RM工程机器人设计思路及案例分享

写在前面

本文主要是我个人对RoboMaster工程机器人在设计上的一些设计思路的理解和对一些设计经验的分享，旨在和大家进行技术交流以及帮助有需要的队伍提高工程机器人的机械设计水平，起到抛砖引玉的作用，如有写的不对或者有不同见解的地方欢迎交流指正！

本人于2021赛季末开始参加RoboMaster比赛，刚开始主要做步兵机器人，22赛季完成了自研拨弹拨盘，中供弹云台，双舵双万向轮底盘的研发。后由于工程组人手紧缺，于22赛季下半赛季调去工程组，经过一个寒假加开学一个月终于完成了第一版的设计，问题百出，装出来之后压根用不了，后面学弟学妹一直在改图，在我堆的屎山上缝缝补补，最后上了场效果竟然还不错。分区赛结束以后我一直在思考第一版为什么会如此屎山，并着手设计22赛季国赛工程。在设计国赛工程时，自上而下的设计思路已经有了雏形，理清思路以后，从方案确定到设计完成大约花了两周时间，装配总体也比较顺利，不过由于超重阉割了部分功能，遗憾的是国赛取消，没有看到上场的效果。RM23赛季，我继续负责工程机器人的方案确定，框架搭建和底盘设计，一代工程是986mm高度空接+五矿工程+三级矿（最高难度是四级），二代工程是988mm高度空接+三矿+环高偷双银+三级矿。在家里测试效果都不错，但是上了场出了一些问题，导致最后的效果并没有打出来。RM24赛季，我在中科大负责了哨兵和工程的机械研发（原来是只做哨兵，后面是去工程救火），此时我的自上而下的框架设计方法已经非常成熟，哨兵设计用了一周，工程设计用了三天，加工装配差不多都是十天，最后上场的表现都很不错，分区赛表现中工程应该是除了中南以外最强的之一（当然中南能够做出最强工程说明学弟青出于蓝胜于蓝，是我最希望看到的）。

本文面向广大的工程机器人设计者，其他兵种的设计其实也可以参考其中的思路，然后我最希望的其实是能够帮助新队伍或者经验不足的队伍快速成长，因此我会先详细说明设计工程机器人的思路和方法，然后结合24赛季中科大的工程机器人做一个详细的图文设计流程，期间会穿插一些设计的经验。本文会写的相对详细甚至是繁琐，以求将所有细节讲清楚，阅读过程中如有觉得太拖沓，希望各位见谅！

中南大学FYT战队/中国科学技术大学RoboWalker战队

林鹏飞

2024.8.25

一、设计思路

在24赛季结束后，我与许多队伍的工程机械负责人交流过，感觉好多人从方案确定这一步就出了问题，导致整体设计思路混乱最后画不出来图或者是做出来效果很差。因此本文先从设计思路讲起，希望能够帮助大家理清设计的思路。

