机械入门｜那些看起来很牛X的机械结构，是如何设计的？

深圳市宝安区凯旋城老土

本期作者：RoboMaster机械工程师 罐头君
喜欢画图，更爱拧螺丝，机械使我快乐

在RoboMaster比赛上，机器人有各种各样的机械结构，像8个轮子的工程机器人



哈尔滨工业大学 工程机器人

头部结构繁杂的英雄机器人



华南理工大学 英雄机器人

还有抱着5个气瓶斜体爬阶梯的工程机器人



东北大学 工程机器人

甚至同一种功能的夹取装置，还有不同的设计：



两所学校的机器人的取弹机构

不同的机械结构会直接影响机器人的效率。该如何找到最好的方案？这就是机械中最最最重要的内容——机械设计。
什么是机械设计？

机械设计是啥？是根据使用要求，对机械的工作原理、结构、力的传递、材料等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述，以辅助制造。
说人话就是：我在家里想拿隔壁萝卜君家里的萝卜吃（这是使用要求），就开始动脑思考，还算了一下两家的路线（这是构思和计算），最后画图制作偷取的工具（这是转化）。



一个机械夹子

今天我来领大家入门机械设计，本文字字都是踩过的坑，句句都是流过的泪。可将手机调至静音，含泪阅读。
<hr/>入门：机械设计初体验

首先，机械的图纸不是地上捡来的，是需要自己建立模型的（建模）。
这里推荐一款普遍到烂大街的建模软件：SolidWorks，简单容易好上手，对于刚学画图软件的同学非常友好，适合做创新设计比赛。
还有一款叫Creo，拥有强大的曲面建模能力，需要更严谨的思维和规范的操作，适合曲面要求更高的产品。


接着，要加工零件，毕竟不是神笔马良，画出来就有。
我们DIY常用3D打印机和雕刻机加工。若是比赛和做产品，更多用的是CNC、冲压和压铸等。
3D打印机可以加工复杂零件，比如打个六角圆弧自带凹槽的弹仓。缺点是精度和强度不高。



3D打印零件

雕刻机可以雕刻平面，比如切个圆，钻个孔。但是，只有培训过的机械狗才能操作雕刻机，所以建议在X宝代加工。



雕刻机加工的零件

最后要了解基本的的紧固方式（比如螺钉）和传动方式（比如齿轮），再利用DIY工具，动手操作一番。
常用的DIY工具有螺丝刀、螺栓螺母和扳手，这些工具可以满足基本的连接需求。


通过以上工具，就可以自己加工和装配，搭建出简单的机器人啦。
如果想动手却没有加工设备，那就拆个电视冰箱过过瘾吧～不过前提是家里有矿，不怕挨打。
<hr/>进阶：设计要领

以上是最简单的入门，如果入完门你觉得“机械真有趣，我还有大把头发可以掉”，那么，硬干货开始了。
1. 系统设计

首先，做机械要有系统设计的意识，也就是大局观。
设计之前我们要：明确任务、分析需求、功能确定……设计过程要：提出方案、确定方案、选定材料、结构设计……最后还得：仿真、组装测试、优化总结。


这才是一套合理的流程啊朋友们！那些凭感觉设计，做到一半才发现：“糟糕，他要一个电风扇，我却做了一个风力发电机”的朋友，请好好反思一下自己！
曾经就有队伍在研发步兵机器人时，将底盘和云台分给两个人做，做完发现拼不到一起……真愁人，你说该拆谁的好 ？
2. 查阅资料

如果只是做个小木椅，那么随心做，如果想成为一名机械工程师，那请好好掌握一大波专业课，有：《理论力学》、《材料力学》、《机械原理》、《机械设计》、《工程材料》、《机械制造基础》等等。
在掌握课程后，就能够真正地踏入一个项目了。项目开始的第一步是收集资料，这是机械工程师必备的素养。
个人首推的参考资料是《机械设计手册》，这套手册可以说是经典中的经典，机械行业里的《新华字典》。



机械全套「劝退」指南

它包含了常用设计资料、机械零部件设计（连接、紧固与传动、轴系、支承等等）、流体传动与控制、机电一体化及控制技术、现代设计理论与方法等等。
基本常用的机械知识都能在这套手册里找到。
身为21世纪热爱上网冲浪的少年，还推荐上 “知网”和“万方数据库”。这些平台涵盖了国内外各类学术期刊、会议论文，读完能够提升逼格更好地做研究。


