XUST十九届智能视觉False结构开源

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目录

一、结构设计理念及经验

二、材料准备

        2.1制作工具类

        2.2机械类

        2.3耗材类

        2.4电子元件类

三、模型打印参数

四、制作步骤

4.1摄像头支架部分制作

        4.1.1支架安装

        4.1.2法兰安装

        4.1.3碳素杆安装

4.2仓库部分制作

        4.2.1蜗牛壳制作

        4.2.2辅助受力板安装

        4.2.3仓库转动部分安装

        4.2.4仓库释放部分安装

        4.2.5仓库部分打磨

4.3 机械臂部分制作

五、力学分析(简易)

5.1仓底板与M车

5.2齿轮侧面支撑

六、结语  


 

一、结构设计理念及经验

        先说说我对这个组的理解:硬件=入场卷(没有硬件压根就不用去比赛);控制=根基(哪怕没有视觉和结构的情况下依然可以完赛);视觉=提高(可以减少掉识别错误所增加的秒数,甚至优化找卡算法等等)结构=锦上添花(如果不追求国一国特,拿国奖没有结构也是可以的,但是一个好的结构也确实可以减缓视觉和控制的压力)。

        根据对十九届赛题的解读和18届自制结构所产生的问题里,发现机械臂的速度想要变的很快就必须跟凤凰结构的机械臂类似,同时为了能完成多卡投放和结构重心居于中间,同时为了简化控制算法,研究菠萝结构的优势,最后借鉴菠萝和凤凰的设计上重新设计。效果如图所示:

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图1.1 总设计图

二、材料准备

        2.1制作工具类

        拓竹3D打印机(需要稍微较高的精度)、电锯(方便切割不锈钢管和碳素杆)、30cm的长螺丝刀、锉刀、不锈钢尺、多功能螺丝刀套装、激光切割机等。

注:孔位已经在模型中设置好,如需要再次扩孔请使用手钻机

        2.2机械类

        螺栓:不锈钢大扁头M3*25(螺1)、十字扁平头M3*50(螺2)、十字扁平头M4*25(螺3)、十字扁平头M3*16(螺4)、内六角螺栓M4*20(螺5)、内六角螺栓M4*70(螺6)。

        螺母:M3普通螺母、M4普通螺母。

        舵机拉杆:M3×250mm*2(拉1)。

        机械臂舵机支架:万能支架*3、大长 U 型支架*3、杯式轴承*2、25T舵机通用圆盘*3。

        轴承:内20外40厚12*2(承1)、推力球平面轴承内8外14厚4*2(承2)、法兰轴承内8外12厚3.5*4(承3)。

        铜柱:M3*50(铜1)、M3*45(铜2)。

        2.3耗材类

        砂纸60目(砂1)、砂纸500目(砂2)、502胶水(或ab胶)、餐巾纸、润滑油、不锈钢管、双面模数贴带、3mm亚力克板、不锈钢空心管外8mm厚0.5mm×1m*1。

        塑料小管子连接件:内径8mm立体三通*10、内径8mm立体四通*12。

        逐飞:摄像头固定底座法兰*4(法1)、摄像头支架多功能底座*4、8mm铝制三通*3。

        碳素杆:350mm*4(碳1)、120mm*2(碳2)、275mm*2(碳3)、263mm*3(碳4)、(碳素杆均为外8内6的圆管)。

        2.4电子元件类

        DS3225 25kg 360°可控舵机*1、TD8820金属数字舵机20kg*2、RDS3115数码25kg双轴舵机270°*1

注:后续图中会标注使用那些螺栓上到什么位置,括号内仅为每个的代号。

三、模型打印参数

        打印须知:稍微需要较高精度,建议使用拓竹系列打印机。打印材料请选用PLAPETG,密闭打印会产生热变形影响曲面。最好全部用同一材料!

