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十九届智能视觉组结构开源（六机械臂+三分类）

十九届智能视觉组结构&硬件开源（六机械臂+三分类）

背景

第十九届全国大学生智能汽车竞赛将于2024年暑期举行， 竞速比赛规则已于2023年11月公布。竞速比赛分为8个赛题组，其中“视觉组” 具有更加复杂的机器视觉处理和模型车运动控制任务，因此通常需要制作结构。
本文总结历届特殊结构的开源网址，并给出自己的一套垃圾结构。

历届结构

目前常见的结构大致有以下几种：

  • 单搬车：详见B站：逐飞科技 第19届 智能视觉组 逐飞演示车模 运行演示
  • 凤凰车：详见B站：冷凤-Phoenix 17智能视觉 “凤凰结构”四分类方案开源与机械臂动作讲解
  • 卡片收集盒：详见B站：只会摸鱼的False 18届智能视觉赛区赛寄录
  • 双头凤凰车
  • 摩天轮结构
  • 南昌结构
  • ……

（一时半会找不到其他结构和相关开源了，欢迎补充）

开源网页

开源链接: https://pan.baidu.com/s/1mLZOnUKCllSWfU5X8tfWbw?pwd=jj5c
提取码: jj5c

结构设计

设计思路

根据赛题要求，将赛题分为两个部分：随机点和固定点（环岛和十字）。

  • 随机点数量多，从取到放可能需要经历固定点，因此需要分类装置。（题目要求）
  • 固定点数量少，从取到放不会经历随机点，因此希望减少多次取放的步骤，也就是六个机械臂拾取六张。（题目要求）
  • 减少纯舵机构成机械臂的舵机个数，因为舵机的精度不高，级联误差传递会导致难以控制。（个人经验）
  • OpenART和MCXVison等图像识别摄像头平行于赛道，减少图像处理难度。（个人经验）
  • 减少车体旋转的次数，我们实验室对陀螺仪的解算还难以达到随心所欲。（个人原因）
  • 减少识别卡片后的车体调整距离。

总结上述想法，发现机械臂旋转而分类装置不旋转不失为一种优秀 （可能吧） 的想法。

整体结构

主视图：前视图
左视图：
左视图
右视图：
右视图
俯视图：俯视图

结构计算

分类盘

分类盘以紧贴赛道边缘的两张卡片中心点为直径，构成一个圆，在该圆上每 

  1.      60 
  2.     
  3.    
  4.      ° 
  5.     
  6.    
  7.   
  8.     60° 
  9.    
  10.   
  11. 60°标记为圆心，以此圆心做圆，则为卡片盒位置。

已知赛道宽为 

  1.      450 
  2.     
  3.    
  4.      m 
  5.     
  6.    
  7.      m 
  8.     
  9.    
  10.   
  11.     450mm 
  12.    
  13.   
  14. 450mm，卡片为 
  15.  
  16.   
  17.    
  18.    
  19.      120 
  20.     
  21.    
  22.      m 
  23.     
  24.    
  25.      m 
  26.     
  27.    
  28.   
  29.     120mm 
  30.    
  31.   
  32. 120mm的正方形。可以计算得到卡片盒的直径应当至少为 
  33.  
  34.   
  35.    
  36.    
  37.      180 
  38.     
  39.    
  40.      m 
  41.     
  42.    
  43.      m 
  44.     
  45.    
  46.      > 
  47.     
  48.    
  49.      120 
  50.     
  51.     
  52.     
  53.       2 
  54.      
  55.     
  56.    
  57.      ≈ 
  58.     
  59.    
  60.      169.68 
  61.     
  62.    
  63.      m 
  64.     
  65.    
  66.      m 
  67.     
  68.    
  69.   
  70.     180mm>120 \sqrt{2} \approx 169.68mm 
  71.    
  72.   
  73. 180mm>1202​≈169.68mm。

设计草图如下所示分类盘设计草图
具体模型详见俯视图

旋转盘

首先是确定主支座和旋转盘之间连接器件的选型问题。
旋转盘X轴、Y轴方向由滑环锁定，旋转盘的Z轴由主轴支
座和推力轴承锁定。
主支座上方是主板盒，放置主板，下方是车轮驱动，不可避免需要较粗的空心部分过导线，因此针对此，需要选择空心的滑环和较大直径的推力轴承，最终选择了：

