【工创赛2025-塔吊方案机械开源（2分15秒）】西安理工大学工程训练中心-北京尧图网络

一、前言本文是本人的第一篇csdn博客旨在详细介绍塔吊结构的设计初衷设计过程中遇到的困难调试时遇到的坑以及后期修正的地方。本文最后会附上2021版solidworks的机械文件对机械部分进行全开源。本文为机械结构开源其他部分开源请移步【工创赛2025-塔吊结构方案开源2分15秒】西安理工大学工程训练中心-CSDN博客二、上一届的机械设计本人有幸参与了2023年的工训赛那一年我们采用的是多舵机加舵机支架组装的机械臂结构。图为2023年8月于西安理工大学工程训练中心拍摄显然这种结构既复杂不好组装由于运动轴多舵机本身的精度也低最终导致末端重复定位精度极差。在多次放置测试中在电机锁死的情况下每次放置相同物料时都会在2环1环2环之间来回抖动无法做到精确的1环。这种机械臂的重复定位精度低只是众多问题中的一种。对于电控队友来说其实我也是电控多自由度机械臂的运动解算是十分复杂的数学问题我在机械臂刚组装好的时候试图将末端视觉坐标与现实坐标相对应即相机标定后直接解算出各个关节舵机的转动角度但是经本人通宵一周后发现其数学问题的困难只是第一步理论与现实的结合视觉坐标的误差相机标定的误差都会极大的影响最终效果。最终与电控队友商量后决定写死动作组进行抓取与放置。最终此车成功通过校赛进入省赛但由于视觉与电控的原因以及对社区规则的不熟悉最终无缘国赛此车的生涯便告一段落。三、本届机械设计由来本人为2021级学生即2025年毕业在2023年工训赛结束后按当时的时间预估是无缘2025工训赛的但是偶然间得知2025比赛时间提前可以在本人毕业前完成比赛怀揣着没有进国的遗憾与当年的队友又抓了一个23级的学弟决定再次征战2025。对于本届物流小车的机械设计讨论其实由来已久一是吸取了2023年的经验确定了对重复定位精度的高要求二是在2023年升降式结构的小车似乎以及已经成为版本答案但是不论是丝杆升降还是同步带升降都面临手短的困境其定位精度放置精度极高但是三分钟不一定能跑完全场。在2024年电赛结束后我们随即针对以上两个问题进行了讨论一是确定了抛弃机械臂采用步进电机或与其同精度的电机作为yaw轴二是确定了传统升降结构的手需要伸长以实现在物料台抓取时三个位置都能抓地面色环放置时也能三个一起放而不需要移动底盘。基于此确定了升降机与伸缩臂相结合的抓取方案。随后的问题便是升降机究竟采用同步带还是丝杆我们认为同步带速度快精度高但是步进电机不经过减速直接带动机构升降会面临较大的扭矩需求。对于传统升降结构抓取机构没有伸缩的需求结构简单质量较轻但是我们不能保证我们的伸缩臂能被同步带驱动。同时考虑了同步带运行久后会存在较为严重的磨损影响最终上场精度故最终选用了丝杆作为升降传动机构。对于伸缩结构的设计我们借鉴了多种方案。早在2021年的b站远古视频上就有一辆有着浓厚rm风的物流搬运车采用了升降机与伸缩结构视频一时没有搜到就不放链接了打过rm的rmer应该都知道什么是rm风。当时那辆车采用的是双重滑轨的结构但是最终似乎没有进国影响力有限。我们最终确定了三种伸缩方案同步带齿轮齿条以及多滑轨的折叠式伸缩。在这些方案中我们首先否决的是多滑轨的折叠方案因为运动副数量的增加必然会因为装配精度材料磨损加工误差等多种因素导致最终的末端重复定位精度降低尤其是在yaw轴高速转动的情况下工具头很有可能会陷入较大的晃动需要更长的时间以稳定。在同步带伸缩和齿轮齿条方案中我们最终选取了齿轮齿条方案原因在于同步带的建模仿真没有齿轮齿条来的简单。虽然在这几天的竞赛中我们发现同步带的精度比齿轮齿条高很多但是已经不可能再做修改这最终使得我们初赛放置的9个环中出现了一个二环没能拿到满分。四、基本方案设计1.