对了，还有个经验：搜不到信息时，可以减少关键词来扩大搜索范围，或者用相近的关键词，比如“发射结构”改成“摩擦轮挤出”。
如果想了解RoboMaster比赛机器人，还可以看看《机甲大师•精选机器人图鉴》：


图鉴精挑细选了比赛中优秀的机器人，解析了它们的结构和技术。简直是入门机器人、窥览强队技术的必备书籍。
另外还推荐一些网站和书籍。这两个网站主打知识共享，可以上传自己的模型图，也能观摩各路神仙的图。

• https://grabcad.com/
  
• https://www.pinterest.com/
  
• 《工程思维》、《机械设计实用机构手册》、《机械设计方法论》、《机械设计实用机构与装置图册》和《机械设计禁忌1000例》
  

网站页面

3. 确认需求

了解完任务背景和收集资料后，就可以确定需求了。
这是非常关键的一步，甚至危及生命。因为如果需求不明确，以后当了产品经理，是会被程序猿持刀恐吓的。
举个例子 ，在今年比赛中，很多参赛队惯性地认为英雄机器人必须登岛，就耗费大量的精力研发英雄登岛的机构。结果发现，英雄不登岛反而打得更好。



赛场上的英雄机器人

浪费人力物力，此为不仁，伤害队友感情，此为不义……（误）
想要正确认识需求，就要分清必达需求、最低需求和希望达到的需求。

• 必达需求：无论如何也要达到的，不然就撒手不干无法实现功能。
  
• 最低需求：各种限制条件，如效率、使用寿命等等。
  
• 希望达到的需求：有一定宽容余地，如好维修、方便操作和外形美观等。
  

根据这些需求，综合人力物力和资源，吾日三省吾身：功能能实现否，需求之间存在矛盾否，需求之间能被替代否等等。
举个栗子 ：2018赛季的工程机器人，必达需求是获取底层弹丸，最低需求是可以重复获取弹药箱，希望达到的需求是可以在6s完成登岛，20s内抓取10个弹药箱。



工程机器人取弹

这个过程建议列好需求分析文档，根据实际情况来改动项目。



我的需求文档

在分析需求时，切忌好高骛远脱离实际，比如机器人飞跃上岛……这事咱们5年内暂时别想了好吗？
只有稳扎稳打地实现机器人的每个功能，并做到极致的稳定，才是最靠谱的路子。
4. 方案设计

有了需求，就要开始设计方案了。如果说机械结构决定机器人身体的好坏，那么方案设计就是机器人的灵魂品质的高低。
在方案设计过程中一般有以下几个步骤：
1）集智法：团队提出多种方案，按照原动部分、传动部分和执行部分，分别思考讨论。举个简单的栗子 ：工程机器人抓取弹药箱时，气缸是原动部分，被推动的滑块是传动部分，爪子则是执行部分。
2）方案筛选和融合：根据提出的方案，评估每个方案的可行性，综合考虑人力、资金和可行性等问题，融合提炼出一个最终方案。
3）要点实现review：确定最终方案后，回头思考这个方案能否满足需求。
一个合理可行方案往往能够起到事半功倍的效果。再举个栗子 ：2018赛季，深圳大学的工程机器人登岛结构，拥有不同高度的辅助轮，可以适应各种阶梯，外框架可以伸缩抬升机器人，高效简洁，实在是高。



深圳大学的工程机器人

最后它也在登岛取弹的单项赛中成功夺魁，实在优秀。
那么对于机械新人，看到别人优秀的机械方案，能不能照抄呢？
其实，同类机器人的成功案例可以直接借鉴，不符合要求的就要改进。那些一味求新、把血泪经验弃置不理的极端行为，我们墙裂谴责！
5. 设计阶段

设计阶段就是，把脑子里不可描述的想法，转变成模型。基本原则是：明确、简单和安全。
这需要确定机器各零部件的材料、形状、尺寸、加工和装配，涉及到材料、工艺、精度、计算方法、实验等综合性工作。


