轴716和718以 及第三柔性带708一起组成I轴。第三柔性带708包括一个圆形槽口 状的孔720，该孔可以快速通过使投掷的球通过的释放点722。因此， 孔720横穿释放点722的运动提供一个快门，该运动由电动伺服电机 控制的拉紧/供送卷轴716和718控制，该快门使释放点722暴露很短 的时间间隔，在该间隔中被投掷的棒球经过该释放点。另外，孔720 可以在释放点的上方或下方，在固定到Z轴支架604上的一个不透明 的反射表面上，或者在顶部或底部柔性带之一上，这样，整个垂直投 影屏504呈现均匀的颜色和均匀的反射性。在一最佳实施例中，两个 I轴电动伺服电机按主动/从属关系电耦合。

BPM的目的是为击球手尽可能精确地模拟击球手练习表演的棒球 比赛环境。为此，BPM增加一个音频扬声器，来再现击球手可能遇到 的声音环境，包括嘈杂的噪音和一天中不同时间不同字段所特有的其 他声音。比如，扬声器可以重复喊出击球手的名字，以增加模拟的真 实感和直接性。另外，尽可能精确地将投影到垂直投影屏上的投球手 的图象的颜色调到模拟BPM后面的背景颜色，以便BPM与它所处的背 景混合，或者相反，投球手尽可能像即将来临的比赛地点中投球手的 预期外形那样出现在击球手的面前。

图8表示BPM的其他七个机械轴。在图8中，从垂直投影屏(未 示)后面的观测点看过去，Z轴支架616连同固定到其上的其他投掷 和轨迹确定部件一起被显示出来。Y轴支架804通过两个销806(第二 个销未示出)安装在Z轴支架616上，一个齿轮和电动伺服电机在Y 轴支架下方连接(未示出)。从而Y轴支架804在电动伺服电机控制下 可以绕假想的Y轴转动，Y轴可以在经过两个销806(第二个销未示出) 中心的水平方向上运动，Y轴支架804包括固定在矩形前杆件810上 的矩形基座808。Y轴支架绕假想的Y轴的转动决定了BPM投射的球的 最初轨迹的高度分量。换句话说，Y轴支架转动的位置选定了棒球初 始轨迹相对于水平地面的角度。W轴支架812通过两个与假想垂直W 轴重合的垂直销814(下面的销未示出)安装在Y轴支架804上，并 通过一个固定扇形齿轮816与齿轮818啮合在一起，齿轮818直接固 定在电动伺服电机820的动力轴上。电动伺服电机820在受限制的转 角范围内控制W轴支架绕假想W轴的转动。W轴支架转动的位置确定 棒球的初始轨迹的空气阻力分量。换句话说，W轴支架相对于W轴的 位置确定了空气阻力在一个与投影屏504的垂直平面正交的水平面内 与投射轴的夹角，该投射轴是一个描述来自BPM的球的初始轨迹的假 想直线。因此，当球通过垂直投影屏被投掷时，Y轴支架相对于假想Y 轴的转动位置以及W轴支架相对于假想W轴的转动位置一起确定了球 的初始轨迹，或者换句话说，确定了飞轮外壳组件相对于垂直投影屏 的方向。

棒球824由安装在电动缸(electrical cylinder)830的臂828 上的夹紧部件826夹紧。电动缸的臂828可以沿一个假想H轴直线延 伸和缩回，该假想轴与电动缸臂828的对称纵轴重合。电动缸830安 装在水平齿轮832上，该齿轮与连接在电动伺服电机836轴上的齿轮 834啮合在一起。因此，电动缸可以在水平面内绕假想J轴转动，假 想J轴经过齿轮832的中心。因此，电动缸可以在离开电动缸830的 位置的方向上转动，如图8所示，以便容易将棒球824装进夹紧部件 826内，然后转回到图8所示的电动缸830的位置，准备向目标发球。

通过在两个反转飞轮838和840之间伸缩电动缸830、供给球从而 执行投球。棒球由可压缩的周边带摩擦夹紧并沿投射轴高速飞出，周 边带粘结在飞轮的圆周边上，投射轴也被称做“G轴”。飞轮直接固定 到与两个水平安装的电动伺服电机842和844的动力轴偶合在一起的 轴上。每个轴由两个轴承支撑846和848支持(两个轴承支撑未示出)， 该两个轴承支撑固定在飞轮外壳850的两侧。确定一个假想的E轴， 它与经过上面的电动伺服电机的轴的对称直线重合；确定一个假想的 F轴，它与经过下面的电动伺服电机的轴的对称直线重合。通过电动 伺服电机852，飞轮外壳850可以与飞轮838和840以及夹紧部件826 一起绕G轴转动。

下面的表1总结了图6-8中描述的各个轴。

            表1 轴字母          作用                          运动类型              释放操作            给被投掷

                                                                                   的棒球加力 E 上飞轮 转动 是 是 F 下飞轮 转动 是 是 G 投掷数据的转动 转动 否/是 否/是 H 发射 线性运动 是 是 I 快门驱动 转动 是 否 J 再加载 转动 否 否 W 空气阻力 转动 否 否 X 水平释放点 线性运动 否 否 Y 高度 转动 否 否 Z 垂直释放点 线性运动 否 否