  • 滑环MT60130-P0410-S02
  • 推力轴承51114

接下来是针对旋转盘参数的一些计算。
旋转盘草图
对于上述草图，可以看出几个必然的等式和不等式，罗列如下：

  1.       { 
  2.      
  3.      
  4.       
  5.        
  6.         
  7.          
  8.           
  9.           
  10.             h 
  11.            
  12.           
  13.             1 
  14.            
  15.           
  16.          
  17.            = 
  18.           
  19.           
  20.            
  21.            
  22.              450 
  23.             
  24.            
  25.              m 
  26.             
  27.            
  28.              m 
  29.             
  30.            
  31.              + 
  32.             
  33.            
  34.              120 
  35.             
  36.            
  37.              m 
  38.             
  39.            
  40.              m 
  41.             
  42.            
  43.           
  44.             2 
  45.            
  46.           
  47.          
  48.            = 
  49.           
  50.          
  51.            285 
  52.           
  53.          
  54.            m 
  55.           
  56.          
  57.            m 
  58.           
  59.          
  60.            （赛题要求） 
  61.           
  62.          
  63.         
  64.        
  65.       
  66.       
  67.        
  68.         
  69.          
  70.           
  71.           
  72.             h 
  73.            
  74.           
  75.             1 
  76.            
  77.           
  78.          
  79.            = 
  80.           
  81.           
  82.           
  83.             h 
  84.            
  85.           
  86.             2 
  87.            
  88.           
  89.          
  90.            + 
  91.           
  92.           
  93.           
  94.             h 
  95.            
  96.           
  97.             3 
  98.            
  99.           
  100.          
  101.         
  102.        
  103.       
  104.       
  105.        
  106.         
  107.          
  108.           
  109.           
  110.             h 
  111.            
  112.           
  113.             2 
  114.            
  115.           
  116.          
  117.            > 
  118.           
  119.          
  120.            180 
  121.           
  122.          
  123.            m 
  124.           
  125.          
  126.            m 
  127.           
  128.          
  129.            （舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域） 
  130.           
  131.          
  132.         
  133.        
  134.       
  135.       
  136.        
  137.         
  138.          
  139.           
  140.           
  141.             h 
  142.            
  143.           
  144.             3 
  145.            
  146.           
  147.          
  148.            > 
  149.           
  150.           
  151.           
  152.             l 
  153.            
  154.           
  155.             3 
  156.            
  157.           
  158.          
  159.            + 
  160.           
  161.           
  162.           
  163.             l 
  164.            
  165.           
  166.             4 
  167.            
  168.           
  169.          
  170.            （希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方） 
  171.           
  172.          
  173.         
  174.        
  175.       
  176.       
  177.        
  178.         
  179.          
  180.           
  181.           
  182.             l 
  183.            
  184.           
  185.             1 
  186.            
  187.           
  188.          
  189.            = 
  190.           
  191.           
  192.           
  193.             l 
  194.            
  195.           
  196.             3 
  197.            
  198.           
  199.          
  200.            + 
  201.           
  202.           
  203.           
  204.             l 
  205.            
  206.           
  207.             4 
  208.            
  209.           
  210.          
  211.         
  212.        
  213.       
  214.       
  215.        
  216.         
  217.          
  218.           
  219.           
  220.             l 
  221.            
  222.           
  223.             1 
  224.            
  225.           
  226.          
  227.            > 
  228.           
  229.           
  230.           
  231.             l 
  232.            
  233.           
  234.             2 
  235.            
  236.           
  237.          
  238.         
  239.        
  240.       
  241.       
  242.        
  243.         
  244.          
  245.           
  246.           
  247.             l 
  248.            
  249.           
  250.             2 
  251.            
  252.           
  253.          
  254.            > 
  255.           
  256.          
  257.            200 
  258.           
  259.          
  260.            m 
  261.           
  262.          
  263.            m 
  264.           
  265.          
  266.            （步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间） 
  267.           
  268.          
  269.         
  270.        
  271.       
  272.       
  273.        
  274.         
  275.          
  276.           
  277.           
  278.             l 
  279.            
  280.           
  281.             4 
  282.            
  283.           
  284.          
  285.            = 
  286.           
  287.          
  288.            22 
  289.           
  290.          
  291.            m 
  292.           
  293.          
  294.            m 
  295.           
  296.          
  297.            （电磁铁尺寸） 
  298.           
  299.          
  300.         
  301.        
  302.       
  303.      
  304.     
  305.    
  306.      \begin{cases} h_1=\frac{450mm+120mm}{2}=285mm（赛题要求）\\ h_1=h_2+h_3\\ h_2>180mm（舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域）\\ h_3>l_3+l_4（希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方）\\ l_1=l_3+l_4\\ l_1>l_2\\ l_2>200mm（步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间）\\ l_4=22mm（电磁铁尺寸） \end{cases} 
  307.     
  308.    
  309.  ⎩⎨⎧​h1​=2450mm+120mm​=285mm（赛题要求）h1​=h2​+h3​h2​>180mm（舵机之间不能干涉，还需要留出舵机控制板的安装区域）h3​>l3​+l4​（希望上机械臂收回时，下机械臂能放在舵机上方）l1​=l3​+l4​l1​>l2​l2​>200mm（步进电机板在主支座中，因此需要保留必要空间）l4​=22mm（电磁铁尺寸）​

