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[建造日志] 【MechBattle建造日志】追猎者战队【Aiden出品】 |
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本帖最后由 角斗士_aiden 于 2019-7-28 21:40 编辑 大家好，首先我来介绍一下自己，我是角斗士俱乐部的Aiden。我们角斗士参加格斗机器人比赛，将近要一年了，图1-1 1-2所示。这17年中，一共举办了三站国内赛事，我们在羽量级中，三站我们拿两冠一亚，以及其他大大小小荣誉，算是颇有成就吧，图1-3所示。 MechBattle第三轮比赛视频  图1-1 极战秋季赛九龙山站角斗士全队合影  图1-2 左侧 不死鸟 右侧 黑豹  图1-3 2017年荣誉展示墙 我是在17年过年的时候从圈内好友这边了解到了DF社区举办的第一届mini格斗人的比赛。我个人非常感兴趣，于是准备在过年的假期中设计出一台机子来参加比赛。当时我基本没有过多的想法就确定了想要做的武器类型，就是竖直旋转武器，电机内置在武器里面，因为想要尝试一下这个大胆的设计。这个想法来源于17年底在海南举办的世界杯总决赛，当时看到两台荷兰队伍的机子非常的让人惊艳。分别是Bon-X队伍的Catharsis，图1-4所示以及Metal Skull的Equinox，图1-5所示，我当时看到的感觉那是一种将传统动能武器类型机子结构以及电路系统优化到很高层次的展现。我非常的喜欢，所以借用这次机会也想尝试一下这个新思路。  图1-4 羽量级13.6kg Catharsis转自Bon-X 的Facebook  图1-5 羽量级13.6kg Equinox转自Metal Skull 的Facebook 题外话不多说了，这次的主题是角斗士-追猎者战队2kg格斗机器人，机子整体设计思路走高机动性，搭载威力不俗的动能武器，扰敌进行攻击，图1-4所示。下面我会三个板块（机子设计篇、加工篇以及装配篇）来进行介绍。  图1-4 甲虫级2kg 角斗士-追猎者 一． 机子设计篇 一般格斗机器人主要分成行驶模块（电机 电调 传动 轮子）、武器模块（电机 电调 武器）、框架护甲模块以及能源模块（电池 接收器 接头），请记住这简单的“30-30-25-15原则”。（详细教程请看Riobotz格斗机器人教程）这是一个非常中庸的比例，等你熟悉后可以在这基础上你根据自己的设计意图来改变这个比例。一般大家都会喜欢堆武器的重量以求更大的破坏力，但请记住你的框架结构一定要有足够的强度能够承受住你的各个系统模块，否则很容易因为自毁而失去移动能力或者武器失效。稳定性在格斗机器人中个人认为是最重要的一个指标。 在设计开始之前第一步要先选择好：行驶电机、行驶电调、武器电机、武器电调以及电池，在选择好后，你可以尝试搭载一个试验机出来试验系统的稳定性，确保电路系统是否稳定可用后，再去设计你想要做的格斗机器人。我认为甲虫级并不是一个重量很宽裕的级别，所以选择外购件时要选择结构紧凑的元件，必要时可以去除元件上一些不必要的零件以减少重量保证结构的紧凑。 （1）行驶系统 我选择使用无刷电机来作为行驶电机，相比有刷电机，其结构体积小重量轻功率密度大，但在操控方面无刷比较难以控制。有刷相对来说比较可控。因为是两种不同类型的电机，特性曲线不同。无刷起转速度快，起步容易窜出去，可控性差。建议新手选择有刷当行驶。虽然我从来没有在正式比赛上当过操作手，但人嘛总要进步，为了结构紧凑，突破一下自己的操作。我在选择的无刷电机也找了相当久，不是kv值太高就是体积太大，最终找到了一个最合适的的规格新西达无刷电机A2208，不过需要改下出轴就能使用，图2-1所示 ，重量上比甲虫级常用的有刷电机370上，图2-2所示，在重量上可省下8g的重量，而且体积小在空间上又可以省去一部分的重量，基本我算下来可以省下来40g左右的重量。   