表1的第一栏包括不同BPM轴的名称，第二栏包括对每个轴的简 要说明，第三栏包括对机械构件相对轴的运动属性的说明，第四栏指 出在BPM释放球期间相对于轴的运动是否存在，第五栏指出相对于轴 的运动是否给被投射的球施加能量。X和Z轴确定释放点相对于投影 屏垂直平面的位置。Y和W轴确定被投掷的棒球的初始轨迹。当BPM 释放球时所有四个轴X、Z、Y和W都是静态的，因此不给球加能量。 当球从BPM被投掷时，重新装载轴J也是静态的，因此不给球加能量。 围绕J轴的运动允许将球装进夹紧部件并使电动缸重新定位，该缸将 球送进反转飞轮中。I轴对应于投影屏的一个窄的、垂直部分的运动， 该部分包含一个投掷球的开口。释放球时，该开口迅速移动经过投掷 点，这样在投影屏内产生一个瞬间快门。这样，投影屏部件沿I轴的 运动不会给扔出的球施加能量。H轴与电动缸的纵轴对应，棒球沿该 电动缸被送进反转飞轮中。棒球沿H轴线性运动的一部分能量施加给 被投掷的球。飞轮外壳绕G轴转动，从而使平分两个飞轮中心的平面 旋转。在BPM的一个实施例中，飞轮外壳绕G轴的旋转仅在释放球之 前发生，从而不给投出的球施加能量。在BPM的一个可选择实施例中， 当球供给反转飞轮时，飞轮外壳绕G轴转动，给球施加一个垂直于G 轴的旋转，从而给被投掷的球施加能量。可以利用该转动分量来模拟 投球手在投掷某种类型的球时腕部的弹动。E和F轴分别对应于上、 下飞轮的转动轴。飞轮施加到棒球上的动量是从BPM投掷球的主要原 动力。球离开BPM的速度直接由两个飞轮的转速控制。因此，飞轮绕 E和F轴的运动给扔出的棒球施加能量。另外，通过以不同速度转动 两个飞轮，可以将顺时针和逆时针旋转施加给棒球，该旋转在经过两 个飞轮中心并平分两个飞轮的平面内进行。因此，表1不但总结了各 运动贡献给从BPM投掷的棒球的能量，而且还总结了BPM的主要部件 相对于多个BPM轴的运动。

相对于BPM每个轴的运动由一个电动伺服电机提供，在I轴，由 两个电动伺服电机提供。在BPM的一个实施例中，使用 Parker-Hannifin Corp.的电动伺服电机。对于E和F轴，使用 SM-233BR-N电机。对于W轴，使用SM-231BBE-NTQN电机。对于Y、 J、I和G轴，使用SM-NO923KR-NMSB电机。电动伺服电机的交流电源 是：纽约Rochester的Ormec Systems Corp.；纽约Tarrytown的 Hitachi America，Ltd.；阿根廷Smith的Baldor Electric Corp.

图9和10图示说明了BPM的主框架、X轴框架、和Z轴支架。在 图9中，X轴框架602在投影屏平面的左侧布置(左右是相对图5和7 中的BPM前面的观测点而言)，图10中，X轴框架602在投影屏平面 的右侧布置。同样，在图9中，Z轴支架616在X轴框架602的中部 布置，而在图10中，Z轴支架616在X轴框架602的顶部布置。因此， 图9和10示出X轴框架经过投影屏的平面水平移动。而且还示出Z轴 支架沿X轴框架的垂直移动。主框架包括四个垂直杆件906-909，四 个长水平杆件910、612、912和610，两个短的上水平杆件914-915， 和两个短的下水平杆件916和917。垂直长水平和短的上水平杆件 906-910、612、912、610和914-915是由4英寸的方形空心钢加工出 的钢段，并像图9和10那样焊接起来。在一个最佳实施例中，X轴和 Z轴的运动分别由带驱动和丝杠驱动的线性运动系统来控制，该系统 安装在主框架和X轴框架的水平杆件612和垂直杆件620的内侧。在 两种情况下都采用加拿大Pittsburg的Bishop-Wisecarver Corp.的 Dual Vee Lo Pro Linear Motion Systems。Lo Pro零件编号为 3SCSBG3DH100S的X轴带驱动线性运动系统由一个垂直安装的电动伺 服电机1006带动，Lo Pro零件编号为#SCSLSD的Z轴丝杠驱动线性 运动系统也由一个垂直安装的电动伺服电机1008带动。也可以用纽约 Port Washington的Thomson Saginaw Corp.的线性运动系统驱动X 轴和Z轴。X轴框架602包括两个垂直杆件620和618以及两个水平 杆件608和606，它们如图9那样焊接在一起构成一个矩形框架。垂 直和水平杆件620、618、608、921和606是由4英寸方形空心钢加工 出的钢段。X轴框架还包括一个半矩形的上支撑924和一个半矩形的 下支撑926。两个半矩形的支撑包括三个由两英寸方形钢管加工出来 的部件，它们如图9所示那样焊接在一起。半矩形上支撑924焊接到 X轴水平杆件606的上表面，半矩形下支撑926焊接到X轴水平下杆 件608的底面。面板928固定到Z轴支架616的投影屏侧。面板包含 一个可从中发球的开口720。X轴框架通过两个辊子(未示)安装到主 框架水平杆件612和610上，该辊子固定到X轴框架608和606的水 平杆件的投影屏侧，夹紧并沿线性的辊子轨道932和934滚动，该轨 道固定在主框架水平杆件612和610的内表面上。同样，Z轴支架616 通过两个辊子固定在X轴框架上，辊子固定在两个角托件1010和1012 的投影屏侧，角托件固定在Z轴支架616两侧的垂直杆件上，辊子夹 紧垂直安装的辊子轨道1014和1016并沿其滚动，后者分别固定到X 轴框架垂直杆件620和618的内表面上。关于辊子和辊子轨道更详细 的描述如下。

为了防止Z轴丝杠驱动的线性运动系统过载，可以给X轴框架增 加一个反平衡机构，以补偿Z轴支架伸出的物块。反平衡机构可以包 括一个被动的线性辊子轨道，该轨道位于主框架的后部、上部、水平 杆件的内侧，X轴框架的一个延伸部沿该主框架运行。X轴框架的延伸 部安装成与X轴框架的上水平杆件的内侧垂直。从X轴框架延伸部上 靠近主框架的后部、顶部、水平杆件的位置垂下的配重通过一个金属 丝和滑轮连接到Z轴支架上，所述滑轮安装到X轴框架延伸部。