        颜色最好只有白、黑、灰三色,参杂别的颜色可能会对视觉产生影响。

        为了符合普通3D打印机(256mm x 256mm x 256mm)能打印的最大尺寸,笔者对整体模型进行了拆分和多层加固处理。

        网盘链接:https://pan.baidu.com/s/1MMP3Tv4UDzpV3I_fhjVXgg?pwd=63da提取码:63da

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(链接中只有STEP格式和DWG格式,后续开源文件可能在b站视频中放出)

文件名填充密度填充图案数量
备用车后端底座 .STEP45%三角形1
车前后端底座.STEP45%三角形1
电磁铁增长端.STEP35%网格1
舵机圆柱齿轮45×2.STEP40%网格1
圆柱齿轮45×2.STEP40%网格1
舵机平台.STEP75%三角形1
前板辅助受力.STEP25%网格1
摄像头横向支架.STEP25%网格3
双轴舵机架子.STEP100%直线2
特殊轴.STEP40%网格1
新备用后端释放仓.STEP25%网格1
新支架.STEP35%网格1
支架后.STEP18%网格1
支架后上.STEP18%网格1
支架前.STEP18%网格1
支架右.STEP18%网格1
支架左.STEP18%网格1
阻挡法兰.STEP25%网格1

        卡片仓.DXF 激光切割机 切。

        打印速度选用自己打印机效果最好的速度即可。

四、制作步骤

        在拥有了所有的制作零件后,就到了正式的制作环节啦!

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因本身设计时拆分成两部分单独设计,互不影响,故后文中分开介绍。

强烈建议先阅读一遍后按顺序制作!!!!

4.1摄像头支架部分制作

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图4.1 支架设计模型图

        支架设计中,主要考虑控制需要总钻风什么样的角度,Openart需要多少的高度,不影响其他功能结构位置的容错和尽可能保证支架稳定不晃动,以这几个为大前提进行设计。

        4.1.1支架安装

        首先是对前后两端底座的安装(备用车后端底座 .STEP车前后端底座.STEP),首先将前后支架的孔位对齐,以绿线为对称轴,在红圈中的10个孔位,对称着安装4-8螺3,以此来稳固底盘,确保安装底座支架跟车底板受力保持一致。

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图4.2 支架安装参考图

        4.1.2法兰安装

        将已经安装好车底板,根据图示地方安装上法1螺1(或螺2)+M3螺母,为后边碳素杆的安装做准备。

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图4.3 法兰安装参考图

        4.1.3碳素杆安装

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图4.4 碳素杆安装参考图

        与底部连接安装的碳1法1,上端根据图片所示在需要的地方安装内径8mm立体四通连接碳2、碳3和碳4,不锈钢管与碳素杆的连接是依靠3D打印件(摄像头横向支架.STEP,这样设计会产生一个自锁,如果不锈钢管不是与横着的碳素杆垂直就无法安装上去。ART摄像头套件包括摄像头支架多功能底座8mm铝制三通用于固定在不锈钢管,方便控制与视觉选定合适的摄像头的角度和位置。

        注:此处的支架设计是基于两点

        1、完全不影响其他功能的运作。

        2、根据摄像头计算出来所需参数,可以根据自己视觉部分的需要改变碳素杆的长度。

        以一个简单例子为例,现在离地高度是40cm,然后在分辨率320*280的视野里看到卡片的长宽像素值约为40,且已知卡片实际值即为120mm,即可得出1个像素的值为3mm。根据这个值,以及我们所需的值(比如模型参数为96*96,所以我们需要120/96=1.25mm),来更换所需要的摄像头,以使摄像头能采集到足够的像素点。

4.2仓库部分制作

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图4.5 仓库设计模型图

        在仓库设计中,前端借鉴了凤凰结构的抓卡方式,后端参考菠萝结构改进优化。外观设计中有72个小孔、16个中孔、16个小角、12个大孔和6个太极,以此来加入幸运buff;旋转仓库依靠齿轮传动,确保每个位置的精准投放;后端关仓口采用双轴舵机连杆进行关闭与打开。 