图2-1 新西达A2208 图2-2黑皮370 接下来是行驶减速器的选择，电机直接驱动轮子是个不是很可行的方案，原因其一转速太高根本没法操控，其二电机直连扭矩太小，就算带的动也是小马拉大车，很快电机就会烧了失效。所以要加个减速器来降低转速提高扭矩，在甲虫级别格斗机器人用的减速器一般使用行星减速器类型，图2-3所示，其结构能够承受大冲击载荷，结构体积小，降速比大的优点。也有用多级齿轮减速器的，图2-4所示，其齿轮模数大，轴向体积小，也具备行星减速器的优点，看自己如何去选取了。甲虫级激烈程度毕竟小，因此减速器直连轮子就可达到避震的效果。我这边选择24规格的二级行星减速器，减速比1:19，图2-5所示，额定扭矩负载0.4Nm，瞬间允许扭矩负载1.2Nm，那基本上可以很轻松的胜任行驶的任务，对于我设计的类型机器人比较合适。   图2-3 行星减速器 图2-4 多级齿轮减速器  图2-5 24类行星减速器性能参数 接着是轮子的选择，轮子一定要很好的耐冲击能力，要是被击打到，失去轮子丧失部分机动性就意味着你可能有大概率会输掉这场比赛，沦为靶机的下场。因此选择轮子也绝对不能含糊。看了市面上的轮子，基本都是塑料居多，也有不少铝合金轮毂的轮子，我这边先初步选择D65mm直径的铝合金轮毂子，毕竟金属的强度要比塑料高出不少。有这三个外购件后，再进一步选择详细的规格。我想要我的机子最高行驶速度可以达到15（m/h），这个速度可以给我的机子带来比较高的机动性但也对于可控，为了驰骋和漂移！！！首先呢，我想要试试让自己机子功率更高，想要上4s的电压，4s锂电池充满电后，基本在16.2v左右。由此我可以算出理论电机转速，我先初步选择kv值1400的规格。N为电机转速、T为kv值、U为电压。 N=TU=1400*16.2=22680 （rpm） 有了电机转速值后，再给推荐给大家一个很简单的计算行驶速度的公式。S为行驶速度（m/h）、R为轮子半径（m）、N为电机转速（rpm）、I为减速比。 S=0.377R*N/I=0.377*0.0325*1400*16.2/19=14.63（km/h） 计算结果基本接近我的要求，实际加上摩擦损耗系数峰值行驶速度有13.5（km/h）以上的移动速度就很不错了。这三个型号元件初步选型就定了，图2-6所示，其实这个计算不是一次成功的，我也是调整了2次的数据才确定了这个理论行驶速度，大家可以根据要求去选择计算。  图2-6 追猎者行驶模块总成 最后确定行驶电机无刷电调的型号，作为行驶电调，基本的要求电机可正反转双向控制，稳定性好，根据这个要求去市面查找合适电调。根据我选择的电机：新西达无刷电机A2208 1400kv、 最大电流16A、支持电压范围2S-4s。根据最大电流和支持电压范围去合理的选择电调，请记住格斗机器人在操作时，会非常地频繁正反转的，无论有刷还是无刷电机起步时电流和发热量都相当大，就造成了明明你选择电调是正好与你的电机功率匹配的，但因为频繁正反转，而导致持续升温，最终烧毁电调元器件失去行动能力。因此在选择电调要比电机的峰值电流再大1.5倍或者2倍，再者搭配合理的操作，那就基本上不会出现烧电调的问题。我查下来两款无刷双向电调比较合适甲虫级的格斗机器人。分别是黑翅单双向无刷电调30A电子调速器机和镁酷双向无刷电调30A电子调速器，图2-7所示，两款都是额定持续电流30A，基本大于电机峰值电流的1.5倍，体积也小，占空间率不大。这两种我都测试过，电调mos管也基本差不多，行驶这套系统元器件可买回来，搭载一台试验机，给予其负载3.5kg来测试行驶系统是否稳定，来验证理论计算以及元器件选型是否可行。