图11A-C图示说明了Z轴支架的辊子和辊子轨道机构。图11A示 出从BPM的上方垂直向下看到的主框架602和Z轴支架616的截面图。 图11B是图11A圆圈部分的细节图，图11C是图11B圆圈内更详细的 图。在图11C中，两个Z轴辊子1106和1108分别安装在轴1110和 1112上，轴1110和1112固定在Z轴支架的角托件1012上。角托件 1012固定在Z轴支架的垂直杆件1116和水平杆件1118上。辊子沿着 线性轨道1014安放，线性轨道1014固定在X轴框架的垂直杆件618 上。X轴框架的辊子1124通过轴1126固定到X轴框架604上并沿辊 子轨道934的上边缘运动，轨道934固定在主框架的上水平杆件610 的内侧边缘上。

图12是BPM的垂直投影屏的分解图。垂直投影屏包括Z轴支架面 板928、右侧柔性反射屏706、左侧柔性反射屏704、I轴垂直柔性屏 708、顶部柔性反射带1207和底部柔性反射带1208。面板928直接安 装在Z轴支架的前面。右侧柔性反射屏706从垂直的拉紧/供送卷轴 712伸出和缩回，并固定到实心的钢杆1212上。同样，左侧柔性反射 屏704从垂直的拉紧/供送卷轴710伸出，并固定到垂直钢杆1216上。 右侧垂直钢杆1212的上端焊接在X轴框架的半矩形上支撑924的投影 屏侧，垂直钢杆1212的下端焊接在X轴框架的半矩形下支撑926的投 影屏侧。同样，左侧垂直钢杆1216的上端和下端分别焊接在X轴框架 的半矩形上支撑924的投影屏侧和半矩形下支撑926的投影屏侧。上 柔性反射屏1207从水平拉紧/供送卷轴1221伸出和缩回，并固定到实 心钢杆1222上。同样，底部柔性反射屏1208从水平拉紧/供送卷轴 1223伸出，并固定到垂直钢杆1224上。垂直钢杆1222焊接在X轴框 架的半矩形上支撑1218的投影屏侧，垂直钢杆1224焊接在X轴框架 的半矩形下支撑926的投影屏侧。水平拉紧/供送卷轴1221和1223 分别安装到Z轴支架的顶部和底部。I轴柔性屏在两个电动伺服电机 驱动的拉紧/供送卷轴716和718之间延伸。电动伺服电机驱动的上拉 紧/供送卷轴716安装在X轴框架半矩形上支撑924上，电动伺服电机 驱动的下拉紧/供送卷轴718安装在X轴框架的半矩形下支撑926上。

图13是固定到X轴框架上的I轴投影屏的前视图。为了在投影屏 上提供一个瞬时快门或开口，I轴投影屏708的圆形槽口720迅速闪 过Z轴支架面板928上的开口/孔722。在BPM的一个实施例中，红、 黄和绿灯1310、1312和1314分别位于开口722的上方或下方，以便 提醒击球手BPM将要释放球。通过八个辊子1315-1319、1124和1321 中的七个，X轴框架被安装到主框架的水平辊子轨道上，如图13所示。

图14A-B示出在BPM中用来给棒球传递能量的飞轮的截面图和边 缘截面图。飞轮由356-T6铝合金铸成，可以在达到6000rpm转速下可 靠安全地运行。飞轮由加拿大San Leandro的Industrial Caster &Wheel Company制造，而且可以方便地从Industrial Caster买到， 零件编号为12X3。另一个来源是华盛顿Kent的Caster Technology Corp.，零件编号为022-743。飞轮尺寸示于图14B中。飞轮铝铸件1402 和1404半径为5英寸。铝铸件1406和1408的外圆周表面与连续的聚 氨酯圆周带1410和1412粘接，所述带具有40A到50A的硬度计测量 值的压缩性。连续的聚胺酯圆周带的外表面1414和1418从两侧向中 央向上倾斜，带有一个连续的半圆形凹槽形成连续聚胺酯圆周带的外 圆周表面的中部。飞轮的铝铸件包括凸起的中央轮毂1420和1422(在 图14A的平面图中是1424)，该轮毂围绕中心孔1426(图14A的平面 中为1428)，飞轮通过该中心孔固定到一个驱动轴上。一个薄的内圆 盘1430和1432(图14A的平面图中为1434)从中央轮毂1420和1422 向飞轮铝铸件的外圆轮缘1436和1438(图14A的平面图中为1440) 延伸。连续聚胺酯圆周带1410和1412(图14A的平面图中为1442) 被粘接到飞轮的铝铸件的外圆周表面上。

图15是飞轮驱动装置的分解图。飞轮固定在轴1502上。飞轮的 转动由电动伺服电机1504驱动。在飞轮的电动伺服电机侧，轴1502 穿过无键的锥形夹筒联接器1503、法兰轴承1506、安装板1508和电 机支架1510到达柔性波纹联结器1512，该联接件将轴联接到电动伺 服电机的动力轴上。在飞轮的与电动伺服电机相对的一侧，轴穿过无 键的锥形夹筒联接器1514和法兰轴承1516，它们顺序地固定到安装 板1518上。注意到在飞轮外壳组件中，飞轮外壳(图8中的850)的 壁经过法兰轴承1506和1516与安装板1508和1518之间。两个无键 锥形夹筒联接器1503和1514由宾夕法尼亚Manheim的Manheim Division of Fenner Drives Corp.提供，Trantorque零件编号 6202115。柔性波纹联接器1512可以从意大利Westmont的Rimtec Corp.，作为Gerwah Zero Backlash Coupling零件号DKN45/41方便 得到。