根据上述要求，其实旋转盘的参数应当已经基本无法调整了：
因为 

  1.       h 
  2.      
  3.     
  4.       3 
  5.      
  6.     
  7.    
  8.      > 
  9.     
  10.     
  11.     
  12.       l 
  13.      
  14.     
  15.       3 
  16.      
  17.     
  18.    
  19.      + 
  20.     
  21.     
  22.     
  23.       l 
  24.      
  25.     
  26.       4 
  27.      
  28.     
  29.    
  30.      = 
  31.     
  32.     
  33.     
  34.       l 
  35.      
  36.     
  37.       1 
  38.      
  39.     
  40.    
  41.      > 
  42.     
  43.     
  44.     
  45.       l 
  46.      
  47.     
  48.       2 
  49.      
  50.     
  51.    
  52.      > 
  53.     
  54.    
  55.      200 
  56.     
  57.    
  58.      m 
  59.     
  60.    
  61.      m 
  62.     
  63.    
  64.   
  65.     h_3>l_3+l_4=l_1>l_2>200mm 
  66.    
  67.   
  68. h3​>l3​+l4​=l1​>l2​>200mm，又因为 
  69.  
  70.   
  71.    
  72.     
  73.     
  74.       h 
  75.      
  76.     
  77.       2 
  78.      
  79.     
  80.    
  81.      > 
  82.     
  83.    
  84.      180 
  85.     
  86.    
  87.      m 
  88.     
  89.    
  90.      m 
  91.     
  92.    
  93.   
  94.     h_2>180mm 
  95.    
  96.   
  97. h2​>180mm，所以 
  98.  
  99.   
  100.    
  101.     
  102.     
  103.       h 
  104.      
  105.     
  106.       1 
  107.      
  108.     
  109.    
  110.      = 
  111.     
  112.     
  113.     
  114.       h 
  115.      
  116.     
  117.       3 
  118.      
  119.     
  120.    
  121.      + 
  122.     
  123.     
  124.     
  125.       h 
  126.      
  127.     
  128.       2 
  129.      
  130.     
  131.    
  132.      > 
  133.     
  134.    
  135.      280 
  136.     
  137.    
  138.      m 
  139.     
  140.    
  141.      m 
  142.     
  143.    
  144.   
  145.     h_1=h_3+h_2>280mm 
  146.    
  147.   
  148. h1​=h3​+h2​>280mm，而赛题要求 
  149.  
  150.   
  151.    
  152.     
  153.     
  154.       h 
  155.      
  156.     
  157.       1 
  158.      
  159.     
  160.    
  161.      = 
  162.     
  163.    
  164.      285 
  165.     
  166.    
  167.      m 
  168.     
  169.    
  170.      m 
  171.     
  172.    
  173.   
  174.     h_1=285mm 
  175.    
  176.   
  177. h1​=285mm，说明 
  178.  
  179.   
  180.    
  181.     
  182.     
  183.       l 
  184.      
  185.     
  186.       2 
  187.      
  188.     
  189.    
  190.      、 
  191.     
  192.     
  193.     
  194.       l 
  195.      
  196.     
  197.       1 
  198.      
  199.     
  200.    
  201.      、 
  202.     
  203.     
  204.     
  205.       h 
  206.      
  207.     
  208.       3 
  209.      
  210.     
  211.    
  212.      、 
  213.     
  214.     
  215.     
  216.       h 
  217.      
  218.     
  219.       2 
  220.      
  221.     
  222.    
  223.      、 
  224.     
  225.     
  226.     
  227.       h 
  228.      
  229.     
  230.       1 
  231.      
  232.     
  233.    
  234.   
  235.     l_2、l_1、h_3、h_2、h_1 
  236.    
  237.   
  238. l2​、l1​、h3​、h2​、h1​可变化的范围较小

