古有嫦娥奔月,今有嫦娥号探索月球,我们对未来太空的向往与探索从未停歇。在登月探测中,月球车和采样探测车是非常重要的一环,在地外行星上探测车和月球车要面对复杂多变和崎岖的地形。
目前的月球车只能在月球表面比较平坦的区域行走,因此对着陆区域要求很高,同时行走的速度很缓慢、行走的范围十分有限;同时还有着诸多条件上的限制,比如尺寸、重量、动力、电源等。
在这种条件下,设计一款适应性强的未来太空攀爬车是颇有难度的,柴火会员陈子平制作了这款“神龙号”太空攀登车,以下为他的项目自述:
图1 神龙号太空攀登车完成图
面对这次创新大赛的课题,我给出了自己的解决方案。这次带来的项目是一款太空攀登车,名字叫“神龙号”,采用了独特的设计思路,贴合课题要求,解决实际问题。经过一系列的激烈的角逐,最后这套方案荣获了国家级一等奖,下面我将详细讲解一下这个项目的设计思路和制作过程:
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图2项目思维导图
我将把这个项目分为五个方面详细阐述:
分析比赛的要求,根据具体的要求,寻找可行的方案,建立初步的设计思路,进行可行性分析;
进行机械结构设计,解决具体的实现问题,通过3D建模合理安排布局;
整体的制作过程,详细介绍各个部件的组装过程和细节部分;
项目完成后的实验过程,详细的介绍攀登的具体实现原理与转换的几个步骤;
分析装置的不足之处和后续的改进措施,为以后完善这个方案做好准备。
赛事的要求分析
图3赛道和障碍物
本次的赛事要求一共五个大的方面:第一方面是尺寸限制在250*250*250mm的立体空间内;第二方面是重量不得超过400g;第三方面是动力,用规定型号的2个N20减速电机100转/分钟;第四方面是电源部分,用4颗CR2032纽扣电池;第五方面是时间,在3分钟以内攀爬上障碍物,并到达制定的盒子内部。获胜条件是攀爬上最高的障碍物,障碍物由木板叠成,木板可不断叠加提升高度,挑战装置的最高攀爬高度。
图4竖直平面尺寸图
根据以上的赛事要求,合理利用空间是提升攀爬高度的关键。第一层思路是利用平面尺寸的最高点,目前的尺寸范围是25*25*25cm,最高点是25cm。如果装置能够在高度上爬到最大,则攀登高度极限在25cm。
图5斜向平面尺寸图
第二层思路是利用平面内最长的距离,就是正方形的斜线,其长度为35.3cm。如果能够实现斜线的攀爬则最大高度在35.3CM。
图6斜向空间尺寸图
第三层思路是利用尺寸范围内最长的斜线,立方体空间内相对顶点,经过计算最长的距离是43.3CM,也就是理论上如果能尽可能的利用空间,设计出完美的装置,其最大的攀爬高度可以达到43.3CM(但由于装置零部件的设计和攀爬机构的尺寸限制一般都是小于43.3cm)。
图7斜向折叠空间尺寸图
第四层思路是在空间范围内最长斜线的基础上再进行折叠或延伸,形成43.3cm+n长度的攀爬高度,n可以是一倍延伸长度也可以是n次的折叠,只要立体空间够能折叠下,那理论上可以无限延伸长度,从而实现无限高度的攀爬(但由于装置零部件的设计和空间的限制,实际只能在38.5cm的基础上再增加n的尺寸高度)。
经过反复的考虑,最后决定采用一次折叠延伸的设计思路,保证了方案的可实施性,方便设计、方便加工、制作设计时间短,且一次折叠机构可以方便缩回,而二次或三次折叠考虑到运行稳定和可缩回性的问题,会导致装置过于复杂,不利于稳定运行,决定采用最稳妥的一次折叠设计方案。确立了设计思路,下一步将进行机械部分的设计。
机械结构设计
整体机械结构设计分为:动力部分、传动部分、攀爬部分、触发部分、提升部分、折叠部分、支撑部分、收纳部分等。
图8CAD先初步设计
开始设计前先用AutoCAD软件初步绘制整体框架,确定各个零件的位置和主体支架的几何形状,为后续3D建模打好基础。
