如何造一台工程机器人(下)

这篇以取弹的过程为例,说说怎样通过机构实现各种不同功能。

动作分析#

随着比赛开始七分钟计时,只见工程机器人身上的机构伸伸缩缩,就把弹药箱里的弹丸倒进了自己的弹仓。
如果把这个动作放慢并分解,它一般是这样实现的:

可以看到几乎每一个步骤都有一个需要工程机器人实现的动作,比如「抬升」、「平移」等等;
而这些动作的实现方式是 「动力源 + 传动方式 + 运动限制方案」

实现方案#

在选择实现方案时,最常用的是以下几种方式:

1. 动力源#

电机#

电机的主要作用是产生驱动转矩,作为机械结构的动力源,常用来驱动轮组运动;也用在一些需要大幅度旋转的机构上,比如步兵云台的 Pitch轴 和 Yaw轴 等。
在实验室里,我们最常见的电机是DJIM3508 减速直流电机,此外还有GM6020M2006等。选择时需要注意电机的转速扭矩等参数是否符合使用需求。

气缸#

直线气缸是引导活塞进行直线往复运动的圆筒形金属机件,以「压缩气体」为动力源,驱动机构做直线运动。
常用的种类有「迷你气缸」「无杆气缸」和「双杠气缸」等,可以在 亚德客气动元件SMC模型数据库 下载三维模型,选型时最重要的两个参数是气缸的缸径行程

2. 传动方式#

带传动#

「同步带传动」通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动,其具有传动比稳定,结构紧凑等优点。我们常用在一些轴向空间受限的机构上,或者两个距离较远轴间的运动传递。
带传动在遇到大负载的时候容易打滑,在使用时还要注意张紧的问题。

链传动#

「链传动」是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。 与带传动相比,其不易打滑,作用轴的压力小;但是在中心距相同的情况下,链传动组的重量要比带传动大得多。

齿轮传动#

「齿轮传动」是由齿轮副传递运动和动力的装置,其传动比精确,结构紧凑,常用在距离较近轴间的传动。

采用方案#

如图是二代工程的上层取弹所采用的部分实现方案:

还有一些图中没有标注的动作:

  1. 抬升
    选择的是电机驱动的链传动,因为抬起整个上层的负载较大,采用链传动不易打滑。

  2. 扔出弹药箱
    使用直线气缸驱动的连杆机构实现弹药箱的弹出,气缸驱动的反应更快,符合使用需求。

  3. 伸出取弹机构
    采用行程275mm的直线气缸,以及抽屉导轨作为直线运动的限制,保证机构伸出后的下坠量在可接受范围(不会干涉资源岛)。

要注意的事情#

  • 理想的机构是简单,稳定且高效
    动力源和连接方式的不同,可以实现同样的效果。我们选择其中更简单的机构不仅是为了方便装配,这样也更方便排查问额。

  • 根据需求选型
    比如驱动取弹平移机构的电机和抬升上层的电机,前者对于速度的需求更大,而后者对于负载能力(扭矩)的需求更大,这时就可以根据不同电机的参数进行选型。

图中只列出了常用动力源 / 连接方式,建模时为了实现不同的动作,还会有更多有趣的机构。比如使用弹簧和扭簧提供的弹力,甚至是利用重力实现一些纯机械动作。使用仿真软件验证机构,或者看视频积累素材,都是扩宽思路的好方法。