图16示出飞轮外壳组件的分解图。飞轮外壳组件包括一个E轴飞 轮组件1602，一个F轴飞轮组件1604，两个线性导向件1606和1608， 一个飞轮外壳850，一个G轴电动伺服电机852，一个电缆盘(cable tray)1614和一个双环形齿轮转动轴承1616。E轴组件1602和F轴 组件1604通过安装板1618、1620、1622和1624安装在飞轮外壳850 内。飞轮840和838位于飞轮外壳850内，安装板1618、1620、1622 和1624用螺栓固定在飞轮外壳的外表面上，并且可在垂直方向调节以 补偿磨损。该调节可以由安装板1618、1620、1622和1624上的长圆 孔完成，该长圆孔与飞轮外壳850上钻出并攻丝的孔配合，长圆孔的 长度确定了运动调节范围。飞轮轴1630和1632穿过电动伺服电机侧 的安装板1618和1622并穿过飞轮外壳中的方孔1634和1636。侧导 向件1606和1608水平地固定在两个飞轮之间的飞轮外壳的内表面上， 用作棒球夹紧部件的引导件(图8中的826)。电缆盘1614通过螺纹 连接到两个垂直安装支架1638和1640上，该支架焊接在飞轮外壳850 上。动力和通讯电缆缠绕在电缆盘1614的槽1642内，以便在飞轮外 壳绕G轴转动期间，可以方便地拉伸和收回动力和通讯电缆。双环形 齿轮转动轴承1616的内环用螺纹固定在电缆盘1614的外表面上，双 环齿轮转动轴承1616的外齿轮环啮合在齿轮1644上，齿轮1644直接 固定到电动伺服电机852的动力轴上。因此固定齿轮1616将电动伺服 电机动力轴的转动转换为飞轮外壳组件绕G轴的转动。双环形齿轮转 动轴承1616的外齿轮环也用螺纹固定到W轴支架上(图8中是812)。 电动伺服电机852通过安装支架1644螺纹连接到电缆盘1614的内表 面上，电动伺服电机852的动力轴经过电缆盘1614内的孔1646延伸。

图17示出了完全组装好的飞轮外壳组件。固定到电动伺服电机的 动力轴上的小齿轮1645与双环形齿轮转动轴承1616的外齿轮环啮合， 该动力轴带动绕G轴的转动(未示)，轴承1616螺纹连接到电缆盘1614 上。电缆盘1614用螺纹固定飞轮外壳850上，外壳850内安装有飞轮 组件1602和1604。转动轴承由MI Muskegon的Kaydon Bearing Corp. 作为零件号MTE-145提供。

图18、19和20图示说明了H和J轴组件。H和J轴组件包括一个 垂直支撑1802，一个角状支撑1804，一个J轴底板1806，一个J轴 电动伺服电机836和J轴转动传动齿轮832，一个H轴电动缸830，静 止导向件1814和棒球夹紧部件826。垂直支撑1802用一英寸方形钢 管加工成段，并焊接在水平支架1818和角状支撑1804上。角状支撑 1804包括三段由两英寸方形钢管加工出来并焊在一起的管子，如图18 所示，并焊接到支架板1820和J轴底板1806上。J轴电动伺服电机 836用螺纹连接到J轴底板1806的底面，使电动伺服电机836的动力 轴延伸通过J轴底板1806上的孔(未示)，从而连接到动力轴齿轮834 上。动力轴齿轮834与J轴转动传动齿轮832啮合，该传动齿轮832 安装在从J轴底板1806向上延伸并与H轴电动缸830螺纹连接的轴上。 夹紧部件1816通过快速断开连接器1824与电动缸830的可延长的臂 连接。当棒球夹紧组件826由可伸长的电动缸臂水平移动时，棒球夹 紧组件826沿静止导向件1814运动。静止导向件1814插进棒球夹紧 组件826的右侧。

图19示出缩回位置的完全装配好的H和J轴组件。图20示出在 可伸长电动缸臂完全伸长情况下的完全组装好的H和J轴组件。正如 上面讨论的，当可伸长的电动缸臂缩回时，棒球夹紧组件826沿静止 导向件1814运动。图20中，当可伸长电动缸臂828伸长时，棒球夹 紧组件826可以绕H轴自由转动，以便跟随飞轮外壳组件(图8中为 850)绕G轴的转动。当伸进飞轮外壳(图16中为1610)内时，棒球 夹紧组件826沿两个固定导向件移动(图16中的1606和1608)。

图21示出棒球夹紧组件的分解图。棒球夹紧组件包括顶板2102、 底板2104、快速断开连接器的阳部件2106、分开的右侧和左侧夹紧爪 2108和2110、夹紧弹簧2112、矩形间隔调节件2114和分开的两个三 角形间隔调节件2116和2118。棒球824被推进夹紧爪2108和2110 之间，通过一个杠杆的作用，在平行于顶板和底板2102和2104的一 个平面内向外转动，然后当球824与夹紧爪2108和2110的接触点移 过夹紧爪顶点2122(第二个爪的夹紧顶点被顶板2102挡住)时，通 过张紧弹簧2112的拉紧而接近棒球的后部。为了便于棒球824切痕的 定位，定时标记2124和2126蚀刻在顶板2102内。

图22-24图示说明了W轴支架。图22示出从垂直投影屏附近点向 下看H和J轴组件所看到的W轴支架的分解图。W轴支架包括W轴底 板2202，W轴垂直耳轴板(trunnion plate)2204，两个W轴转动销 814和2208，H和J轴组件2210和飞轮外壳组件2212。W轴底板2202 包括一个带有垂直面2214的平底板，该垂直面通过将该平底板的一小 部分从W轴底板2202向上弯曲90度而形成。W轴的固定扇形齿轮816 用螺纹连接在W轴底板2202的底面上。垂直耳轴板2204用螺纹连接 在W轴底板2202的垂直面2214上。飞轮外壳850用螺纹固定到W轴 垂直耳轴板2204和双环形齿轮转动轴承1616的外齿轮环上。从飞轮 外壳850射出的球穿过垂直耳轴板2204中的孔2218。W轴支架通过将 转动销1814和2208穿过在耳轴2226和2228顶点附近的孔2222和 2224而固定到Y轴支架上，耳轴2226和2228垂直于耳轴板2204水 平伸出。图23示出从H和J轴组件后面的观测点向前朝向垂直投影屏 所看到的W轴支架的局部分解图。图24是W轴的俯视平面图。图25 也是W轴的俯视平面图。在图25中，W轴支架812已向右转动。因此， 图24和25中图示说明了W轴支架绕W轴转动销814的转动(下面的 转动销未示)。

