【分享帖】技术干货｜浅谈步兵云台设计
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2018-12-13
这一部分我会用相当通俗的语言来进行描述，希望大家看个乐呵的同时也学到知识点。
首先，云台是干啥的？简单来说就是安装、固定可移动部件的支撑设备。在我们机甲大师比赛中，云台一般是用来承载摄像头或者子弹发射机构的设备。
云台的一大设计原则，就是具有快速响应性和灵活性。试想一下，你如果带上一个贼重的帽子或者其他东西在脑袋上，你转头看东西是不是觉得很累？机器也是如此。因此，云台一定要在保证结构强度的情况下，足够的轻。再有，灵活性问题，如果云台重心偏离旋转轴线太远了，像图3中带着巨大鼻子的雪人，那它还能愉快地旋转么？
云台的几种典型设计
第三种结构则是半下供弹。也就是弹仓随着yaw旋转而不随着pitch旋转。这样做的好处在于云台高度可以下降，而且减少了pitch的负担。虽然转动惯量对于yaw而言没有什么变化，yaw依然吃力，但是pitch就轻松多了。当然这个想法还停留在图纸，如此的结构也希望大家做一做，一定可以亮瞎大家狗眼的~
云台的大体结构分布说完以后，让我们看看驱动方式。大部分云台都采用电机直接或间接驱动的方式，其中电机直接驱动简单有效。通过传动链的方式可以有效改善云台零件分布问题，但是一定要注意传动方式的选取，越简单越好用。同步带要防止跳齿，齿轮要注意间隙，连杆则要注意干涉角度和装配误差等。同时，俯仰角度和旋转角度有要求的时候，一定要做机械限位。
拨弹模块的设计
云台是为了打子弹而设计的，那么如何高效准确的打出来就是我们要着重考虑的了。这里拨弹模块可以分为拨弹的设计以及击发装置。目前基本所有队伍都用的是摩擦轮靠摩擦力将子弹击发出去。气动枪管也是一个选择，并且射击准确度极高，但是设计和制造的难度颇高。下面我们主要还是谈谈拨弹吧~
目前而言，主流的拨弹设计是利用齿轮形状的水轮拨弹盘将子弹一颗一颗送出去，达到控制子弹流量的作用，例如下图：
首先，云台是干啥的？简单来说就是安装、固定可移动部件的支撑设备。在我们机甲大师比赛中，云台一般是用来承载摄像头或者子弹发射机构的设备。
▲ 图1 这是一枚可以打子弹的云台！
无论是何种云台，它必须有的功能就是动！如同人的眼睛一样，当我们站着不动时，若要看向四面八方的东西，我们至少需要两个自由度，即俯仰pitch和旋转yaw。相当于抬头思明月，低头思故乡，左右环视两眼泪汪汪。额额额走错片场。意思就是：上下以及左右两个自由度。例如下图的雪人。▲图2 一只呆萌的雪人
图中黄色的箭头就是上下转动的自由度，红色的箭头就是左右转动的自由度。对于一些机器人而言，云台自由度可能会根据机器人机构设计而改变，但是无论如何改变，云台上搭载的设备在空间中至少具备这两个自由度才可以实现它的功能。云台的一大设计原则，就是具有快速响应性和灵活性。试想一下，你如果带上一个贼重的帽子或者其他东西在脑袋上，你转头看东西是不是觉得很累？机器也是如此。因此，云台一定要在保证结构强度的情况下，足够的轻。再有，灵活性问题，如果云台重心偏离旋转轴线太远了，像图3中带着巨大鼻子的雪人，那它还能愉快地旋转么？
▲ 图3 撒谎了的雪人（匹诺曹）
云台的几种典型设计
▲ 图4 yaw电机外置，连杆传动