综上，即为旋转盘的尺寸计算过程，根据该过程可以计算出相应尺寸。
为了增强旋转盘面的刚度和强度，选用了亚克力板作为板面，3D打印下方支撑盘（整体结构中蓝色部分），方便齿轮的制作和滑环的嵌入。
具体详见模型。

主支座

对于支座部分，由于已经有了上述的计算，因此尺寸部分基本上是已经定下来了的，也因为上述计算因此改变量不大。主支座
主支座2

  • 下层镂空，过电源线和信号线，以及留出空间给步进电机板安装。（为了防止步进电机板过热，开了两个 30 m m 30mm 30mm风扇，但实际发现主要还是给电机在散热）
  • 中层下开槽，嵌入推力轴承。
  • 顶层开十字，做成一个类似于榫卯结构，方便主板盒的正安装，另开四个螺丝孔，通过螺丝来硬连接主板盒和主板盒。（事实证明4根 12 m m 12mm 12mm的 M 3 M3 M3沉头螺丝可以承受整辆车的重量，也就是你抱着主板盒，仅靠这四颗螺丝抱起整辆车）
  • 主轴开 20 m m 20mm 20mm，过信号线和电源线。（这里有个小细节：信号/电源线一般都是接口粗，导线细，所以硬件在上下部分连接时候需要使用小接口的连接方式，比如FPC，4P及以下的的XH头）
  • 齿轮是找机械院的大佬画的，具体数据已经丢失了，所以这里就没法提供了。

主板盒

主板盒底部部分无非是契合即可主板就好，为了给电源线和信号线出线。
所有的出线分为以下五类。请添加图片描述
最重要的是上方给碳杆穿孔的位置的确定。
根据我们队做视觉同学的测算，OpenART和MCXVision使用90°的镜头时候，大致需要碳杆离地35mm。基于这个参数，可以推算整个碳杆结构的长度。
为了模型的好看和软件中的定义方便，我特意修改了碳杆的长度。
但在实际制作时候，不可避免有各种误差，可以将碳杆留长 

  1.      5 
  2.     
  3.    
  4.      c 
  5.     
  6.    
  7.      m 
  8.     
  9.    
  10.   
  11.     5cm 
  12.    
  13.   
  14. 5cm左右，以防止误差造成的问题。

结构总结

据此，结构方面的阐述基本结束。
如有不清楚可以看看模型或者找我问问（B站id：南某人急了【头像同CSDN】）
模型在重要参数上做到了一比一还原，应该（为了不说满）没有坑人的地方。
再简略描述下优缺点，给想要制作的同学提个醒。

优点

  • OpenART和MCXVision镜头完全水平于地面，因此算法方面要求较低
  • 机械臂正对卡片，简化了车体旋转的控制问题。
  • 整体结构对称，重心基本在车正中心，不会偏移。
  • 整体结构完全采用螺丝螺母铜柱作为连接件，不需要胶水等临时固定。

缺点

  • 车又大又重，运输较难。（理论上应当是超长超宽上不了高铁的）
  • 寻迹摄像头的前瞻量较大，需要一定的算法支撑。（我们队也是因为没有人会写巡线，抄的摄像头的代码但不会调参而G的）
  • 机械臂电磁铁的螺丝调平需要一点手感。（我的软件咋调咋不能用，也不知道为啥）
  • 步进电机板较小，绘制焊接较难，考验硬件的焊接。

硬件设计

电源信号拓扑图
以上是完整的硬件电源/信号拓扑图，所有使用的模块均在上方列出。
需要预先说明的是以下几点：

  • 因为实验室原因，因此电机驱动（桥）不会开源。
  • 因为原本使用双核心板的方案，因此需要两个屏幕（一个核心板一块屏幕）。后来改成开源的单核心板方案，但控制面板并没有修改。
  • 以下仅阐述关键的两块电路板，其余请自行查看开源文件。

步进电机驱动板

步进电机
步进电机采用DRV8825芯片驱动。
因为不允许使用成品闭环步进，所以要么使用开环步进，要么就使用NXP的MCU的闭环步进。

舵机主控板

请添加图片描述
舵机主控板采用PCA9685芯片作为信号驱动。
因此只需要核心板提供两根信号线（IIC），就能控制所有的机械臂舵机和电磁铁。

标签： 开源
本文转载自: https://blog.csdn.net/qq_62633876/article/details/140615110
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