XUST十九届智能视觉False结构开源

2024-08-01 开源 0

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：

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PLA或PETG，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

（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 .STEP	45％	三角形	1
车前后端底座.STEP	45％	三角形	1
电磁铁增长端.STEP	35％	网格	1
舵机圆柱齿轮45×2.STEP	40％	网格	1
圆柱齿轮45×2.STEP	40％	网格	1
舵机平台.STEP	75％	三角形	1
前板辅助受力.STEP	25％	网格	1
摄像头横向支架.STEP	25％	网格	3
双轴舵机架子.STEP	100％	直线	2
特殊轴.STEP	40％	网格	1
新备用后端释放仓.STEP	25％	网格	1
新支架.STEP	35％	网格	1
支架后.STEP	18％	网格	1
支架后上.STEP	18％	网格	1
支架前.STEP	18％	网格	1
支架右.STEP	18％	网格	1
支架左.STEP	18％	网格	1
阻挡法兰.STEP	25％	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！

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

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和车前后端底座.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个螺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。

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和螺1（或螺2）+M3螺母，为后边碳素杆的安装做准备。

图4.3 法兰安装参考图

4.1.3碳素杆安装

图4.4 碳素杆安装参考图

与底部连接安装的碳1跟法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和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

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

图4.6 右面安装参考图

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3和M4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跟特殊轴，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和阻挡法兰.STEP上均有孔位，安装螺2即可。

4.2.2辅助受力板安装

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5和M4螺母，同时黄色圆圈处也可以先安装底座支架安装螺4和M3螺母且可以不用考虑底座支架方向。

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

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3和M4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。

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)

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3和M4螺母，同时将之前安装下端未上紧的螺栓上紧。

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。

在特殊轴的每个槽口处将单张餐巾纸和卡片仓.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：

图4.14 仓库转动部分效果图

4.2.4仓库释放部分安装

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。

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2和M3螺母，上紧即可。

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1、M3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：

图4.18 仓库释放效果图

4.2.5仓库部分打磨

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

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。

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：

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。

图4.23 机械臂正面示意图

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

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

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与前板辅助受力.STEP固定，保证了侧面支架的稳定性与齿轮啮合的稳定性。