一个项目的研发是有固定的流程的，大致可以分为：需求分析 -> 方案调研 -> 方案构思与确定 -> 项目设计开发 -> 产品测试 -> 产品部署。所以，其实不管做什么，第一步，也是最最最重要的一步是需求分析。但是其实很多人经常会忽略这一步，上来就是方案调研或者方案构思，这其实是有问题的，尤其是对于工程机器人。因为工程机器人在场上要做的事很多，不像步兵或者是英雄，只要打弹丸就行。工程机器人需要取大资源岛，取小资源岛，兑换矿石，有些学校会考虑拖拽救援，环高偷矿，上台阶偷矿，大小弹丸补给等等。而取大资源岛也有很多种取法，如果不追求速度，可以用机械臂慢慢取，如果说要追求速度甚至是和对面抢矿，可能需要做一位两矿的快速抓取机构。小资源岛也是同理，是用机械臂抓，还是做一键三连的机构快速抓取。机械臂的构型就更多了，因此工程机器人的需求分析是至关重要的，如果没有很清晰的需求分析，那么在你看开源和构思方案的时候很有可能出现的一个情况就是，我想要这个功能，也想要那个功能，还想要加个这个机构，什么功能都想实现，画图的时候这里加一点，那里改一点，觉得可以加个功能，但是又影响到了另外一个功能，不得不阉割一些结构，缝缝补补，结果最后做出来一个什么功能都不完备的机器人，既取不了矿，也兑不了矿。所以为了避免这种情况发生，必须要在需求分析阶段就把你想要的功能定好，该取该舍在这时候就要完全确定。于是这时候又引出了另外一个问题，就是我怎么知道我的车能不能够同时实现这些功能，或者说，如果我在设计的过程中发现有些机构没法加或者加上以后干涉了怎么办，那不是还得把需求里的部分功能舍弃了。对于这个问题，如果你的功能比较多的话，那你可能需要把你的需求列一个等级，哪些是最核心的功能，必须得有的，哪些是二级的需求，预期里大概率是能实现的，哪些是锦上添花，有更好，没有也没事的。根据这个等级再去构思你的方案，先在你的脑海中想象出一个大致的形态。以本赛季的工程为例，我的需求分析中，操作手视野是优先于过隧道的功能的，因此最后把过隧道功能阉割了以满足开阔的视野。另外，需求分析是需要形成文字或者是表格的，这点非常重要，在你构思和设计的过程中，你需要经常去看看需求分析，以确保你的思路没有跑偏。图1是本赛季中科大的工程机器人的需求分析，可以看出我是把快速兑换五级作为最核心的需求的，最后上场的效果也是不错的，基本达到预定目标。

图1 中科大24赛季工程机器人需求分析

说完需求分析，接下来说说方案调研，方案构思和方案确定。方案调研主要是参考之前几届比赛中的一些开源或者赛场录像等，可以给你提供一些思路和灵感，也可以让你对你的方案会有一个怎样的效果有个预期。我个人认为不要只参考做的好的学校的方案，可以每个学校的都浏览一遍，或许有些新颖的机构可以让你的方案做的更出色。在方案确定时，需要做可行性分析，所谓可行性分析，可以在SW中用草图试一试，或者进行简单的数值计算，会比空想更直观更有说服力。此处提醒一定要仔细看规则，尤其是场地道具部分，不要放过任何细节，细节往往决定成败。对于机械臂的运动范围以及如何确定能否兑换五级矿，此处的建议是挑选极限位置即可。以24赛季为例，兑换站的位姿选择尤其重要，这里我给出我的思路供大家参考。若想兑换五级难度的矿石，其中最关键的参数就是θ角，θ的绝对值越大，兑换的难度越大。因此，首先将θ角设定为135度。再根据“兑换槽任意结构不会超出兑换站底座正面所在平面”这条规则，此时的x坐标已经达到-265mm左右，几乎到达-270mm这个下限。注意规则中的各个参数的制约方程，在此条件下，取y为0（y的左右平移并不影响难度），此时z最大，为740mm左右。然后考虑剩下两个欧拉角，α的±45°roll轴旋转，对难度没有影响，只需稍微旋转吸盘即可，而φ角的向上仰会使得x更小而超出-270mm的限制，所以可以忽略不计。综上，五级难度的极限位姿为x=-265mm,y=0,z=740mm,θ=135°,φ=0,α=0。在此位姿下，在SW中先用草图或者简易的模型检验能否成功，若能成功则一般没有太大问题。其实在目前的规则下，工程机器人的结构是趋于多样化的，不存在所谓的版本最优解，不论是以中南大学为代表的大机械臂，还是中科大和武汉工程的SCARA+抬升方案，或者是深圳大学的小臂+前平移机构，能把功能做稳定，都可以达到一个非常好的效果。在赛场上影响机器人发挥的最大因素是稳定性，而方案本身并不能通过场上的表现来等价衡量，同时也反映出机器人的测试是非常重要的，在后文也会提到一些关于工程机器人的调试和测试经验以及一些优化操作手体验的细节。言归正传，方案的选型其实并不要拘泥于上一届的所谓的最强方案，而是要结合当前的需求做合适自己的方案。