图26图示说明了Y轴支架。Y轴支架包括垂直框架810，水平框 架804，底板2606，Y轴支架固定齿轮延长部2608，W轴支架812，W 轴电动伺服电机820和W轴转动销814和2208。Y轴垂直框架810由 一个矩形框架构成，该框架由四根钢管段焊接在一起，钢管段由两英 寸方形钢管加工得到，如图26所示，矩形框架有水平横杆2616。Y轴 支架的水平框架804与水平横杆2616焊接在一起。W轴耳轴法兰2618 (下面的耳轴法兰未示出)穿过Y轴垂直框架810中的孔2620和2622。 W轴支架通过W轴转动销814和2208可转动地安装在Y轴支架上。通 过W轴固定扇形齿轮816，将W轴动力轴齿轮818的转动转化为W轴 支架的转动。在一个改进的实施例中，可以从W轴支架底板(图22中 为2202)的任何一侧约束两个棒球转移器，以防止W轴支架底板与Y 轴支架底板2606垂直分开。下棒球转移器固定在Y轴底板2606上， 上棒球转移器安装在固定于Y轴支架的棒球转移支撑件上(未示)。 两个棒球转移器确保W轴固定扇形齿轮816与W轴的动力轴齿轮818 保持啮合。Y轴支架通过右耳轴2628和左耳轴(图26中被遮挡)可 转动地与Z轴支架连接。通过将Y轴电动伺服电机(图26中未示)的 转动传递到Y轴固定扇形齿轮(图26中未示)上，使Y轴支架绕Y轴 转动，该扇形齿轮螺纹连接到Y轴固定齿轮延长部2608上。Y轴水平 框架由四个由两英寸的方形管加工而成的管段焊接构成，如图26所 示，Y轴支架底板2606焊接在其上。W轴电动伺服电机820螺纹连接 到Y轴底板2606上，底板2606上带有通过Y轴底板2606上的孔2630 伸出的W轴电动伺服电机动力轴。两个角托架2632和2634用螺纹连 接到Y轴支架底板2606上，来承载电子限定开关以防止过度角偏移和 W轴组件的动作超过限定的范围。如图27中所示，一组相同的两个开 关可以放在Y轴固定扇形齿轮的周围，来限制Y轴支架绕Y轴的运动。 这些开关可以方便地从Omron Corp。得到，其零件号Z15GQ22-B7-K。 固定扇形齿轮的左右端各用一个开关，使用时，这些开关分别使W或 Y轴的驱动轴电机停止。如果因为任何原因使机器超过为运行参数设 定的软件的限定值，则有独立电源的Y轴支架上的两个限定开关和W 轴支架上的两个限定开关将提供重复的安全制动。描述的限定开关可 以在几百分之一秒内使任何支架组件完全停止。这大大减少了意外的 暴投或打到击球手的概率。作为机械限制开关的一个选择，可以使用 一个电子近程开关式传感器，比如从New Line Corp得到的零件号 5B275。

图27和28图示说明了Y轴支架绕Y轴的转动。图27示出在水平 位置的Y轴支架，图28图示说明了Y轴支架绕Y轴向下的转动。Y轴 固定扇形齿轮2702与直接固定到Y轴电动伺服电机动力轴上(未示) 的齿轮2704啮合。通过Y轴固定扇形齿轮2702传递Y轴电动伺服电 机的转动，以控制Y轴支架绕Y轴的转动。

图29图示说明了Z轴支架。Z轴支架包括Y轴支架804，Z轴框架 616，Z轴面板928，Y轴电动伺服电机2908和Y轴电动伺服电机支架 2910。Z轴框架616包括十二根管段，管段由两英寸的方形钢管加工 而成，它们被焊接起来形成图29所示的笼状结构。如图29所示，Z 轴面板928被粘接到Z轴框架上。Z轴面板928有一个反射前表面， 该表面的颜色和反射率与垂直投影屏的柔性屏一样。面板928包括投 球经过的孔722，而且在一个实施例中，有三个灯2914-2916用作报 警灯提醒击球手将要发球了。Y轴电动伺服电机2910包括带有一个孔 2918的角托架，Y轴电动伺服电机2908的动力轴经过该孔伸出。Y轴 电动伺服电机2908与Y轴电动伺服电机支架2910螺纹联接，支架2910 然后与Z轴框架616螺纹连结，如图29所示。Y轴支架通过Y轴转动 销2920和806以及Y轴支架耳轴2628(图29中右耳轴被挡住)可转 动地安装到Z轴框架上，转动销2920和806分别通过Z轴框架2924 和2926中的孔伸出。

图30和31图示说明了棒球伸进反转飞轮由BPM发射的情况。图 30示出了Y轴支架的截面图。被棒球夹紧部件826夹住的球824部分 地被H轴电动缸830伸向反转飞轮838和840。图31是从BPM上方向 下看W轴的W轴支架的横截面图。棒球824被H轴电动缸3104完全伸 进反转飞轮中(下飞轮未示)。

图32和33图示说明了飞轮外壳绕G轴的转动。在图32中，飞轮 外壳850相对于G轴垂直布置。在图33中，飞轮外壳850通过由G 轴电动伺服电机852产生的转动相对于G轴逆时针转动。

