2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统(四)机械设计相关

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  转眼2019了诶,可能有些同学又该问了,哇向阳哥,你这个鸽子放的好,转眼大半年了一年都没更新,我也知道啊,说好的源码呢,挖的机械的坑呢?咕咕咕咕我也不想啊,我这不是懒吗!过年有空了,又到了收红包泡妹子玩游戏…….呸,学习准备比赛码代码的时候了,终于有点空闲,于是乎今晚先把机械的大坑填了。

  咱话先说在最前面。机械这玩意,靠经验,也考想象力,更要命的还是出了问题立刻检查补救排除的能力。首先我在这里定义几个板球系统非常关键的机械专属名词,大家最好在这里记住,省的等会在下面文章里面提到,大家一脸雾水。

  1. 舵机传动连杆以及安装方向和连杆长度
  2. 中心支撑以及连杆边缘支撑点
  3. 轴承
  4. 舵机输出头(输出盘)
  5. 舵机多功能支架
  6. 万向节和碳纤维杆
  7. 1cm厚度雪弗板
  8. 5mm厚度和3、4mm厚度的亚克力塑料板,激光切割和3D打印,铝型材

以上内容不分先后(呸,要命顺序排列,越前面的越要命)

  好了,关键名词说完了,咱们来说说机械的坑。众所周知,装置失控谁的锅?答案肯定是机械(滑稽),机械的坑大大小小五六个,有不要紧的也有送命坑,咱先说小坑。很多同学当时做机械就是用热熔胶和木棍,电赛做多了都快成木工了。首先咱们说说这个激光切割和3D打印,大家实验室有能力的话购置一台60cm x 60cm 行程左右的激光切割机,或者15cmx15cm左右的3D打印机,这两样现代加工机器可以给你的比赛带来意想不到的快速加工能力,精确,快速且漂亮。如果没能力搞这个,最起码周边靠近的tb店或者实体店得先问一圈吧。

  建材市场和就近的五金店是个好去处,比赛开始第一天上午我们就去建材市场寻找合适的板材,选材有如下几个:木板(不同厚度),塑料顶棚(中空口字型横向排列),雪弗板(1cm厚度),硬塑料板(实心),综合考虑以上材料的刚性,变形程度,以及重量,我们最后选择了切割的50x50cm雪弗板,汽车用品店买了两箱子50罐子哑光黑色自喷漆。说到这里可能大家就又要问了,向阳哥,你这个板球系统,谁让你喷漆了?我在这里先说一句,电赛这种东西,先看上头的意思,在我观察看来,电赛管理方的老师都是德高望重,身居高位的老师,老师可能纵横科研江湖几十年,发过无数篇SCI,手下管理研究所几百号学生。但是,俗话说术业有专攻。老师不一定懂板球系统和视觉处理,甚至简单的机械原理。你说一个搞大功率MOS课题的老师,怎么会懂表面摩擦系数呢????我问你?你懂吗?于是乎,全国各地,说的不客气一点,能不能喷漆取决于当地管理老师的脾气和智商。不过我们这边老师让喷了,大家最好比赛时候打求助电话问“上边的意思“,别来问我的意思,我的意思不管用,嘿嘿。喷漆不影响小球在板子上面的摩擦力,也不会黏住,显而易见的事情,仅仅是为了方便视觉处理。有些地方逼急了只能白板黑球,没得办法的办法。万向节一定要准备,tb一买一大堆,轴参数合适就行,我用的4mm转接4mm的万向节。碳纤维杆也是必备物品。木头杆子也行,我的杆子主轴和两个舵机输出机构都是中空碳纤维杆,4mm,长度根据需要自己锯断就好。5mm厚度的亚克力我们买了800块的,让店家手切成60x60cm的大方块以便回去用激光继续切小块。折合成本大约5mm厚度600x 600mm大约50块,tb上买得60-70,略贵点。4mm厚度的和3mm厚度的买了400 x 400 mm的若干,老师走的tb买的。舵机输出头和舵机多功能支架简直是必备物品,玩过飞思卡尔的都知道这玩意,想当年调车,输出头和舵机被我撞废了好几个。在一个就是铜螺柱,3mm的公母螺柱,母母的,各种长度若干,螺丝螺母若干,提前找tb五金店问客服来个大套餐完事。在一个就是轴承,有些传动活动关节用了轴承和不用轴承简直是天壤之别,做过工程训练赛无碳小车的同学应该对于轴承的使用烂熟于心。到此,准备工作就嘚瑟完了,剩下的就是两个要命点,我单独开小标题给大家来说。

