ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计

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2020年8月17日 10时55分

在开始介绍本开源项目的机械结构设计之前,先和博友们用一篇博文分享一下机械设计工作相关的特点、性质。抛出结论:笔者觉得在机器人领域,机械结构设计基本上是决定一个产品能否实现或超预期实现预设功能的关键之一,因为一切上层软硬件都是基于机械本体完成的。

一、机械结构设计思考

机械结构设计是一种看着门槛比较低,实际上有需要非常专业的知识背景作为支撑,经过长期的经验积累才能成为合格的结构设计工程师,专业知识和经验积累同样重要,缺一不可。

 

博主有幸曾在某军工单位工作,恰逢单位和某研究所成立合作组研发一款高能粒子探测器,博主有幸独立负责整个探测器的机械结构设计工作,两年时间,亲手见证了一款全新的产品从无到有,从样机到量产的全部过程,感受颇多。机械结构设计看似门槛不高,任何人都可以指点出某个零件采用什么样的结构,但是这些“指导意见”一般不会考虑力学情况、加工工艺及成本、材料特性等等。因此机械设计工程师需要在自己独立思考的基础上做出判断,基于专业知识和经验做出最好的选择。

 

现在很多人愿意投入更多的精力投入到上层算法的研究上,对机械结构设计的重视程度不断降低,博主不敢苟同,优秀的结构设计可以在很大程度上决定一个产品的上限,如果辅以良好的上层算法则可以实现如虎添翼。优秀的机械设计是地基,它决定了以后楼层的高度,沙地上是起不来万丈高楼的。

 

例如,笔者曾经在某机器人公司做机械臂相关的研发的时候,发现机械臂本体存在比较严重的关节机械间隙和运动耦合现象,无奈只能花大量的时间在软件和控制算法上进行补偿和优化,效果仍然不尽如人意(真是搞死都不行 -_-||)。

 

再举个例子,某设计需求是全地形机器人,强调越障能力的全地形的适应能力,普通的设计方案就是四轮驱动+增高底盘+独立悬架+增大轮径等,如图1 中的A所示,更高级的设计则打破常规思路,采用钟摆式悬架+仿蜘蛛腿式自平衡机构+轮式四驱,如图1中B所示,这是法国某公司设计的四驱轮式车,越野能力完全超出了博主对轮式结构越障能力的想象,无需给出复杂的越障算法就在丛山峻岭中如履平地,如果辅助以高品质的越障脱困算法,简直美妙至极。

 

同样是独立悬挂+四驱,成本基本一致,越障能力高下立判,这就是机械结构设计的魅力。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图  ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(1)

 图1  A                                                                                       图1  B

 

二、机械结构设计基础

机械结构设计一般的流程如图2所示。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(2)

图2 机械设计一般流程

 

首先要明确的就是设计需求,在开始设计之前要做的一定是充分和全面的了解和制定设计需求,设计需求文件是一定要有的(不是口头描述与转达,是落实到白纸黑字上的输入文件),搞设计也和生活一样要有仪式感,输入文件是后续设计的依据,是一切设计的出发点,这个仪式不但不能少,反而要做细做全(博主是吃过亏的。。。),此外,除了特殊情况下不得不而为之,否则不要轻易大幅度修改设计输入文件,因为这可能意味着设计人员需要推翻之前的全部工作(可怕。。。)。

 

第二步是整体方案设计,这里整体方案设计是指比较详细设计方案。大的方面要做到设计形式和结构的确定(如足式机器人还是轮式机器人)、传动形式的确定(如齿轮传动还是带传动)、执行机构选择(如电机还是气缸)等等。小的方面要做完选型和计算,如齿轮设计过程中的计算,电机的选型与计算,甚至螺栓选型等。例如图3 是博主很多年前设计的一款仿生爬行机器人单元,在整体方案设计阶段就需要完成仿生足方案策划、传动形式的确定(蜗轮蜗杆),驱动单元的选型(某微型直流电机)以及整体尺寸设计方案。设计绝对不是凭空而来的,需要尽量做到有据可依,例如图2所述的仿生机器人单元中蜗轮蜗杆设计的基本过程为:

 

由于机构传递功率不大且速度较慢,因此选用阿基米德圆柱蜗杆传动, 精度为 GB/T 10095-2001。查国家标准确定蜗轮蜗杆中心距 a =12,传动比 i =8 且:

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(3)

 

蜗杆选材为不锈钢表面淬火,因尺寸很小,考虑到工艺性,蜗轮整体采用锡青铜。根据 12000小时的设计寿命和材料许用接触应力等基本参数可以计算蜗轮蜗杆的模数和分度圆直径, 详细设计结果如表所示 。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(4)

 

具体设计计算的过程参考机械设计手册,机械设计手册可是机械设计人员的宝书,概念了解一下(传送门)。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(5)

图3 博主多年前完成的仿生机器人爬行单元设计

 

第三步是三维造型设计,这一步是对上一步的进一步细化,每个零件(包括螺栓螺钉)都通过三维CAD工具完成三维造型设计,然后将每个零部件装配在一起,最后实现如图3所示的装配效果。由于有计算机和CAD这些辅助工具,机械设计难度已经大大降低了,老一辈的结构工程所全凭大脑里的三维构思完成三视图(博主见过几十年前工程师的手绘图纸,连同超标准的手写篆体的技术要求一起堪称艺术品)。

 

第四部是CAE辅助设计。这一步多年以前大概只能通过样机物理测试才能完成,现在包括有限元分析软件在内的工具使得结构设计优化提前完成,既提高效率也降低成本。例如图4是博主对自己设计的某零件利用Ansys进行力学分析过程的示意图,看起是否满足设计需求。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(6)

图4 利用Ansys对零件进行有限元分析

 

第五步是工程出图,这一步看似简单,仅仅是从三维造型转换成可以加工的工程图纸,但是同样的零部件,有些人一个视图就可以表达清楚,有些人则需要两到三个,有的图纸零件加工师傅一看一目了然,有些则会被零件加工的师傅跳着脚骂,这也需要经验积累,既需要了然出图的标准,有需要对加工过程和加工工艺有所了解,难度并不低。

 

最后一步就是加工完成后的样机试装、测试和不断地优化迭代,最终实现结构简单、成本可控、稳定可靠、功能完备的工业产品。

 

三、机械结构设计工程师

合格的机械设计工程师应该具备以下基本技能:

 

  • 扎实的力学基础(理论力学、材料力学等);
  • 机械原理基础。(机构学、动力学、公差配合等);
  • 机械加工基础,(加工工艺,加工方法车、铣、刨、磨、转、线切割、特种加工等);
  • 熟练计算机辅助设计工具(Solidworks、ProE、Ansys、AutoCAD等);
  • 某个专业领域的多年经验积累。(如真空机械、船舶机械、包装机械等,每个方向除了共性以外又有很强的特点,经验宝贵)。

 

如果是产品经理,上述的技能无需精通,但也要知道怎么回事,起码能基本看懂一张工程图纸,如图5 所示为博主以前绘制过的一个轴类零件的图纸,起码需要知道什么是轴孔配合,什么是形位公差与粗糙度,什么是剖面图,老师傅口中的一个丝到底是多长等等。

 

ROS系统玩转自主移动机器人(2)–机器人机械结构设计插图(7)

图5  轴类零件工程图示例

 

总之,专业的机械结构设计门槛并不低,而且很重要。

 

下一篇博文将详细介绍本开源项目的机械结构设计部分,并给出设计文件的下载地址。

 

<– 本篇完 –> 

 

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