我试验下来非常顺利，试验机在负载3.5kg，运行5分钟，行驶速度和理论速度基本相差不大，在14km/h左右，频繁正反转电机升温不明显，电调温热可持续工作。那这套行驶系统基本可以使用。  图2-7 上方为黑翅无刷双向电调30A、下方为镁酷双向无刷电调30A （1）武器系统（武器内置电机） 比赛结束，很多人都来问我“你的电机是怎么放到武器里的？”，相信这篇段是大家最关心，那这篇我会尽可能详细讲解一下我的思路。 在开篇中我已经说过，是荷兰的两个队伍给了我这个新的思路。首先，武器电机内置只能选择无刷外转子电机，靠电机外转子与武器内壁连接，带动武器选择。那荷兰人是如何做的呢，得先了解一下。在世界杯总决赛海南站结束后我在Facebook上就一直在关注，荷兰人的动态了解他们机子武器电机内置的结构。在本篇只讨论其武器内置结构。 Bon-X队伍的Catharsis 这台机子是一台很独特的大竖转机子。武器电机的选择是一大直径扁平型的用于比较大型的模型直升机的无刷外转子电机，图3-1所示。直接根据这个电机内置在武器里势必会浪费相当大的空间，还要给不需要的留出大量的空间，因此他将外转子磁钢以外的部分全部切除，转子的固定轴卸去，磁钢片上涂抹环氧树脂，提高磁钢的强度，图3-2所示。外转子固定在采用hardox 450材质的武器上自己设计转子固定架，图3-3所示。轴承采用大直径大承重载荷的深沟球轴承，整体武器模块相当的紧凑化，最后设计一对能够承受大载荷的武器固定架，图3-4所示，Catharsis的武器直径非常大且重，在武器对刚的情况，有着相当大地优势。  图3-1 模型直升机用无刷外转子电机转自Bon-X 的Facebook  图3-2 改制后的无刷外转子电机转自Bon-X 的Facebook  图3-3 改制电机与武器装配转自Bon-X 的Facebook  图3-4 武器模块总成转自Bon-X 的Facebook Metal Skull的Equinox 和Catharsis不一样的结构设计，他选择了短长的非固定翼无刷电机来进行改制，魔改思路一样把转子轴去除，图3-5所示，同样车去外转子磁钢片以外多余的部分，使得结构更紧凑。外转子固定在铝合金制的非攻击结构滚筒上，两侧安装采用hardox 450材质的单牙武器，圆锥滚子轴承承受大冲击载荷，铝合金有一定吸震能力，降低磁钢碎裂的可能性，同样磁钢片上也涂抹了环氧树脂，提高磁钢的强度。利用双刀单牙武器配合高机动性进行攻击，武器动能非常可观。  图3-5 无刷转子固定方式转自Metal Skull的Facebook  图3-6 武器内置电机总成转自Metal Skull的Facebook  图3-7 Equinox所有部件展示转自Metal Skull的Facebook 角斗士-追猎者 我看了这两个内置武器的思路相当的佩服，设计的非常地好，看过他们的对战视频，基本没有出现过武器电机磁钢碎裂而武器停转的。借鉴了他们的思路，我经过一番思考也想好了我武器内置电机的思路。首先，我选择无刷电机是天蝎星3020 kv值1000的，图3-8所示，重量152.6g，二手货淘了一个，价格500元左右，占总重量的7.63%，我认为这个重量方面占比很少，就算有问题可以靠结构减重来弥补。   图3-8 天蝎星3020 kv1000 电机的参数性能都非常的可观，图3-9所示，在4s电压、滚动摩擦的情况下。带动一个1kg的物件，基本很轻松没有任何负担。基本初定就是这个规格电机了，先根据这个设计，如果不行的话再改电机规格。武器电调选用好盈无刷电调天行者60A，天蝎星电机的峰值持续电流45A，武器电机的电调基本只要比电机电流大1.3倍以上，合理的散热，再加上合理操作推油门，基本不会因为升温而程序电调保护或者烧电调。  