方案确定以后，接下来就是设计部分。关于设计，最重要的是整车的布局，而不是某一个机构的具体设计。在设计思路中，分为自上而下设计和自下而上的设计。自下而上主要是先将各个模块设计好最后将各个模块合并在一起，自上而下则是首先注重整体的局部和规划，然后对各个模块进行设计。设计的操作也分为自下而上和自上而下两种，自下而上可以概括为先单独设计零件然后将零件配合在一起，自上而下是在装配体中直接引用已知的尺寸和配合关系设计零件。此处先讲设计思路。我总结出的一套设计方法叫做“框架法”，即先搭框架，再做细节。

框架中包含的部分主要包括了铝方管框架，裁判系统，电机电调，电池，导轨滑块等重要传动模块，气泵等体积较大的模块。图2所示为中科大24赛季工程机器人的框架，如果不仔细看，可能会有人认为这已经是一台很完整的车了，但实际上除了机械臂，其他的模块只有最简单的框架。搭框架的主要目的有以下几点：

1. 从整车系统的角度出发，完成整车模块布局，防止后续设计出现不可逆的结构干涉使得整车功亏一篑。

2. 通过一个零件确定好铝方管框架的尺寸，当需要修改框架的尺寸时，可以直接修改零件的参数，而不用修改零件之间的配合，进而防止出现关联配合之间出错，降低修改难度。

3. 将各个模块之间的连接部分确定好，在后续分模块设计时可以很轻松地解耦，不会出现分模块设计完以后装配不到一起或者是出现干涉，超尺寸等情况。

4. 因为电机等关键驱动元件位置都已经确定，可以提前确定走线方案，拖链等也可以画在图中，保证整体布线的合理性和美观性。

5. 可以给组内的其他组成员参考整体构型，以便能够进一步讨论整体方案的实现。

整个框架的搭建并不复杂，因为是站在全局的视角去设计框架，所以整体的思路还是比较清晰的，顺利的话最多三四天就可以搭建完成。

图2 中科大24赛季工程机器人框架

框架搭建完成后就是分模块进行具体的设计，其中需要完成的任务不过是根据框架中的尺寸将零件先设计好再配合在一起，不需要有过多的设计方面的思考，更多的是简单的对着零件画零件，这可以节省很大一部分的设计时间。有人会认为这相当于把同样的工作做了两遍，浪费时间，不如直接从底盘开始画。其实大部分时候机械出车慢，画图慢的重要原因就是，设计者不知道下一步该如何设计，思路不清晰，在一个或者几个零件上犹犹豫豫，又或者是设计到后面再反过来，导致图越改越乱，到后面甚至改一个零件整个设计树都会变红，最后迫不得已出一个改的面目全非的车。所以再强调一遍搭框架的作用是帮助设计者理清思路，而那些简单的设计装配以及各个零件之间的连接机构的设计并不会浪费时间，顺利的话最多三四天也可以完工，其实这么算下来一辆工程机器人在一周内设计完是一件很正常很简单的事。

关于SW的操作和设计问题，我这里主要说一下自上而下设计零件和自下而上设计零件的优缺点。

①自底向上的设计

优势：可以很清晰地找到各个零件之间的配合关系，可以对单个零件单独修改而不会影响到其他的零件，方便零件的修改

弊端:有些尺寸非常复杂的连接件可能会需要耗费大量的时间进行尺寸的测量和绘制甚至是出现某些很隐蔽的干涉或者设计完成以后装配不上的情况。某些成对的配合可能需要同时修改两边的尺寸来满足原来的配合。

②自顶向下的设计

优势：设计快，尺寸和特征方便查找，可以根据母件的特征修改自动进行修改，不需要手动修改关联尺寸。

弊端：存在在位配合，母件的任何修改都有可能导致该零件的草图或者特征崩溃，当大面积使用此方法后，整体的关系变得非常复杂，无法很快地通过配合关系定位出关键修改尺寸。各个尺寸之间相互引用，改动任意一个看似无关紧要的尺寸都有可能导致整个图纸的崩溃。

基于以上的利弊陈述，我的建模习惯是：铝方管，主连接件等一些比较重要的车体的框架相关的零件会根据搭好的框架单独画零件然后进行装配，而有一些无关痛痒或者牵连比较小的连接件，置物板连接板等直接在装配体里进行设计，这样在修改主框架时，尺寸可以跟着改变，避免出现改了铝管的孔没改板子的孔，加工出来以后才发现板子装不上之类的情况。当然每个人的建模习惯不一样，只要能找到适合自己的建模方式即可。