        4.2.1蜗牛壳制作

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图4.6 右面安装参考图

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图4.7 左面安装参考图

        左右面安装如图4.6和图4.7所示,绿色圆圈标注的孔位用螺3M4螺母固定,同时也产生了一个自锁,每个壳体打印件一般会与3个及以上打印件进行连接固定,相互制约互锁。中间需提前安装好承1特殊轴承1顶入到特殊轴最大半径处即可,红色圆圈处先暂不安装,后面要与别的特殊件共同安装。右面特殊轴上需安装阻挡法兰.STEP特殊轴.STEP阻挡法兰.STEP上均有孔位,安装螺2即可。

        4.2.2辅助受力板安装

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图4.8 辅助受力板安装示意图

        在上一步安装好以后,先对蓝色圈处安装螺4,这些孔位下端安装铜2,铜2再与M车底板对应孔位安装,以此来固定。红色圆圈处的舵机万能支架可以根据图4.9先安装螺5M4螺母,同时黄色圆圈处也可以先安装底座支架安装螺4M3螺母且可以不用考虑底座支架方向。

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图4.9 舵机安装支架方向示意图

        4.2.3仓库转动部分安装

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图4.10 蓝色支架安装

        左上角图为螺栓的安置示意,螺栓头在板下侧,在绿色圆圈处安装螺3M4螺母但是先不用上紧,为后续安装做准备,同时可以根据图4.10所示先安装部分舵机。

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图4.11 侧面支架安装图

        根据图4.11所示安装位置,安装顺序圆柱齿轮(舵机圆柱齿轮.STEP)->舵机铁圆盘(用较短的M3螺栓上紧即可)->舵机->舵机万能支架(从上往下安装螺3即可)->侧面支架(舵机平台.STEP)

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图4.12 侧面支架安装示意图

        先安装紫色圆圈处的螺6直接上到底就可,不需要上螺母,因为受力关系的原因,不上螺母也能紧固。蓝色圆圈处,因为之前蓝色的支架是松弛的,对准孔位安装螺3M4螺母,同时将之前安装下端未上紧的螺栓上紧。

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图4.13 特殊轴齿轮安装示意图

        根据图4.13中所示:对准特殊轴安装圆柱齿轮45×2.STEP,同时为防止出现偏移和啮合松动,安装两根螺2贯穿孔位,不需要安装螺母,方便拆装。

        特殊轴的每个槽口处将单张餐巾纸卡片仓.DXF同时嵌入进槽口中,再将多余部分的纸撕去,即完成对一个仓的安装,这样的设计是保证受力的同时便于拆卸仓库转动效果图如图所示:

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图4.14 仓库转动部分效果图

        4.2.4仓库释放部分安装

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图4.15 后端挡板零件安装示意图

        如图4.15所示、先在相应的地方安装承3,再使用碳素杆贯穿,贯穿过程中安装承2,两边完全贯穿且留出多余位置即为完成安装。

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图4.16 舵机拉杆安装示意图

        如图4.16所示、左右两端长杆为舵机拉杆(由于里边是球头,在3D模型中好建模,但是不好体现运动效果,约束一直报错×^×,故设计平头,只为模拟参考使用,实际制作中不会影响其他位置)红圈处相接并长螺2M3螺母,上紧即可。

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图4.17 旋转连杆安装示意图

        如图4.17所示,在红色舵机安装完成后,先安装舵机圆盘再安装舵机支架,但先不用上螺栓,确定好位置后与双轴舵机架子.STEP对称安装好后,再安装螺2固定;在绿色圆圈处,靠近壳体一段为螺1的螺栓头,使螺1M3螺母、打印件和舵机拉杆共同固定在一起。

注:此处安装极为困难,最好使用长30cm的细长螺丝刀,同时安装要先大致模拟舵机运动角度是否能完全打开仓门,我建议将红色舵机0°时尽可能的接近绿色舵机,这样可以使仓门打开的角度更大,且最好在红色舵机0°状态时就使打印件产生微弱的变形,这是一种过盈的变形,要尽可能使后仓门受力嵌入进壳体内壁内。

        仓库释放效果如图4.18所示:

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图4.18 仓库释放效果图

        4.2.5仓库部分打磨

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图4.19 仓库打磨示意图

        在安装好后,由于制造和安装产生的误差现象,图4.19中三条红线处很容易卡住卡片或者卡片仓,所以应该做的操作是:对红色舵机上电,一直保持一个角度(最好就是仓库的关闭角度),使用砂1对图中三条红线处进行打磨,然后用手转动齿轮(先安装一个仓库看效果,其他仓库可以先不急装,最后装剩余仓库也是可以的)看是否可以在不卡涩的状态通过卡片,先测试1张的情况,再测试5张甚至10张的情况,当10张都能正常通过时,使用砂2进行细打磨,手摸起来有黑丝的感觉即为打磨完成。(别问我没摸过怎么办,自己买一条摸摸自己的就知道了)

注:此处需要正反转齿轮,要确保正反都是可以稳定通过的。如果内壁面也有不光滑的地方也是可以打磨的。

4.3 机械臂部分制作

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图4.20 卡片存在的最小状态和最大状态

       首先要考虑卡片存在的任何状态,也就是说,如果我们的仓库不够大的话,也可能会出现两个角卡住仓口,影响后续的抓卡的操作,导致整场比赛失败,但是目前考虑的状态是极端状态,这种卡片在一场比赛出现的可能性是极小的,而我们的结构应该做到什么程度算ok呢,我的建议是完成极限状态的95%状态即为ok,就是在中心线17cm*0.95=16.15cm处每次都能扔进去,即为完成卡的抓取。

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图4.21 实际可能出现的演示情况

        在实际可能出现的情况中,红色区域是电磁铁击打的位置,蓝色区域是算法偏移电磁铁可能打到的所有情况(正常来说,不可能每次都是最中心点,所以产生偏移其实是一个正常的状态),因此要在这样仓库的基础上继续扩大这个一个长度,因为如果电磁铁打到中心的右端,然后放进去时,卡片的另一边相当于变长了,所以应该在刚刚的基础上应该继续两边扩充仓库口的宽度,一边大约一个铁片的半径即可。

        因此抓取的前提条件:1、抓取的任何状态不会被其他部分所影响;

                                            2、能够每次稳定的放进仓口、·

                                            3、电磁铁每次都能稳定吸附。

        可以先用SW模拟运动轨迹,确保每个位置没问题再制作,如图4.22所示:

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图4.22 机械臂运动轨迹图

        此处机械臂安装较为简单,两个舵机万能舵机支架、三个U型长支架、铜柱使用为铜1、顶处为电磁铁增长端.STEP,对照图示安装即可。

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图4.23 机械臂正面示意图

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图4.24 机械臂背面示意图

        更多关于机械臂和电磁铁的内容请参考凤凰四分类搬运结构_v2.1.pdf。

五、力学分析(简易)

5.1仓底板与M车

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图5.1 M车底板与上仓受力分析图

        由图5.1可知,在二维平面上,绿色箭头为整体重力,然后M车两边的红色箭头为支持力。但在3D空间中,设计时,就是以四处轮毂旁边的支撑板作为整体支撑,且中间会安装4-10根铜2作为辅助支撑,相当于同时有8处甚至10处以上同时产生支持力,确保上仓的与M车的受力和稳定性。

5.2齿轮侧面支撑

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图5.2 侧面支撑受力图

        由图5.2可知,绿色箭头为受其他物体产生的支撑力,红色箭头为整体重心的重力。绿色箭头中大部分力是M4螺栓产生,然后由支架前.STEP、支架左.STEP、支架后.STEP、电机支架.STEP四个打印件共同约束自锁,同时电机支架.STEP前板辅助受力.STEP固定,保证了侧面支架的稳定性与齿轮啮合的稳定性。

六、结语  

       在此,感谢智能车竞赛一路相伴的队友和朋友们(太多了就不一一列举了),特别感谢风佬、凤凰佬、桀桀佬、水鬼佬在去年的帮助。

        也祝看到这里的车友们赛出水平,赛出风采,取得好成绩!٩(๑^o^๑)۶

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贴张自拍好吧~

参考:

凤凰四分类搬运结构_v2.1.pdf

安徽中医药大学_凌泉·freedom_智能视觉.doc

 

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