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【RaspberryPi5开发板方案创意赛】树莓派5“解魔方机器人”---机械设计部分

考虑到 EEPW的各位工程师，大多是电子工程师居多，机械设计部分可能公司里有专人做这部分。但是对于我这个“解魔方机器人”而言，机械部分又是最最重要的，甚至比本次活动的主题“树莓派5”控制器还要重要，直接决定了机器人最终能否成功的上限！所以这部分还是要介绍一下，我尽量简略，给出一个大概能理解的概略 ~

1.1机械结构解析

1.1.1总体结构

机械结构是机器人赖以完成任务的执行机构。通常机械结构设计的好坏，直接决定了一个机器人速度、稳定性、精度、使用年限等性能参数的上限。自第一台解魔方机器人被设计出来后，相关科研学者设计了各种各样的用于解魔方的机械结构。本设计的魔方机器人使用的是其中的两臂结构，两臂水平放置，两臂夹角为90度，夹爪采用二指形式，外形轮廓为475×475×333mm，重量为约15kg。

本魔方机器人的总体结构如图1-1所示，主要由以下部分组成：1-铝型材、2-铝平板、3-全闭环步进电机、4-滑台固定座、5-联轴器、6-丝杆、7-滑台、8-全闭环步进电机、9-轴承座、10-联轴管、11-电机固定座、12-轴承、13-轴承内套环、14-连杆、15-导轨座、16-滑块、17-导轨、18-指（爪）、19-摄像头、20-魔方、21-LED灯，其中3-18构成一机械手臂总成，另一机械手臂总成结构与之相同；铝平板用来固定两个机械臂总成，并通过铝型材来支撑。

图1-1 魔方机器人结构图

全闭环步进电机（3）用来提供魔方夹爪开合动力源，全闭环步进电机（8）提供魔方旋转动力源。LED灯，为摄像头识别魔方信息提供良好的光线条件，更好的识别魔方的色块；机械臂和夹爪配合执行解魔方的各种动作；摄像头负责采集魔方各面信息。

4个摄像头分布在魔方的上下左右四个方位，其中左右两个摄像头分别同时采集两个面的信息，上下两个摄像头分别同时采集一个面的信息。4 个摄像头可对魔方6个面进行全方位摄取信息；LED灯分布在魔方上下左右框架的四个对角位置，灯光分布均匀。

  1.1.2机械手臂设计

机械手臂结构如图1-2所示，主要由3-18组成，其中联轴管用来连结全闭环步进电机旋转轴和导轨座；导轨固定在导轨座上，指（爪）与滑块固定并安装在导轨上；连杆通过滑动铰链连接指（爪）与轴承内套环，并固定在导轨座上，可绕导轨座上的固定轴旋转；轴承内套环与轴承内圈固定，并与连杆滑动铰链连接；轴承外圈与轴承座固定，轴承座与滑台固定在一起。通过全闭环步进电机（3）旋转带动丝杆滑台机构运动，通过轴承座、轴承、轴承内套环的轴向运动传递，进而带动连杆滑块机构运动，从而控制指（爪）的开合，实现魔方的松开和夹紧。通过全闭环步进电机（8）旋转带动联轴管、导轨座、轴承内套环、轴承内圈、滑块上的指（爪）一起旋转，从而实现魔方的旋转（拧动）。

图1-2 机械手臂结构图

其中轴承在此主要有以下两方面作用：传递轴向运动实现魔方的松开和夹紧；轴承内外圈的相对运动，实现魔方的旋转机构与魔方的松开和夹紧机构分体，两机构动作互不影响。

轴承座如图1-3所示，其一端固定在滑台上，另一端圆孔与轴承外圈通过紧固螺钉固定。

图1-3 轴承座

连杆如图1-4所示，连杆通过滑动铰链连接指（爪）与轴承内套环，并固定在导轨座上，可绕导轨座上的固定轴旋转。其上的跑道型结构可在矩形框中通过螺钉调节固定。

图1-4 连杆

轴承内套环如图1-5所示，轴承内套环与轴承内圈通过紧固螺钉固定，并与连杆滑动铰链连接。

图1-5 轴承内套环

指（爪）如图1-6所示，指（爪）通过螺钉与滑块固定，并于连杆滑动铰链连接。

图1-6 指（爪）

1.2主要创新点

1.2.1机械手臂夹持与旋转机构分体布局

根据轴承的功能特点，设计出机械手臂夹持与旋转机构分体布局，实现魔方的旋转机构与魔方的松开和夹紧机构分体，两机构动作互不影响；减小了魔方拧动的转动惯量，避免了夹持动力管线的转动缠绕，扩展了夹持机构的设计空间。

1.2.2两机械手臂水平布置

两机械手臂成90度水平布置，增加了初始徒手放置魔方时的稳定性、准确度，减少初始徒手放置滑落风险。

1.2.3机械手臂夹持机构采用全闭环步进电机为动力源

通过全闭环步进电机（3）旋转带动丝杆滑台机构运动，实现夹紧力大小、指（爪）开合行程的可调节，可设置初始徒手放置魔法时，指（爪）的开合程度，提高放置准确度，提高了机构的适用性。

1.2.4连杆的设计

设计的连杆上的跑道型结构可在矩形框中通过螺钉调节固定，实现指（爪）的对中位置调节，从而实现魔方旋转轴线的调整，保证了旋转的稳定性与拧动成功率。

1.2.5指（爪）的设计

指（爪）端采用缺口设计，方便摄像头全面快速准确识别各块颜色，同时指（爪）端套有防滑橡胶，提高了魔方复原效率与成功率。

1.3机械结构难点分析及解决方案

1.3.1 魔方滑动

魔方在被一机械手臂夹紧时，因为受重力的作用，会有一个旋转的趋势。在夹紧力不足时，魔方就容易转动。通常这种转动是不会自动修正的，则后续环节魔方会越来越倾斜，严重影响魔方夹持精度与稳定性，导致魔方复原失败。

对此，本设计采用有以下两种可解决的方案：

1.   增大夹紧力。本设计控制夹紧力的方式是调节滑台行程；

2.   增大指尖的摩擦力。摩擦力因素也是一个很大的影响因素，摩擦力小同样容易产生滑动，因此本设计在指尖处套上橡胶来增大它的摩擦力，取得明显效果。

1.3.2魔方夹持精度不高

由于一部分零部件是3D打印的，打印精度不高，还有部件安装时会有安装误差，所以夹持精度不高，影响到魔方复原的速度和成功率。对此，我们采取以下措施来提高夹持精度。

1、提高零件的加工（打印）精度，正确设置零件尺寸公差，合理控制打印速度；

2、提高装配精度，修配安装。

1.5小结

本部分帖子介绍了魔方机器人的整体结构，着重介绍了机械夹爪的组成和设计，还有设计结构时遇到的问题及解决方案，是很重要的一部分，关系到后面是否能执行动作完成魔方的复原。

后续继续跟大家分享 控制部分的方案......