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

转载请注明出处。

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。

舵机传动连杆以及安装方向和连杆长度
中心支撑以及连杆边缘支撑点
轴承
舵机输出头（输出盘）
舵机多功能支架
万向节和碳纤维杆
1cm厚度雪弗板
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。

欢迎加入全国电赛技术交流群：597962412，中国电赛交流第一大群，3000+电子设计老司机带你一路走向国一！

2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统（四）机械设计相关相关推荐

2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统（二）图像算法相关
2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统(二)图像算法相关转载请注明出处. 我翻看了很多现有教程以及相关的开源贴,发现大家对于技术的解释都很隐晦,真正的问题没解释清楚,真正的技术也没体现 ...
2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统（一）序
距离2017年电子设计大赛已经过去将近一年时间,我也终于有空将当时比赛的具体细节整理出来,以供给大家进行详细的参考,方便后来者进行快速,细致的学习. 17年赛题出来之前,我是最快做出样题的人之一.当时 ...
2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统（三）舵机控制相关
转载请注明出处 2019全国电赛交流群(内有板球系统基础题代码):597962412 今天我们来讲一讲舵机的控制.电赛在给出赛题说明与采购清单的一刹那,我就想好了赛题最可能使用的两种输出元器件.一种是 ...
2017全国大学生电子设计竞赛个人总结--B题滚球控制系统
本人有幸参加2017年全国大学生电子设计大赛,并在西安通过努力进入到优秀作品展示,虽然与瑞萨杯失之交臂,但是感觉从比赛中学到了许多知识和临场发挥的经验,这些经验和进步必将伴随我的未来. 首先来说说组队 ...
2017全国大学生电子设计竞赛H题：远程幅频特性测试仪：主控STM32F407
2017年全国大学生电子设计竞赛远程幅频特性测试仪(H题) [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9sPfFjy1-1618627176227)(media/ ...
2017全国大学生电子设计竞赛板球控制系统摄像头寻红色小球代码
正点原子开发板,0V7670寻红色小球反馈坐标百度云盘免费代码: 链接:https://pan.baidu.com/s/17447YQ-82zv2O5MG1WbLPA 密码:x1zu 板球控制系统开发 ...
全国大学生软件创新大赛一等奖作品 —— HyllCube 三维四子棋
2011 年 9 月,那时刚升大三.和另外三位童鞋组队参加了第四届英特尔杯全国大学生软件创新大赛.最终,在北京的总决赛中,成功获得一等奖~ 时间过得真快,没想到,到现在已经有 8 年了~ 整个比赛过程 ...
【项目总结】2018年全国大学生数学建模大赛B题简要分析（附代码）
今天早上跟学姐室友去复旦把论文答辩做掉了,虽然整个项目基本上是我承担了主要的思路与代码部分,但是今天答辩我跟室友竟然连一句有用的话都没说出来,全场都靠学姐开场流畅地引入,临场随机应变,从而得以与答辩教 ...
全国大学生数学建模大赛 B 题解题思路
B 题无人机遂行编队飞行中的纯方位无源定位无人机集群在遂行编队飞行时,为避免外界干扰,应尽可能保持电磁静默,少向外发射电磁波信号.为保持编队队形,拟采用纯方位无源定位的方法调整无人机的位置,即由 ...

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

2017全国大学生电子设计大赛B题 | 板球控制系统（四）机械设计相关相关推荐

最新文章

热门文章