过程主要有零件设计、部件设计和整体设计三个部分。
1）零件设计
零件设计主要有以下三个方法：理论设计、经验设计和模型试验设计。一般创新设计比赛过程中比较常用的是理论设计和经验设计。
设计零件时，要把握好每一个零件的强度和刚度，避免零件损坏失效。同时要考虑工艺性，降低零件的制作成本。熟悉加工工艺可以在这一方面有很多的帮助。
在满足上面两个条件的情况下，尽可能减小零件质量，避免材料浪费和减小整体惯性，改善机器的动力性能。
2）部件设计
部件设计时，要协调各零件的结构及尺寸，使零件构型合理。下图的错误示范，就是没考虑加工工艺，加工商看了是要打人的。


设计重要的机构时，还要做出简略的实物来验证可行性。曾经我就因为关键结构要重做，导致整台机器得大改。队友听了都想打人。
3）整体设计
整体设计时，要注意好每个部件的空间布局、部件之间衔接的位置，和线路布置的问题。
比如说英雄机器人，它有云台模块，底盘模块和取弹模块，如果制作这三个模块时，没有考虑整体设计，做完就会发现根本拼不起来。



英雄机器人的三个模块

只有确保部件之间的配合、零件轻量化，和保证足够的刚度强度，英雄机器人才能稳健有力，不易跑掉轮子和散架。
完成整体设计后，还有一个校核的步骤。我们需要校核主要零件，得到计算结果，发现“这个零件还不够完美”，再修改出一个更优的作品。因为每个零件的尺寸、位置和配合关系已知，作用在一个零件上的载荷也就基本可以确定。
身为21世纪热爱上网冲浪的少年，还会通过有限元仿真分析来校核。
它没有繁杂的计算，可以直接看出零件的受力情况和形变幅度，对于零、部件的修改提供参考。熟练的运用仿真协助设计，能节约人力成本和避免设计的误区。



有限元仿真分析

6. 打样测试

打样测试就是把机器做出来，测一下会不会翻车。（其实就是整机、零部件的强度、刚度和运转精度等方面的性能。）
验证一般有两种，一是验证某模块能不能顺利跑起来，可以用低成本的材料测试。例如用3D打印件代替受载荷较小的加工件，用价格和强度较低的玻纤板替代碳纤维板等。
像下图，一个复杂的扇叶模型，在测试时可以直接简化成一块玻纤板和几块铝板。



被简化的测试的机构

二是验证机器整体性能和寿命，这时就要完全遵照方案来制作机器，然后反复测试，看它能顶多久。
在比赛中，我们经常看到机器人“翻车”，上岛翻、下坡翻，被队友撞了一下也翻……其实只要有充足的测试，这些黑历史都可以避免。



机器人下岛时“翻车”

打样过程有一些血泪史，请大家牢记在心：
1）打样前一定要反复检查图纸，避免重要尺寸的漏标和错标。记得曾经有人把电路板的mm标成cm，最后收到一个比头大的快递，以及烧了一个月的生活费。
2）列好BOM表，明确零件加工的成本和数量，避免漏件。别装到最后发现少了某颗螺钉和螺母。


3）加工过程中要跟加工商保持沟通，保证零件的加工的准确性、精度和交期。
曾遇过一个加工商，最喜欢无视图纸的公差。所以每次拿到零件都要手动磨半天才能用，令人愤怒。
交期也很让人头冷，如果是5号交货，就要从1号开始催，一日三餐，一天三遍。（虽然催完5号也不一定能交，但是士气一定不能输）
4）零件回样之后及时验货，有问题就返厂。组装时注意装配顺序，记录设计不合理的地方，下次避免。
5）尽可能模拟机器的使用工况来测试。水下机器人就让它下水，空中机器人就让它上天，不要跟它客气。测完记得记录问题，为下次迭代做准备。
7. 总结优化

总结优化阶段主要任务是完善和扩大方案。而且，机器都由人来组装和操作，所以也得考虑人机交互的关系，来提高机器的效率和降低组装和维修难度。
好的机器作品往往不是一蹴而就的，总是经过几个版本的迭代，不断优化才能趋向稳定。
很多优秀队伍的机器人通常在比赛前2个月就完成了，经过长时间的测试和迭代，才能将机器性能推向极致，在赛场称霸风云。


希望未来的机械工程师们，好好学习，动手实践，争取早日设计出牛X的机械结构，把我摁在地上摩擦摩擦。

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