图34图示说明了BPM的电子和计算机控制。BPM由个人计算机 (“PC”)3402上的软件程序控制。PC3402包括运动控制卡3404和 3406，后者包括将软件确定的参数转化为电动伺服电机转动的逻辑线 路。运动控制卡产生的控制信号被伺服放大器3408-3417放大，伺服 放大器将来自运动控制卡3404和3406的信号放大、以便控制各个电 动伺服电机842、844、820、2908、830、852、716和836。伺服放大 器3408-3417送出的电压信号控制电动伺服电机842、844、820、2908、 830，852、716和836，使其加速和以特定转速转动一段特定时间。 PC3402上运行的软件程序将高级程序语言的技术条件、比如从BPM发 射棒球的初速度转换为各个电动伺服电机的转动。PC3402上运行的软 件程序将图形用户界面(“GUI”)显示在显示装置3426上。PC机、显 示装置和伺服放大器接收电源3427送来的电能。

下面的表2示出用于将棒球的投射速度转换为E和F飞轮转速的中 间值。

               表2 速度              旋转          E rad/s      E rpm        E cnt/S         F rad/s      F rpm      F cnt/S (mph)             (rpm)   100   1800   264.0   2523   172253   312   2979   203386   95   1800   248.5   2374   162084   296   2830   193217   90   1800   232.9   2225   151915   281   2681   183047   85   1800   217.3   2076   141745   265   2532   172878   80   1800   201.7   1927   131576   249   2383   162709   75   1800   186.1   1778   121407   234   2234   152539   70   1800   170.5   1629   111237   218   2085   142370   100   1200   280.0   2675   182631   312   2979   203386   95   1200   264.4   2526   172461   296   2830   193217   90   1200   248.8   2377   162292   281   2681   183047   85   1200   233.2   2228   152123   265   2532   172878   80   1200   217.6   2079   141954   239   2383   162709   75   1200   202.0   1930   131784   234   2234   152539   70   1200   186.4   1781   121615   218   2085   142370

所需要的棒球的速度被示于第一栏内，单位是英里/小时，需要的 棒球的旋转速度被示于第二栏内，单位为rpm，栏3-8分别示出E和F 飞轮的转速，单位是弧度/秒、转/分、转数(counts)/秒。

下面的表3列出描述一个具体投掷所需要的接球数据记录：

                   表3   字段(field)名称                 字段类型                         字段说明 投掷 Vachar(128) 路径名称 速度 浮动 棒球速度(平移) 主旋转 浮动 转动中的上旋或下旋 次旋转 浮动 转动中的侧旋 目标-x 浮动 目标的水平坐标 目标-y 浮动 目标的垂直坐标 图象 Varchar(255) 投球的图象文件的路 径名称 投手 浮动 图象中投球手的名字 释放时间 浮动 从图象开始到释放球 的时间 释放-x 浮动 X轴释放点 释放-z 浮动 Z轴释放点 e-旋转 浮动 上飞轮转数/秒 f-旋转 整数 下飞轮转数/秒 w--角度 整数 0°+或0°-某角度 y-角度 浮动 0°+或0°-某角度 g-角度 浮动 0°+或0°-某角度 h-速度 浮动 电动缸的可延伸臂的 速度

对于每个数据记录中的字段，表3的第一栏列出了字段的名称，第 二栏列出字段中储存的数据类型，第三栏列出字段内容的准确说明。 有各种不同方式存储与投掷有关的信息。表3列出的数据字段表示任 何一种可能的数据模式，该数据模式表示一种具体的存储投掷数据的 方法。在由表3表示的数据模式中，描述了与具体投掷有关的各种高 级语言参数，包括球从BPM投射的初速度，还包括球在飞轮平面内的 转速，或者称为主旋转，以及G轴的运动带给球的转动速率，或者称 为次旋转。其他的高级语言参数包括本垒上方目标区域内的目标点的 坐标，棒球相对于BPM的X轴和Z轴的释放点的坐标。还有，投球名 称和投球手名字连同可视文件的路径名称一起被存进特征字符串数据 组中，该投球手的图象是要被投影到垂直投影屏上的，该可视文件是 要被投射到垂直投影屏上的。最后，表3描述的数据记录包括W轴和 Y轴的角度设定值，它们与G轴的初始角度设置值和上、下飞轮转速 一起被储存。为了便于计算电机控制的速率和启动次数，可以用另一 组附加数据表来将W和Y轴转角转换为电动伺服电机控制参数，根据 需要是上旋球还是下旋球，将主旋转速率转换为不同的加到上下飞轮 中的任一个上的转动速率，以及在表明是次旋转的情况下将主旋转速 率转换为G轴的转动速率。还可以用辅助数据表存储任何其他数据或 需要的参数，以便在释放球之前或期间控制BPM内的电动伺服电机。 在一个实施例中，对每个不同的投球都存有详细的电动伺服电机控制 参数，从而控制电动伺服电机来完成投掷，而很少或不需要计算。在 一个可选择的实施例中，从存储在数据记录中的数据分析计算出电动 伺服电机控制参数，比如表3描述的数据记录。各种混合方法也是可 能的。

图35-39描述了控制BPM的程序。这些程序由PC(图34中3402) 执行，为教练或培训者操作BPM提供一个图形用户界面(“GUI”)，同 时按照同样方式控制BPM内的各种电动伺服电机的操作来执行由教练 或培训者选择的具体投掷。