比赛中云台多为发射子弹用。一般多采用两种方式进行子弹送给：上供弹（图1）和下供弹（图4）。上供弹好处在于几乎无存弹，设计时简单粗暴。但是相比下供弹而言，其拨弹盘平面角度随云台而变，云台重心与质量会因为子弹数量变化而不停改变，并且其整体质量也比下供弹要大得多，这也是下供弹的好处，但由于下供弹需要将弹仓内部子弹送至云台，为了避免管道在云台移动时发生长度的改变，因此其供弹链必须通过各个自由度的轴线。因此其劣势也很明确，就是供弹链设计复杂，存弹多，重心靠前。因此上供弹设计要点，在于优化拨弹机构，避免角度改变时的卡弹与空弹；下供弹则需处理好云台重心，并且尽量减少弯管数量，减少存弹，并且在弯管内加轴承以改善子弹在弯管内行走的摩擦力。▲ 图5 下供弹供弹链
对于一般队伍而言，用3D打印件来制作弯道就合适了。如果很有钱，可以考虑像官方爸爸一样做铝合金高精度的弯道，例如下图：▲ 图6 铝合金弯管（官方ICRA车）
弯道设计最为关键的参数是弯道的曲率（一般我们都是一段圆弧）和轴承安装的位置。那么转动半径越大，轴承之间受力越合理，也越不容易卡弹。轴承安装要保证子弹能恰好碰到轴承，过高或者过低都会造成卡弹。下图是我们曾经做过的一个3D打印90度弯道的参数，用的内径2外径5的小轴承。▲ 图7 一款90度弯管
不过要注意，每个3D打印件都是不同参数的哦，因为3D打印件本身精度就不高，热胀冷缩会导致不同甚至相同产品之间都会有微小的差异。第三种结构则是半下供弹。也就是弹仓随着yaw旋转而不随着pitch旋转。这样做的好处在于云台高度可以下降，而且减少了pitch的负担。虽然转动惯量对于yaw而言没有什么变化，yaw依然吃力，但是pitch就轻松多了。当然这个想法还停留在图纸，如此的结构也希望大家做一做，一定可以亮瞎大家狗眼的~
云台的大体结构分布说完以后，让我们看看驱动方式。大部分云台都采用电机直接或间接驱动的方式，其中电机直接驱动简单有效。通过传动链的方式可以有效改善云台零件分布问题，但是一定要注意传动方式的选取，越简单越好用。同步带要防止跳齿，齿轮要注意间隙，连杆则要注意干涉角度和装配误差等。同时，俯仰角度和旋转角度有要求的时候，一定要做机械限位。
拨弹模块的设计
云台是为了打子弹而设计的，那么如何高效准确的打出来就是我们要着重考虑的了。这里拨弹模块可以分为拨弹的设计以及击发装置。目前基本所有队伍都用的是摩擦轮靠摩擦力将子弹击发出去。气动枪管也是一个选择，并且射击准确度极高，但是设计和制造的难度颇高。下面我们主要还是谈谈拨弹吧~
目前而言，主流的拨弹设计是利用齿轮形状的水轮拨弹盘将子弹一颗一颗送出去，达到控制子弹流量的作用，例如下图：
▲ 图8 拨弹水轮
（1. 送弹通道 2. 拨弹轮3. 球形子弹）
那么为了达到一秒30发甚至更高的射频，我们各个队伍主要有两种趋势：越做越高的拨弹轮或者越做越大的拨弹轮（例如官方ICRA和火线战队的步兵车）。再有，为了防止卡弹，我们也发动大脑思考，有用轴承的，有用弹簧的，还有轴承弹簧全部都用的（这么看主要还是轴承和橡皮筋两种趋势哈）。总之，拨弹的设计也是一个队伍几年沉积下来的经验，必然也是队伍的核心技术~想想就激动，做好一个拨弹绝对是满满成就感啊！▲ a、一种拨弹（其实我卡弹啦）
▲ b、另一种拨弹（官方爸爸的）
图9 几种拨弹的实物图
那么这就是云台结构设计的相关问题~相信你们看完这部分资料，就能够对云台设计有了初步认识，并且迫不及待想要做一个属于自己的云台了~你需要的，才是头条！
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