二、装配思路

结构设计完毕，接下来的就是准备加工和采购以及装配。这一步看似没什么技术含量，但是实际上细节非常多，例如怎样出BOM表才会尽量少地出现零件少加工的情况，怎样才能不遗漏地统计所需要的零件等。我相信这是所有兵种通用的问题，也是机械提速的重要环节，两个月才能完成装配和十天完成装配可以直接对进度产生致命的影响。

先说零件统计阶段，所有的零件可以分为：机加件，铝方管，板件，打印件，标准件，其他外购件，偶尔可能会有其他材质的定制件，比如亚克力罩子之类的。我的习惯是分开统计，即先统计机加件，从底盘网上，不属于机加件的直接隐藏掉，属于机加件的将名称统计到Excel表格中。所有机加件统计完成后，把所有零件重新显示出来然后继续统计下一种零件。这是我的方法，看上去比较笨，但是基本不会遗漏零件。

零件加工完成以后需要对零件进行整理，尤其是标准件，在多人同时装配的情况下很容易就出现零件找不到的情况，非常耽误装配进度。因此我每次都会把标准件整理好，然后要求装配者不要整袋拿走，用多少拿多少，这样可以有效防止零件丢失。图3是装配哨兵时整理好的零件，装配过程也是比较快速高效。

图3.哨兵装配前整理好的零件

装配的过程也是个技术活，尤其是工程机器人，不同的人装配出来的效果可能完全是两个车，尤其是导轨滑块等一些传动的地方，需要反复微调甚至是用一些零件辅助定位，这样即使是用国产的某些低端的导轨滑块也可以做到比较丝滑。

三、案例分享

本节以RM24赛季中科大工程为案例进行详细的设计过程的讲解，我会尽量把细节都讲清楚，所以可能会比较繁琐，希望大家见谅

（一）需求分析

1.提出需求并分析

根据24赛季的规则以及23赛季国赛各队伍的工程机器人的赛场表现，在构思方案时提出了以下需求：

①能够快速完成任意姿态的五级矿石兑换

②能够在大资源岛的一侧抓取所有位置的矿石，即可以抓取左右两侧靠对方半场的金矿

③能够抓取小资源岛的银矿

④能够携带三个矿石

⑤操作手视野要广且清晰

⑥能够通过隧道

上述需求中，从上到下分为三个梯度，其中最重要的是①，第二梯度的是②-⑤，第三梯度的是⑥。

其中需求①是最重要的，因为如果无法快速完成五级矿石的兑换就无法获得经济，在24赛季规则下，吃低保将会使其他兵种寸步难行，那么工程机器人也就失去了他在战场上的意义。

根据以上需求，对工程机器人进行相应的分析：

①要求多自由度机械臂，且长度需要足够长，末端自由度足够高

②要想抓到对面的金矿石，机械臂的长度必须足够，且结构体积不能太大，否则容易和场地道具干涉

③高自由度机械臂抓取小资源岛，只要高度足够就可以成功

④需要有两个矿仓存放矿石，加上机械臂的吸盘，一共可以携带三个矿石

⑤图传和机械臂分开，图传高度足够就可以有开阔的视野，因此需要对图传单独抬升

⑥初始尺寸的宽小于550mm，高度小于450mm，长度没有限制

2. 方案调研和对比

根据方案需求，六自由度机械臂为硬性要求，且需要较长的长度。参考RM23赛季，主流的工程机器人构型以三个学校为代表，即南京航空航天大学的龙门架三平移+三自由度小臂，上海交通大学六自由度大机械臂，南方科技大学抬升+六自由度机械臂。

三平移+三自由度小机械臂：不适用于本赛季，机械臂长度太短，兑换五级矿石时会和兑换站干涉，且无法抓取对侧的金矿石，因此此方案直接弃用。

六自由度大机械臂：基本能够满足五级矿石的兑换，但是由于大机械臂本身的运动空间是球形，无法最大限度地利用伸展尺寸。且上交的联动限位方案过于复杂，再加上大机械臂如果需要抓取对侧矿石，初始高度需较高，会导致机械臂尺寸受限。