图35是说明高级BPM控制程序的控制流程图。在步骤3502中， BPM被初始化为系统开始状态。对BPM的初始化包括通过I轴将快门 推到一个位置，当释放棒球时，可以从该位置预先驱动快门经过Z轴 支架面板。另外，使控制其他轴的电动伺服电机位于初始位置，使飞 轮旋转到初始速度。在步骤3504中，在显示器上为教练或培训者显示 出可以操作BPM的用户界面。该显示允许教练或培训者选择任何一组 操作BPM的命令。在步骤3506中，BPM控制程序等待教练或培训者与 步骤3504中显示的GUI配合以便选择下一个要执行的命令。如果根据 步骤3508中的BPM控制程序的检测，教练或培训者指示要关闭BPM， 那么在步骤3510中程序将关掉所有电动伺服电机并返回步骤3512。 另一方面，如果根据步骤3514中的BPM控制程序的检测，教练或培训 者选择投掷命令，那么在步骤3516中BPM控制程序命令程序“投球” 来投掷棒球。下面将详细描述“投球”程序。根据步骤3518中的BPM 控制程序的检测，教练或培训者可以选择任何一组不同信息或运转指 令，然后在步骤3520中，通过命令一个信息或运转指令程序由BPM 控制程序执行该指令。这些信息和运行指令超出了当前应用的范围。 它们包括对静态分析、测试和校正程序的数据收集，以及多种提高BPM 性能的其他功能。这些信息和运行程序将是随后专利申请的主题。最 后，如果根据步骤3522中的BPM控制程序的检测，教练或培训者要求 以手动模式操作BPM，那么在步骤3524中，BPM控制程序命令“手动 模式”程序，以便教练或培训者手选各个电动伺服电机的设置和初始 投球。另外，手动模式选择的设置可以存储在数据记录中以便以后可 以再现。对于手动模式程序这里不进行详细说明。

图36是“投球”程序的控制流程图。在步骤3602中，“投球”程 序提示教练或培训者选择一个具体的投球。任何数量的不同GUI’s可 用于该提示中。例如，可以给教练或培训者提供已知投球的列表，比 如快球、滑行球、曲线球或其他投球，然后提供一个辅助菜单来选择 要发射的球的初速度和发射点。在步骤3604中，为了准备驱动电动伺 服电机和在垂直投影屏上显示投球手的图象，“投球”程序从投球数据 库中检索出一个合适的条目，比如上面表3中示例的数据记录。在步 骤3606中，“投球”程序提取在步骤3604中检索出的显示于数据记录 中的视频图象文件并排队等待投射该视频图象文件。在步骤3608中， “投球”程序命令计算程序计算电动伺服电机的时序。在步骤3610中， “投球”程序命令发球程序执行步骤3608中产生的时序。在步骤3612 中，“投球”程序命令清除程序为随后的投球对BPM进行部分再初始化。 再初始化包括通过控制I轴使快门返回到可以准备随后动作的一个位 置，还包括沿H轴收回夹紧组件以便随后装载棒球。在步骤3614中， “投球”程序提示教练或培训者下一个投球指令。如果根据步骤3616 中“投球”程序的检测，教练或培训者要求BPM发射另一个球，那么 就控制返回到步骤3602。否则，返回投球”程序。

在图37中，通过一个控制流程图说明了步骤3608中的“投球”程 序命令的计算程序。步骤3702、3704和3706包括一个环路，其中， 计算程序计算按时为运动控制卡(图34中的3406和3408)计算输出， 以便根据步骤3604中的“投球”程序检索的数据记录中的各个字段的 指示来驱动每个电动伺服电机。比如，如果检索到的数据记录指示释 放点的X轴的位置应当是距垂直投影屏的左侧90cm，那么计算程序将 计算释放点当前位置与释放点的要求位置之间沿X轴的距离，并且计 算电机速度和电机运行的整个时间、以便驱动X轴框架沿X轴到达要 求的释放点位置。步骤3708、3710和3712包括一个环路，其中，上、 下飞轮的转速可以由步骤3604中的“投球”程序检索到的数据记录 确定，或者在一个可选择的实施例中、由解析或半经验计算确定，该 计算根据被指示的发球初速度和主旋转进行。在步骤3714中，计算程 序将被限定的用于操作电动伺服电机的时间段集合到时间线 (timeline)上。图38说明了这样一个下面将描述的时间线。最后， 在步骤3716中，返回计算程序。    

图38说明了一个电动伺服电机运行的时间线。这是为说明目的的 时间线的示意说明。在BPM的一个优选实施例中，时间线存储在PC机 (图34中为3402)的存储器中，作为存储在一个递增时序中的电动 伺服电机控制操作的列表。在图38中，在时间零点3802由BPM发球。 图38示出，在释放棒球之前电机控制操作在负时间段运行，在释放棒 球的时间3802之前执行的电机控制操作直到0时间的左侧，在释放棒 球之后进行的电机操作开始于0时间3802的右侧。在本示例中，投球 手图象的投影在棒球3804被投射之前的15秒钟开始，并持续直到棒 球3806被释放后2秒钟为止。在释放棒球3608和3610之前的4秒钟 将上、下飞轮被以一定增量增加旋速度或减小旋转速度到需要的速度。 仅在释放棒球之后，才在点3612和3614结束以一定增量对上、下飞 轮转速的增加或减小，使上、下飞轮返回到空转转速或维持转速不变， 以准备下一个投球。同样，另外一个水平线段表示了其他BPM电动伺 服电机的运行时段，比如线段3616说明了控制X轴电动伺服电机沿X 轴定位X轴框架。应注意到，当指示给一个侧旋球时，首先将G轴电 动伺服电机控制到一个具体的初始位置3618，然后在释放球之前在要 求的侧旋3620方向上绕G轴转动。