图3-9 天蝎星3020 性能参数  图3-10 好盈无刷电调天行者60A 现在有两个思路一个是学荷兰人拆转子轴，改外转子。另一个是直接电机拿来用，内置在武器里面。哪个比较好呢，我一开始是想选择第一个思路的，但也遇到很多问题，拆转子会不会拆坏？漆包线会不会压断了？会不会把硅钢片拆变形了，车去外转子的时候会不会因为震动造成磁钢片损伤？武器加工的同轴度高不高？这一系列的问题，都有很大的风险存在。其实最大的问题还是武器加工的同轴度，其精度势必会影响电机的气隙的，从而降低性能。再者一个改制电机和不改制电机重量的问题，其实在甲虫级中我认为倒没有羽量级差异那么明显，改制电机加根铝轴的重量和省出来的重量差异不大，这是铝轴的重量29.521g， 图3-11所示，这是电机的前盖重量19.97g，这是电机外转子去除的重量17.4g，总共省去37.37g，图3-12所示。  图3-11 铝轴理论重量   图3-12 电机去除部分理论重量 当然这只是理论，我也是只是简单的算下。铝棒的重量基本可以确定，和实际重量不会差异性太大，改制电机的重量我统一材料定为铝合金7075的密度，当然当中还有跟钢轴会增加一些重量，但我实际电机的减重结构没有画出，综合一下我估计实际40g样子就差不多了。有兴趣的朋友可以帮忙测试一下，到底可以省出来多少g？那基本按照我的推测能够省出来10g左右，为了10g冒着风险去影响电机的性能以及精度，我觉得划不来。我个人比较在乎精度，因此我决定不改电机，直接套在武器里，根据这个电机的尺寸去设计武器。原电机轴后端不出轴改为出轴，左右两端各加一个轴承，可得到更大的承载力，进一步保护电机，左侧利用电机原有的螺纹孔，限制住电机转动的自由度。电机固定的方案大致就这样定了，图3-13所示。  图3-13 电机固定方案 然后是武器的设计方案，武器采用单牙的整体式设计，相比双牙攻击效率大大提高，一体式设计也保证了强度。武器材料为40CrNiMoA，热处理后表面硬度控制在44HRC左右。这个材料是高强度合金钢，热处理后具备很高的强度，而且耐冲击性能相当好。武器左右采用大承载的深沟球轴承，电机多余的部分设计个挡块来限位垫出来，图3-14 3-15所示。  图3-14 武器固定方案  图3-15 武器固定方案侧视图 规格是内径30外径47宽9mm，理论额定动载荷有8.05KN。换算成重量是2kg的410倍，基本上在2kg这个级别，想要毁掉这两个轴承基本是不可能的，武器的稳定性非常重要，好的稳定性可以利于不败之地。通过简单的计算知晓我武器在峰值转速15580RPM下动能有670焦耳。这个程度的动能可以很轻松的把一个2.5kg击飞1米的高度，详情看附件视频。在比赛中也将一横转机子击飞2米远，图3-16所示。  图3-16 武器动能理论计算 我选择用7075铝合金作为武器固定架的材料，再设计一个连接件将两固定架连接在一起，防止受击打左右固定架右足够的强度不会变形，铝合金是作为格斗机器人用结构件相当好的一种材料，然后一番设计结构减重过最终整个武器模块的重量为990.38g，整个重量占比在49.519%，图3-17所示，个人觉得优化的差不多了，但还不没有达到最高，再高加工费用有点承受不起了。  图3-17 武器模块理论重量 经过以上的设计，行驶模块和武器模块就初定了，接下来是电池的选型。电池选型主要以下几点要求去选择：1. 根据建造规则，电池电压的选择上限。2. 保证可以运行比赛时间结束，一般比赛时间为3分钟。3.根据选择的行驶电机的功率和武器电机的功率。 （3）电池选用计算： 1主武器无刷电机天蝎星3020 1000kv 最大电流：45A 最大持续功率：1050w 2.驱动电机无刷电机新西达 A2208 1400kv 使用2个驱动电机带动， 最大电流：7A 最大功率：104W 因此，选用电池必须保证两项过载电流总和：45A+7A*2=59A 选用电池保证可以提供电流为大于59A为宜。 