抬升+六自由度机械臂：线性抬升可以满足大资源岛和小资源岛抬升的需求，六自由度的机械臂，若对每段长度进行加长，能够很容易地满足五级难度的兑换和对侧金矿的抓取。且抬升机构可以将初始尺寸压缩地很低，而对抬升机构的限位和机械臂第一pitch的角度限位可以很好地将伸展尺寸利用到极限。因此，此构型非常适合于本赛季的需求。

由于五级兑换的主要难度影响参数为θ角的±135°，所以六自由度的构型采用第一关节大Pitch+SCARA构型+末端2旋转自由度的方案。而存矿机构受到了初始宽度和高度尺寸的影响，于是采用前后水平存矿的方案。

综上，整体方案可以总结为：传统麦轮底盘，六自由度第一关节大Pitch+SCARA构型+末端2旋转自由度机械臂，机械臂线性抬升+图传线性抬升，水平前后存矿

3. 关键尺寸量化计算

根据以上需求分析，对机器人的关键尺寸进行计算，这对结构的构思和框架的搭建具有重要指导作用。

①机械臂采用六自由度机械臂，以对应五级矿仓的六自由度，具体构型见方案调研和比较

②根据规则手册中大资源岛尺寸示意图，机械臂伸出底盘长度需长于

而工程机器人的最大伸展尺寸长度为1200mm，即最大允许伸出底盘长度为600mm。大于485mm，留有足够的余量，因此长度满足设计要求。

大资源岛取矿窗口离地面最低高度为290mm，矿石需要抬起的高度为40-49mm，因此机械臂最低部位的最低高度应该高于290mm，机械臂最高部位的最高高度应该低于450mm，且吸盘吸取部位不宜过高，以防吸到矿石上方倒角导致抓取不牢固。

③根据小资源岛尺寸，若从侧面抓取银矿石，机械臂抓取时的初始高度应略高于500mm,需抬起的高度需大于100mm。若从顶面抓取银矿石时，吸盘朝下时的最高高度应高于700mm。这两种取矿方式只需有一种能实现即可。而实现小资源岛的快速抓取，采用对位+一键的方式自动抓取，即在固定位置，通过对机械臂的示教来实现自动抓取。

④为了便于设计，底盘的长度应尽量接近初始尺寸的限制，而要能快速且较轻松的通过隧道，宽度需要留有余量，因此工程机器人的初始尺寸定为580mm×520mm×445mm。

图4 规则手册中大资源岛尺寸示意图

（二）设计部分

1. 机械臂设计

在设计框架之前需要对机械臂进行设计，因为机械臂属于单独的模块，而且是整车的核心模块，对其余结构的框架设计起到关键性作用，因此在搭建框架之前，需要对机械臂的选型和尺寸进行确定。

本次机械臂设计吸取了中科大23赛季工程机器人的教训，设计者为薛佳龙同学，主要宗旨就是连接简单，方便装配和维护，力求结构稳定不晃动。

基于机械臂末端自由度要高的需求，六自由度中的三个自由度集中在末端，使用DM4310直驱。始端的两个电机选型为长空御风8112，第三关节电机选型为长空御风4310。第二关节与第三关机之间，第三关节和第四关节处的连接都使用铝方管，所以此处需要确定一下两节臂的长度。在SolidWorks中，将兑换站大致模型建立起来，将兑换框摆放至极限位置，机械臂先用简单模型代替即可，通过调整机械臂的长度，最终能够成功对准兑换框，如下图所示：