图39是由步骤3610中的“投球”程序命令的投射程序的控制流程 图。在步骤3902中，投射程序将输入传递给运动控制卡(图34中的 3406和3408)以便驱动J轴电动伺服电机绕H轴组件转动到一个位置， 在该位置可以将球加载到夹紧部件中。在步骤3904中，投射程序等待 球被装好的指示。该指示可以由教练或培训者输入给GUI，或者在一 个可选择实施例中，夹紧机构可以用一个电子/机械式传感器检测夹紧 组件中是否有球。在步骤3906中，投射程序控制J轴电动伺服电机， 重新定位H轴组件使其与G轴一致以准备投球。应当注意到，在BPM 的某些实施例中，可以从机械料仓自动装载棒球。在这种情况下，可 以采用另外的控制步骤，以通过H轴控制料仓的定位和夹紧组件的伸 出、以从料仓机械地取球。步骤3908-3912包括一个环路，其中投射 程序顺序地从图37的步骤3714中的计算程序计算出的时间线中选择 每个事件，并执行选出的每个事件。对于每个选出的事件，在步骤3909 中，投射程序确定该事件是启动电机还是递增地控制电机的指令。如 果是启动电机，那么在步骤3910中投射程序给运动控制卡(图34中 的3406或3408)发送合适的控制输入，如时间线事件中指示的来控 制电动伺服电机。否则，在步骤3911，投射程序给运动控制卡(图34 中的3406或3408)发送合适的控制输入，来控制事件中指示的电动 伺服电机停止工作，保持转速不变或返回上、下飞轮的空转速度。在 步骤3912中，投射程序确定在时间线中是否还列有任何其他事件。如 果是，则根据步骤3912中的检测，控制返回到步骤3908。否则，结 束投射程序。

在现在流行的棒球投射机中，投射机发球期间和发球之前不能控制 棒球切痕的取向。相反，在本发明的BPM中，可以通过夹紧部件和夹 紧部件(图21中的2124和2126)上的方向标记控制切痕取向，从而 可以重复发射同样切痕取向的棒球。切痕取向的控制显示并放大了各 棒球之间的差别，该差别是由制造过程中使用的材料不同以及由于制 造过程引起的，结果，当按照相同的切痕取向和BPM控制参数发射球 时，会导致轨迹不同。这些不同包括重量、圆周、层厚(seam height)、 缝合和棒球的表面纹理的区别。利用BPM，可以通过重复发射来测试 每个球，在数据库中为每一个球储存各种修正因子，对于一个要发射 的球，根据从数据库中检索到的修正因子，对BPM的部件进行微调。 然而，尽管可能，对棒球的这种个别处理也不会消耗时间。

如果不单独对棒球进行校正，则可以使用一种分捡球的方法，利用 一个分球屏将相同特征的棒球集合成球组，该球组中的球在相同切痕 取向和BPM控制参数设定值下被发射到分球屏上的相同位置。图40说 明了一种分球屏。该分球屏包括垂直安装到两个水平底座4004和4006 上的矩形框架4002。金属线、尼龙绳或其他耐拉伸线性材料通过矩形 框架4002编结形成网格4008，网格单元是矩形，比如单元4010，其 面积比棒球的横截面积略大。每个单元上固定有短袜形状的网织品， 比如分别固定到单元4016和4018上的短袜形状的网织品4012和 4014。为了看上去清楚起见，固定在图40中的分球屏上的其他单元上 的短袜形状的网织品被省略掉。

在相同切痕取向和BPM控制参数设定值下，一次一个地向分球屏的 中央单元4020发射一大组球。棒球经过网格4008，收集在短袜形状 的网织品内，该网织品固定到棒球经过的单元上。在此，棒球被自然 地分为小组，每个小组留在一个特定的短袜形状的网中。一组修正因 子指定给每一小组棒球并储存在一个数据库中。之后，检索出这些修 正因子并提供给用于特定发射的BPM控制参数，以便为每个不同小组 的球微调该BPM控制参数。例如，修正因子指定给收集在短袜状网4014 的小组球，该修正因子导致由收集在袜状网4014中的棒球通过中央单 元4020，该修正因子被提供给测试期间用来发射球的BPM控制参数设 定值。之后，在击球练习期间，可以利用修正因子调整BPM控制参数， 以保证测试期间收集在袜状网4014中的小组球被精确地发射到好球 部位的要求位置。

虽然根据具体实施例已经描述了本发明，但是本发明并不限于该实 施例。对本领域的技术人员显然可以在发明的范围内进行修改。例如， 可以采用所有与附图所示和上文描述的各个部件不同的部件形状以及 固定和安装部件的方法，比如可以用螺纹连接代替焊接。可以使用许 多不同GUIs在BPM和用户之间提供界面。可以提前选择投掷顺序， 以便BPM可以自动投掷完整的投掷顺序而不要更多的用户干涉。为了 投球，可以采用几乎无限多的不同软件来控制BPM的电动伺服电机。 BPM修改后很容易用于网球服务机，武术投掷模拟器，足球筛滤机， 以及其他类型的模拟器，它们利用视频图象模拟投掷者和修改物体投 掷部件以便用可再现和有意义的方式发射目标。为了按照标准形式评 估有潜力的候选棒球手，可以编写BPM以便按标准顺序投球。BPM的 PC机可以收集详细信息，由教练或培训者操作BPM输入关于击球手对 打BPM的能力。该详细信息可以得出选手的特点，培训状态，和上述 其他评估和培训方法。可以改进BPM，使其包括激光靶子和可以快速 自动校正BPM的校正系统。可以用不同类型材料制造BPM部件，包括 连接在飞轮上的、有不同压缩性和不同表面特征的不同类型的环形带。 为了说明的目的，上述说明利用具体术语以便完全理解发明。但是， 显然对于本领域的普通技术人员，为了实施发明并不要求具体细节。 对于本发明的具体实施例的描述只是为了图示和说明目的。它们没有 穷举或限制发明的实际形式。显然可以在上述教导下进行许多修改和 变化。图示和说明的实施例是为了最好的解释发明原理和实际应用， 因此本领域的其他技术人员可以最好地利用本发明和各种有修改的适 于完整具体使用的实施例。本发明的范围由下面的权利要求及其等同 物来限定。