塔吊设计上篇已经基本确定了y轴与z轴的传动方式而下一步就是对基本方案进行设计塔吊模型图我们认真研判了基本受力件的构成往年升降结构基本采用两个mgn7或者mgn9滑轨作为骨架同步带作为传动。我根据经验认为如果只采用滑轨作为骨架这意味着整个滑轨受到的弯矩会很大因为我们的传动电机在顶部。第二个原因在于依靠滑轨的螺丝孔与角码配合最终的高度会较难控制因为滑轨在切割时螺丝孔距离滑轨末端的距离会不一致最终导致装配时不能让每一个滑轨组装完的高度保持一致。所以采用其他材料作为支撑件而滑轨仅作为运动承载件是最合的的。淘宝上常见的升降模组都是用不锈钢制作如果我们也采用不锈钢整个塔吊结构的质量将会很大这会导致小车重心偏移快速启停时车将会不稳。更重要的是麦克纳姆轮在进行速度合成时要求四个轮子的抓地力必须一致否则速度合成将会有问题如果车的重心偏移那车在行走时就很难按照代码中合成的期望速度与方向前进。所以我们决定除了必要的无法减重的元件其他部件都需要尽可能的减重所以采用了2020铝型材作为受力结构件。由于丝杆传动自带减速效果意味着传动电机可以选择更轻扭矩更小的所以采用了35步进电机作为升降机构的动力源。齿轮齿条的驱动电机需要做到在yaw轴高速旋转时电机的扭矩可以抵抗整个工具头的离心力以避免跑飞经过计算28步进的扭矩已经足够。所以整个塔吊上部的电机选择都是以满足性能要求的情况下尽可能减重为目标。yaw轴电机的选择同样至关重要作为2022赛季的rmer我一眼就相中了gm6020。上一届的规则中规定了电池的电压不能超过12v这就意味着至多只能采用3s电池进行供电但是3s电池是无法驱动大型云台电机或者关节电机的好在今年只规定了只能用一块电池而没有限制电池电压。我队友希望使用达妙的J4310因为他复刻达妙轮腿时买了一批。我说那我们看看达妙的云台电机dm6220吧因为看纸面参数达妙6220和大疆6020基本一致但是便宜了接近一半。这里我坚持用云台电机而不是关节电机是因为我认为关节电机行星减速器的齿轮传动会有一定的虚位末端重复定位精度没有云台电机高。所以本开源模型以及我们参与校赛的车都是采用的dm6220作为yaw轴电机。在6220调试过程中我们发现采用达妙提供的位置速度模式接口进行位置控制时速度快了以后震荡很严重调了三天的pid最终能保证震荡可以在1s内消除但是1s的时间还是太久了。我按调试gm6020的经验进行调试认为不能采用封装好的位置速度模式因为这个模式下的电流环和速度环是达妙自己封装的如果想要提升响应速度和稳定性必须用mit控制方式。在与队友讨论后由于位置速度模型的控制代码已经写好而且当时离陕西省赛仅有一个月不到我们最终在mit控制和更换关节电机中选择了更换j4310关节电机。所以模型到手后将6220的模型更换为4310把铜柱加长cnc的铝件重新开孔就可以替换为4310了。2.底盘设计1驱动电机选择在2023年我们底盘采用的是轮趣科技的mg513编码直流电机因为当时张大头初出茅庐我们还不知道有闭环步进这个东西而采用开环步进控制是不如直流电机丝滑的。当年购买的有刷直流电机直到那年校赛结束后我们才了解到了张大头闭环步进但是省赛的时间依然是不允许我们对控制电机进行如此巨大的更换。但是今年我们从头设计了整车采用闭环步进电机也就成了必然。步进电机在色环放置环节的精准度有着直流电机无法比拟的优势因为直流电机只能通过控制速度环去控制位置但是步进电机天然就可以做到精准的位置控制。新老两代车同框2悬挂设计由于麦轮的速度合成严格要求四个轮子必须同时抓地如果场地不够平整导致一个轮子空转那么最终的速度合成就会有问题所以悬挂是必须的。但是悬挂也不需要过度设计因为此车并不是越野车场地情况大部分情况下都是比较友好的弹簧悬挂大多数情况下都是为了减震而我们只需要保证四个轮子不共面以便让四轮能同时抓地。