大坑之一:整体框架

  我上面婆婆妈妈说了一大堆零件,那么问题来了,先有骨架后有细节,骨架在哪里呢?用4040铝型材啊!经常做机械或者做过rm的同学肯定知道,初代的步兵车和补给站,基本都是铝型材,到后面大家有经验了,接触First和其他先进经验,(有钱折腾了)才采用碳纤维板加合理镂空的方式。扯远了,回到话题,我们用的铝型材是4060(好像是),长方形的,下面搭建成王字型,再把600x600mm的亚克力切割打孔,固定在王字形铝型材上作为地板,一根我也记不清多长反正就是很长的铝型材竖起来做摄像头的柱子,在柱子顶部再来一段平放着的铝型材,作为摄像头安装点。说起这个又想起了摄像头位置安装要配合焦距,视野角度,曝光,烂七八糟的,固定摄像头当时又花了一番功夫,别的组有搞可以调整的摄像头底座,方便调整视野,我们直接502工业速干胶糊死省的再动。整体装置很相似一个大底盘的台灯。事实上我们铝型材买重了,4040就够用了好像。不过重一点的话也稳,不至于舵机一抽风整个装置散架。不多说了,上图。(实际上摄像头应该最后再安装,我们当时也是这么干的,毕竟板子装好了才能调整视野范围。注意你们的安装顺序。)

大坑之二:舵机连杆

  好了到现在为止舵机装上了,整体框架有了,到了具体细节的部分了。那么到这里同学又要三千问了:你这个舵机连接的部分用的是啥啊,咋做的啊,怎么想到的啊,传动要灵活缝隙又没那么大,板子老是动起来就晃动的很厉害,自旋转,一点都不稳定咋办啊?底下咋支撑的啊??

  这个部分比较神坑,细节也比较多,用嘴说一般人理解还比较困难,得上图。到这里我先问候一下出题老师,老师您太英明了,叭叭赛题一出,要效果规定的明明白白,尺寸有那么大,将近一米,演示效果肯定爆炸,一点都没考虑制作成本和运输成本,以及运输和大板子带来的精度损失以及意外情况,全靠学生们自己绞尽脑汁肝,百分百充分锻炼了学生们艰苦条件下的极限创造与实践能力,实在是精彩。

   回归正题,我当时的处理办法是:舵机部分,先上舵盘,也就是所谓的输出头,舵盘上一共四个螺丝点位,3mm的。我和队友商量合作以后使用5mm亚克力设计了一个椭圆棒状的输出臂,一头用千分尺和卖家的输出头图纸给出孔位参数,打四个安装螺丝孔,用来结合舵机的输出头,另一头直接打12mm直径的圆,使用了过盈配合,把一个直径13mm左右的轴承(内部4mm直径)牢牢嵌入。3D打印这时候也没闲着,我们设计了一个圆柱体,内部中空,可以套住碳纤杆,顶头镶嵌圆环,可以通过4mm螺丝,两台打印机一直在工作就没停下来过,玩命打样品测试配合程度,此时已经是第一天晚上。这些零件制造齐了以后,我们开始了组装,效果如下:

第一张图看似很完美对不对!很nice对不对!完美了解决了问题还很精致对不对?高兴太早了!!!!这里边是坑中坑,还有两个神坑,坑死人不偿命。

  此时,注意第二张图的舵机连接杆长度对比,此处为神坑第二坑,划重点,思考题:我为啥要把杆子整这么短? 坑先挖了,本文最后再说。咱们绕回来先看第一神坑。此坑是舵机连杆的坑中坑,现在输出连接装置有了,动力可以传动下去了,那么我要问你,舵机安装的话,在板子地板上,可以看做一个绝对的坐标系X,Y轴,中心是板子支撑中心,那我要问问嘛,舵机是横着放地板边缘舵机输出杆平行于边缘,还是竖着放舵机输出杆垂直冲着正中心?我当时就是这么问自己的。我们先尝试横向沿边缘形式,发现板子经常自旋转,很晃动,舵机一旦抽风整个板子都在颤抖(注意,板子颤动,有三个原因,其一机械配合不好,其二舵机输出杆XY方向不对,其三,见本文最后神坑),我们反复观察了油管和其他视频网站板球缩小版本的、舵机驱动的视频样例,总觉得不对,发现人家舵机都是放在里面。输出杆垂直向内,有一定自锁作用,防止了自旋转。说到这里大家可能很懵逼,想象不出来,这里给大家上图。

  此处为王向阳比赛之前对流传最广的板球系统做出的模型,此模型系统状态属于临界状态,时刻保持震荡,控制不收敛,稍加扰动球即可出界。可以看出舵机输出头没有轴承,没有万向节,舵机摆放方向不对,传动缝隙过大,是典型的错误案例。

  注意此图,是我们定型版本,舵机连杆是时刻冲向地板中心的。

  此时还有一个细节需要说明,板子比较沉,碳纤杆伸出去直径只有4mm,为了防止碳纤维杆子把板子戳破,我们采用了亚克力激光雕刻工艺,在5mm小正方形上雕刻一个8mm圆孔(没有切穿,仅仅是挖个孔洞,洞有多大取决于你的万向节)再将万向节镶嵌进去增大受力面积,和接触面积,防止板子顶穿,变形。图片如下:

  此时舵机侧的机械结构解决了,我们也解决和板子的链接和联动问题,此处我采用了中心大支撑点加两侧舵机小支撑的设计方式,三个支撑点均采用万向节支持快速拆卸碳纤维杆,见上图。(炸了好立刻换掉,留后路,DJI爸爸教过我们好多次的经验之谈,一定要模块化,快拆设计,不然炸一个换一窝累死你)