初步选用电池4S（14.6V） 1550mAh 70C 电池容量H ：1550mAh 放电电流C：70C 最大放电电流为： 1550×70=108500ma=108.5A 一个1550mAh，额定电压14.6V的电池给一个最大功耗1050+104*2=1258w，电压14.6V的用电设备供电，它理论的使用时长为： I=P/U =>1258w/14.6 =>86.164A => 86164MA 1550mAh,就是1550MA电流可以放电一小时。 1550/86164=0.0179小时=1.08分钟 全负荷运作下可以坚持1分钟左右，但实际不会这样去做的，武器起转后我会推到40%的油门怠速省电，需要攻击的时候再去满油门，行驶电机方面也是靠操作去省电，能够用掉40%的功率就很不错了，实际的电池消耗时间是 实际功耗1050*0.4+104*0.4*2=503.2w I=P/U =>503.2w/14.6 =>34.466A => 34466MA 1550/34466=0.045小时=2.7分钟 这个结果基本够用了，自己操作上注意一下省着点开问题不大。这个在平时测试和比赛中已经做过实测，没有问题。这块电池的实际重量是178g，占比重8.9%。再大一规格的话重量方面就比较吃紧了。确定最终选择达普的航模锂电池4s 1550mAh 70C，图4-1所示。  图4-1 达普锂电池 4s 1550mAh 70C （4）整体结构设计 所有的模块都已经选择完毕了，接下来进行测绘，布局。整个的布局思路就是越紧凑越好，武器电调我布局离武器最近的位置这样接线更短减少电阻损耗，利用上方的空间放置接收器，紧挨着的是行驶模块，轮子的轴心一定要尽可能的靠近整个机子的重心。不然很有可能会因为轮子摩擦太小，在原地打滑，因此轮子合理的布局非常重要。我整体结构设计思路就是非重要结构采用3D打印，底板采用铝合金板2.0，前侧使用斜护甲不锈钢板1.0，打击时可卸去一部分冲击力，上盖板使用PC板，图5-1所示。  图5-1 追猎者总装配体 行驶电调同样利用高度空间的布局，放置在行驶电机的上方。但因为是外转子电机，电机外壳在运行中是转动的，电调不能够直接贴着电机，所以我设计了一个电机保持架这样可以把电机和电调隔离开来，图5-2所示。  图5-2 追猎者元器件布局三维剖视图  图5-3 追猎者3D框架固定方式  图5-4 机子行驶干涉分析图 3D打印件最大的优势可以结构复杂化，可以不用关心加工成本，为了让武器电机线与电调连接我设计了一个穿线通道，再利用榫卯结构与武器模块连接，再三点固定螺丝锁紧，上下板螺丝固定，要考虑各个方向受力，不能受冲击散架，图5-3所示。电池布局在行驶模块后方也给行驶轮加了一个配重，进一步防止轮子打滑。最后是各个系统接头的问题，因为保证紧凑化，所以各个接头都采用体积较小的香蕉接头，电池开关插头我本也想用香蕉头，但怕现场可能存在的紧张正负极接错短路就很麻烦了，所以采用了T型插头，注意要采用防滑型的T插，一般T型插头存在可以脱开的风险。最后还有一个小技巧分享给大家，设计两块板约束在自己的机子上，观察自己的机子是否正反两面都能开，有没有死点，图5-4所示。因为文件太大附件上传不了我把追猎者的三维模型，放到百度云里（https://pan.baidu.com/s/19MZ07JX0wXUaa-Qm29_lQw 密码：b6sp）有更多的细节，感兴趣可以下载。稍后还有加工篇和装配篇分享给大家，请各位敬请期待，谢谢大家阅读。 加工篇 本篇主要简单地介绍一下追猎者部分零件图纸，其中机加工类和钣金类的出图、尺寸标注、技术要求以及我自己3D打印机的使用，中间穿插一些设计思路其中，让一些没有接触过机械的但又感兴趣自己想做的朋友也能够完成简单的出图。 