所以我们采用了设计上十分简单的摆式悬挂此悬挂原理十分简单就是把底盘变成了两个不共面的平面。3电池仓设计个人认为电池仓与电池设计是本车底盘设计中的核心科技。一个好用的电池应该具备以下三个特征1、满足系统的供电需求电压与放电倍率同时容量尽可能大2、方便拆卸与安装3、稳定安全。往年的电池都是采用航模电池但是我们在进行航模电池的电池仓设计时发现了诸多问题。首先航模电池的价格非常贵尤其是6s电池的价格更是两三百起步。其次航模电池的出线和平衡头出线会增加电池长度我们希望将电池放置在车底部但是空间受限最大只能放置1800mah的6s电池。而且航模电池还有一个非常致命的地方就是过放容易死电芯基本救不回来几百块就打水漂了。使用航模电池对整车供电其实有点杀鸡用牛刀。我们计算了整车电流最大不会超过5A对于航模电池动辄20c、30c的放电倍率来说就是涓涓细流。最终我们决定自己使用18650拼一块属于我们自己的电池并作为6s系列标准型号应用在所有对放电电流要求不高的场景。电池组正面电池与电池仓的装配内部设计没什么好说的就是引出了一个xt60接头和一组平衡口外部设计则是设计了一个卡扣式的结构利用3d打印件自己的弹性可以在推进去后自带落锁。取出时只需要压住两边的耳朵就可以取出。3D模型图在验证了其可行性后我们开始了批量制作采用18650电芯亿纬的3500mah10a的电芯可以将总成本压缩到70元以内按航模电池的标法可以标注为6s-3c-3500。如果不看放电倍率因为对车都够用这个价格是航模电池价格的1/5。而且18650电池十分耐造基本不会死就算死了电池盒式的设计也可以快速更换电芯。这一系列的设计使得我们的电池更换变的十分优雅拔插头按耳朵取电池把新电池推进去再插上接头。3.底盘其他设计因为今年采用了ops9作为位置传感但是模型中没有体现只是针对其进行了打孔这一点需要注意方框即为装配ops9定位系统的位置五、其他由于本人购置了一台激光切割机所以在打玻纤板之前都会先切木板进行结构验证木制塔吊木制小车底盘细心的同学可能已经发现我们的电池仓顶部并不是紧贴玻纤底板而是留出了一个空间。这正是我们保证小车行驶稳定的秘籍这里我们购置了6块30mm*30mm*8mm的不锈钢配重块并放置进去与对边的塔吊重量相均衡最终使得小车在高加速度的情况下不会侧翻。整车设计全部为模块化设计任何一个部件的拆除只需要拧下至多5颗螺丝。甚至在将6220更换为4310时总共只需要拆卸加装配8颗螺丝。在设计过程中我们也不断思考走线方向走线空间螺丝安装顺序等问题最终保证没有一颗螺丝是阴间螺丝全部都可以采用长柄螺丝刀进行拆装极大的提升了用户体验。最后来一张整车照片六、开源链接本作品已在gitee、github双平台开源gitee链接https://gitee.com/louisaerdsai/machine.git七、更新日志时间更新内容2025年8月10日初稿发布2025年8月11日重新排版八、后记底盘定位问题一直是各类竞赛的头号难题而一颗稳定的陀螺仪是做平面定位不可或缺的。目前市面上的陀螺仪基本都被个别商家垄断价格极高。本人针对用户需求考虑电赛限制mspm0的需要采用mspm0制作了单轴和六轴两款高精度串口陀螺仪并软硬件全部开源性能精度稳定性均为市场头部水平并且支持两种输出格式适配大部分用户。开源链接就在隔壁MSPM0高精度单轴陀螺仪/六轴陀螺仪软硬件开源-CSDN博客硬件开源链接工程 - 立创开源硬件平台软件开源链接https://gitee.com/louisaerdsai/MSPM0_IMU.git

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