大坑之二:主体支撑

  说到这里我已经洋洋洒洒写了3500字了,当时比赛的话,我做到这里已经是第二天上午了,还有一天多半的时间。做到这里,这个时间段,有一批同学应该已经从选题到弃赛了,剩下的一部分还在苦苦挣扎。有的同学想象力贼丰富,可能是漫威蜘蛛侠电影看多了,搞了几条线吊着板子,上面定滑轮带着伺服电机吊着板子倾斜做动作,装置大的一批,表现因为丝线的弹性晃得一批,这些都是我们在决赛现场看见的,可见广大大学生产生的无穷创造力。可能写到这里大家又该问了,向阳哥你这个板子这么沉,怎么撑起来的啊,舵机连杆做完了整体大约有15cm高,得整个多粗的杆子撑中心啊,撑得住吗?这时候我就要给大家介绍我当时踩第二道坑的绝佳设计:中心支撑柱!

  中心支撑柱,采用5mm优质亚克力,高质量铜螺柱,经过三点式打孔,120度分开安装螺丝螺柱,分散受力,每层与每层之间采用圆形亚克力固定连接,顶层固定法兰盘转接口(这玩意儿也得买我前面忘了写了)安装碳纤杆,结实耐用受力均匀,实乃居家旅行比赛爆肝之必备佳品。废话不多扯上图!

  关于整体高度问题,我用铜螺柱和亚克力凑了大约11cm多,剩下距离的通过碳纤维灵活切断来凑,自己体会。在这里先给自己队友CAD制图能力跪了,老哥平日里没少画图,我这边说完设计给完参数他十来分钟秒出图,痛快!到此为止第二个坑结了。什么?你要图纸?来我群里有空我传上来咕咕咕咕咕。比赛到这里,大约到了第二天傍晚,第二年天18点左右机械总装以后位置pd调一把球就稳了,稳中心点没问题,编程奋斗了五小时到了第三天凌晨包括激光追踪、路径点、以及追cos、sin的画圆等功能已经全部实现,至此第二天我们已经将赛题基本做完开始拍视频发各大群装13。第三天的时候我们在微弱调整以及增加GUI和按键。

隐藏神坑:舵机平衡位与力臂

  众所周知,舵机是依靠电位器的一个位置闭环执行器。低端的机器人用的多是舵机,高端的机器人用的是伺服电机加电流、位置速度闭环再加高精度减速器、编码器。舵机依靠电位器输出的电位差来输出扭力,离目标位置越大扭力输出越大。当舵机遇到平衡位置时会有一个力量维持在此,如果有外力搬动舵机会增加出力。我们舵机使用6s锂电池降压6v供电最大3A。电源功率是够了。可是因为板球板子过于沉且有惯性,在目标位置有些舵机工作功率小并不能维持稳定,舵机会因为板子的重力和速度惯性先目标位置被压下去,到了一定位置反馈增加力量开始将板子向上推,推出速度到了目标位肯定又是拉不住,于是循环往复,处于临界状态,稍加扰动即可失控。此时就算你不加pid板子自己都稳定不住,这种情况我在比赛时候遇到过不下四只队伍,基本这些队伍都认为pid问题、或者是舵机烧掉了,基本遇到这些问题的队伍都领了盒饭。修正舵机扭力过载的问题有两种解决办法,和一种检测办法。先说检测。如果你把舵机单独累增累减pwm发现没问题,放到装置上不加pid,累增累减pwm让其摆动发现开始自震,那么就是目标位置过载了。解决的办法就是缩短力臂,并且尝试更换更大功率和扭力的舵机。这一神坑是我比赛完半年以后才发现的,当时舵机的迷之抖动是我心中一直的谜团,当时好多舵机在这种抖动工况下时间长就烧了。那么我当时又是如何规避这一坑的呢?这要非常感谢我队友比赛一年前购买的劣质机械臂套件。这个机械臂上的八个舵机电位器并不是那么灵敏,到不了平衡位置扛不住自己也不颤动,差着距离就差这了。比赛完我们这个舵机也临近报废了,拆开一看还是塑料齿轮的。人生第一次感谢假货!

  注意图中力臂差距。长者是我比赛当时使用的力臂,后来更换舵机发现一直临界震动才更换为上面的小力臂。

  到此基本机械的坑就都填写完毕了。填完所有坑我用了五千字,这些东西要在比赛一到两天之内全部发现、领悟、解决,本身就是一件了不起的事情,也非常考验团队指挥、处理、分工合作和个人能力。希望大家能在我的文章中有所收获,在2019年的电子设计中创造自己的辉煌。后面还有程序设计的坑,我们有空接着填!!

  2019.2.9:突然临时想起来再加一条,两条舵机PWM信号线上最好加一个开关,单片机下程序或者上电的时候以及pid失控的时候关键时刻切开关,防止舵机抽风!经验之谈,大家注意就好。

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