一.机加工 1.武器部件 首先是确定材料，材料与设计密切相关，什么材料选什么样的结构设计思路和加工工艺。一般动能武器的加工工艺基本是线切割武器外形轮廓，再机加工其他尺寸。武器的外形轮廓可以保存一份dxf格式，以供线切割编程使用。尺寸的标注一般先将形状尺寸标注出来再标注，注意与其他零件配合的尺寸要标注公差保证能够顺利装配，图6-1所示。技术要求方面，我武器部件的材料为40CrNiMoA合金结构钢，这种材料通常被用作要求高强度、高韧性、截面尺寸较大的和较重要的调质零件等。不做热处理的话，材料很“软”，受冲击载荷就会发生变形，因此我在技术要求上写明要做调质处理（淬火＋回火）再者回火表面硬度控制在HRC44左右），使得材料具备良好的耐冲击性能、强度以及硬度。武器的动平衡非常的关键，动平衡好在运行时机身不会上下抖动，影响打击效果以及操作，为此我标注同轴度确保武器电机外转子带动武器时，电机外转子和轴承在“一条直线上”。但这动平衡并没有想象中的那么高，这毕竟不是高速切削电主轴这类需要高要求的标准，只要武器运行起来平稳抖动基本无就可以了。  图6-1 武器部件图纸 2.转鼓架二 图6-2所示，对于一些复杂的机加工零件，就要提供三维模型了，最好给予加工厂stp的三维模型格式，以兼容各个三维软件，导后处理程序。但这并不意味不用出图了，对于关键的尺寸必须标注出来，比如孔距位置，凸台圆的尺寸以及公差等。减重的结构可和与供应商沟通让其通过后处理程序加工出来。然后在一些关键的尺寸但不怎么显眼的可以在边上写段文字表明尺寸的重要性，因为加工厂的师傅很辛苦天天都要看很多的图纸，如果图纸表达的不清楚，难免会造成漏看，漏掉重要的尺寸。所以着重注明是很有必要的，刚毕业出图的时候也走过很多弯路，这是我以前公司老领导教给我的，非常的实用也教会很多其他的知识，非常感谢他。图纸标注完成后，可在技术要求里面写明尺寸标注说明。  图6-2 转鼓架二图纸 二．钣金件 1.前侧护甲右二图纸 图6-3所示，钣金类的出图就比机加工的简单多了，尺寸标注重点着重于折弯尺寸，以及孔位尺寸，外形尺寸如果不重要的话可不标注。钣金的展开图dxf格式提供给供应商以便导加工程序，图6-4所示。  图6-3前侧护甲右二图纸  图6-4前侧护甲右二展开图纸 2.底板 图6-5所示，这类型的钣金件出图就更简单了，基本只要给予供应商dxf格式的图纸就可以了，但是重要的尺寸必须标注出来，万一尺寸有问题还可以有和供应商沟通的根据，图纸表达的不清晰，是出图者的问题，有问题也只能自己吃下。  图6-5底板图纸 以上就是本次加工篇的分享，写的比较简单，觉得那些有问题的可以留言，我会继续补充，谢谢大家的阅读。 |
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真的写得超好，我相信大家也看到了你对这台机器人的心，对这篇文章的心，说实话我自己也真希望大家都能像你一样敢于将自己的技术奉献出来，让我们格斗机器人这个圈子发扬光大。。。。真的很感谢你，还是很期待你后面的分享！ 相信比赛的时候也暴露了些问题，你自己可能更清楚，我仅发表一下我自己的看法，你的机器人设计方向就是攻击是王道，那么你的弱点就是你的防护了，前面的装甲不够厚，加上内部的3D打印结构件，在后面很快发布的你对战Diablo的那场其实你的机器人几乎被拆了。。。。不知道你后面的机器人设计，会有什么改进方向，还真的很期待的！ 看到你的内部构造图，发现其实好多电子元器件，就像之前群里大家说的，你们的机器人连内部走线都考虑得很仔细，可见你们角斗士是何等的一只强对啊！！！！！66666666，下次比赛，一定跟你再干一场！ |
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