图5 机械臂长度调整简图

其中兑换站姿态的选择原则前文已经提过，此处再重复一次：五级兑换影响难度的核心参数为θ角，θ的绝对值越大，兑换的难度越大。因此，首先将θ角设定为135度。再根据“兑换槽任意结构不会超出兑换站底座正面所在平面”这条规则，此时的x坐标已经达到-265mm左右，几乎到达-270mm这个下限。在此条件下，取y为0（y的左右平移并不影响难度），此时z最大，为740mm左右。然后考虑剩下两个欧拉角，α的±45°roll轴旋转，对难度没有影响，只需稍微旋转吸盘即可，而φ角的向上仰会使得x更小而超出-270mm的限制，所以可以忽略不计。综上，五级难度的极限位姿为x=-265mm,y=0,z=740mm,θ=135°,φ=0,α=0。只要满足此姿态的兑换，其余姿态都可以满足。经过对大臂和小臂长度的几次调整，最终将大臂长度定为350mm，小臂长度定为240mm。接下来就是对机械臂进行建模，此处我们使用了大量的机加工件以保证装配简单，结构稳定，各位在自己设计时可以考虑自身队伍的经费情况选择合适的设计方法与加工工艺，不要盲目借鉴。末端吸盘处使用的是直径60mm的风琴吸盘，吸盘座我们为了更方便连接，选择自己制作机加工件进行固定，并加工出管螺纹拧气嘴，使用时并没有出现漏气的现象，各位自己设计时直接买带底座的也没有问题。整体机械臂的结构非常简单，这里直接放设计完成的截图：

图6 机械臂设计图

ps:臂的长度是初步确定，后续根据机械臂在车上的实际位置和高度，会对两段臂的长度进行微调以及限位等。

2. 底盘框架设计

完成臂的设计后就可以开始对整车框架进行搭建了。

第一步：

建立一个地面作为基准面和配合面，当然也可以直接建立基准面，这里看个人习惯。然后从底盘防撞架开始，根据前面的分析，先画一个520×580的2020铝方管的框，离地高度根据设计经验或者参考开源，我个人的习惯是下表面距离地面60mm。这里稍微讲一下我为什么选60mm，其中一个原因是装甲板下边缘离地高度至少60mm，其次60mm框架配合麦轮轮组基本可以满足所有地形的接近角和离去角。太高的底盘可能会压缩上层机构的设计空间，太低的底盘有些地形可能过不去，根据我的设计经验，60mm左右是个不错的选择。

然后将四个麦克纳姆轮轮组放上去，我们采用的是HEXROLL的内嵌式麦克纳姆轮轮组，整体结构已经设计好了，只需要该两块固定板即可，在搭建框架时把轮组放上去即可。轮组最外侧距离两侧防撞架20mm，最边缘距离前后防撞架10-20mm。把四个轮组固定好后，根据轮组的位置大致确定铝方管井字梁的位置，如图所示：

图7 底盘主架及麦轮轮组

第二步：

将四块小装甲板，主控模块，灯条模块根据机器人制作规范放置在底盘上，并确定避震器的角度以及其固定方法。工程机器人我一直使用的是传统的纵臂式独立悬挂，避震器选用85mm孔距10-35kg级，结构简单效果良好，避震器固定座是溪地的3mm避震器固定座，每个轮组两根避震器。避震器的角度讲究不大，个人比较喜欢斜向上20-45度之间。由于四组避震器是对称的，所以在框架中只需要放置一组就可，如果怕干涉也可以四组全放上去。接着把电池，电源管理模块，RFID模块，这样整个底盘的

图8 底盘加裁判系统和悬挂

第三步：

构建单侧抬升相关抬升架等结构。这一部分可能需要进行一些思考与修改了，因为这是底盘最核心的结构，直接关系到整车做出来的效果。单侧抬升的目的是使另外一侧可以让机械臂甩过去往后放矿，因此抬升架肯定是越靠边越好，这里如果在轮组上方搭架子会导致导轨不够长，机械臂抬升的行程不够，如果在轮组内侧搭一个是空间比较狭窄，容易和装甲板干涉而且不好固定，刚度不够，另外一个是太靠近底盘中心，机械臂往回甩的范围受限了，因此最好的方案是抬升架直接从防撞架上起。此时我发现2020的铝方管作为抬升架的底座太细了，不好固定而且刚度不够，于是把右侧的轮组往里移动20mm,把右侧的防撞架加宽到2040，壁厚增加为2mm，这样可以保证整个抬升架的刚度。图传的抬升和机械臂的抬升要分开，但结构基本一致，一个在前一个在后，中间正好夹一个装甲板。当然装甲板有遮挡范围，这时候需要打开装甲板的干涉面检查是否会干涉，这里我先画出前面的抬升，如果没有问题那么后面的抬升就可以对称设计。需要注意的是，这里也需要把抬升电机，链轮，导轨滑块也加上，电机和链轮主要检查链条在运动过程中是否会和其他机构干涉，而导轨滑块主要看抬升的行程以及确定耦合部分的尺寸，具体到这里就是确定机械臂抬升时怎么和抬升架连接。大致框架如图9所示。

