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（三）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！！。