图9 前抬升架示意图

第四步：

前抬升架确定好以后就可以把机械臂放上去了，确定初始位置。初始高度的确定方法参考前文关键尺寸量化计算部分，左右的位置我这里当时预计使用铝方管往上连接，所以暂时将机械臂和滑块的距离定为30mm，实际设计时会根据具体的连接方案进行微调，这个尺寸的小范围变动对整体的设计没有影响。机械臂前后的位置，我将机械臂第一关节电机放置在两根导轨的正中间，比较符合我的设计习惯。整体如图10所示。

第五步：

机械臂及其抬升结构确定以后，把底盘框架的剩余部分完善即可，例如左右装甲板的支撑和避震器固定座的安装也需要铝方管，矿仓也需要铝方管架高等。矿仓的固定我利用了中间四根铝方管，将他们加长以后再加两根横铝管和两个竖铝管，后面加上碳板矿仓就设计完成了。后抬升架和前抬升架结构一致，再把图传的初始位置，定位模块的初始位置确定好以后，工程机器人的框架就搭建完毕了，如图11所示

图10 机械臂加入框架中

图11 工程机器人框架图

总结：框架设计其实是机器人设计思路的体现，可以帮助设计者更快地验证方案的可行性和更直观地发现方案中的问题，能够在前期就避免方案上的漏洞，保证项目的顺利推进，几乎不会出现设计到后期发现方案有问题又推倒重做的情况吗，对于第一次设计工程机器人的新手非常友好。（当然如果你是很有经验的设计者也可以按照自己的方法进行设计）

3. 后续设计及细节

框架搭建完以后后续的设计比较简单，无非是使用板件，打印件或者机加件对各个部分进行连接。本节主要挑选一些细节进行讲解，或许对装配和传动部分的设计有些帮助。

•防撞架建议使用不锈钢

由于比赛强度比较大，工程机器人在赛场中的对抗强度比较高，如果碰上冲撞过于激烈的场次，工程机器人得益于其较大的重量，使用不锈钢防撞架可以有效帮队友抵挡不少冲撞，经过赛场实测非常好用。

•避震器

避震器没必要两头都使用球头，可以将其中一头敲掉，把孔从3扩到5，使用M5的螺栓加强强度。

•抬升架

抬升架的传动我个人非常喜欢用04c的链条进行传动，链轮一般选用15齿，既可以保证强度又不会占用太多空间。04c的链条截开后可以穿M2的螺栓，建议使用半牙/铰制孔螺栓，负载大约可以10kg左右，负载太重用久了会有点弯，换一根就行。链条用久了会松弛，可以先在电机座下面垫点垫片张紧，如果再松就可以直接截断一节重新装了。

•抬升机构

抬升机构刚度的提升主要是通过使用两对滑块来实现，两对滑块之间的距离越大刚度越好，当然这也会牺牲一部分抬升高度。抬升机构的丝滑程度和装配有很大关系，因为导轨的孔一般是3.5mm，在装配过程中需要多次微调保证两根导轨的平行度。当然这也可以使用一些设计去减小装配难度，如图12所示，把导轨的机械限位稍加修改，就可以起到机械行程限位和上下导轨限位，使得在装配过程中几乎不用调整就可以很丝滑。

图12 导轨限位定位件

•轮组传动

轮组的连轴使用的是胀紧套，如果出现胀紧套打滑的情况，可以垫一层保鲜膜，可有效防止打滑。

结束语：

本文至此已经结束，本人才疏学浅，所学不精，所讲也未必完全对，如果有任何关于机械设计方面的问题可以加QQ：951540528交流，如果有讲的不对的地方也欢迎批评指正！

RM工程机器人设计思路与设计经验.pdf

关于中国科学技术大学RoboWalker战队RM2024哨兵机器人和工程机器人机械结构的开源详见论坛！