图9设计主体支架
根据CAD绘制的框架平面图形,用Solidworks软件进行建模,主体支架是整个装置中最重要的一个部件,安装电机和各传动部分,起着承前启后的作用,结构比较复杂,前后经过多次修改最终设计定型。
图10动力部分设计
电机用的是N20减速电机100转/分钟,嵌入主体支架内部,主动力通过涡轮蜗杆进行传递,涡轮蜗杆具有结构紧凑、传动比大、自锁等优点,高减速比可以进一步的放大电机的扭矩,其自锁的特点,还可以在攀爬过程中不会因为动力不足导致滑落。
图11传动部分设计
传动部分使用同步轮和同步带。电机的涡轮蜗杆输出动力连接中间主同步轮,主同步轮带动中间主同步带使头部的同步轮转动,中间的部分通过3mm光轴使两侧一级同步轮同时转动;两侧一级同步轮也连接有同步带,带动二级同步轮,二级同步轮继续连接有行走同步带;行走同步带使三级同步轮运动,形成了以一个主同步轮带动其他九个同步轮的同时转动的传动模式,实现了十轮同步。
图12攀爬部分设计
攀爬部分采用棘齿结构,设计在同步带的外侧,棘齿结构能够使装置具有卡住障碍物边缘的能力,这样攀爬过程中就不会因为摩擦力不够发生滑落,能够使装置平稳向上爬行。
图13触发机构设计
延时触发机构采用类似卷闸门卷扬机的原理的设计,二级同步轮光轴并联带动挂线卡零件,光轴缠绕丝线拉动触发塑料垫片,接通铜片开关模块,使螺杆电机运作,实现延时触发运动。
图14提升机构设计
根据第四层的思路延伸方案,采用一级折叠提升设计。此方案采用螺纹传动原理,螺杆装配螺母,把电机的旋转运动转化为直线运动,带动滑动提升块向下运动;滑动提升块连接了左右两侧的折叠式支撑腿,折叠支撑腿往后运动将整个装置撑起,螺杆长度转化为了装置的提升高度。
图15一级折叠机构设计
折叠支撑腿设计成倾斜于底板平行线,使其在重力的作用下,自然下垂,形成一个三角形的稳定支撑,保证触发提升机构时,不会由于支撑腿的提升运动导致整体装置向后倒。左右各设计有翻转轮,当攀爬上障碍物时翻转轮启动,将支撑腿折叠回装置内部。
图16支撑部分设计
整体装置左右各设计有一条支撑腿,用于装置初始状态时的支撑。底部设计有两个活动的轮子,当二级棘齿同步带运动时,可以带动一起前进,支撑腿同时还起着导向轮的作用,可以控制装置的运动方向。
图17收纳部分设计
左右两侧设计有一对的收纳盒子,用于调节装置的重心平衡。由于装置并非完全对称,电机安装在右侧,导致右边一侧会更重,收纳盒用于放置配重块,调节重心与中心轴线重合;右侧收纳盒提供位置安装电池盒。
图18整体设计效果图
通过以上七大部分的设计,装置整体设计已经基本完工,将3D模型放入25*25*25cm的透明盒子内部检查符不符合比赛的尺寸要求;如果有尺寸超出的部分要进行修改,确保符号要求,检查完成后,接下来要进行实物的制作。
01
整体制作过程
图19项目材料清单
着手进行装置的制作,按以上列表买好需要用到的材料。通过清单可以了解到大部分的零部件都需要用到3D,少部分的零部件需要用到激光切割和CNC加工,准备好相应的工具和设备,开始加工制作。
图203D打印零部件
将模型逐一导出STL格式,用3D打印机进行打印。3D打印的部件包括:主体支架、同步轮、滑块螺母、螺杆、触发开关、翻转轮、驱动螺杆、提升电机座、挂线卡、收纳盒、辅助轮、法兰等30个零部件。
图21全部3D打印零部件
经过一段时间的打印,把全部3D打印件做好,有部分零件精度要求高的,还需要进一步的手工打磨。
图22激光切割加工
将4mm厚300*300mm木板放入激光切割机,进行激光切割加工,激光切割的好处在于快速加工,比3D打印机快,而且木板本身重量也比较轻,可以减少车身重量。
图23激光切割加工的零件
下一步要将切割好的零部件进行初步组装,方便后续的操作。
图24安装底板轴承
安装底板轴承,用安装锤或用手轻轻压入安装孔内,保证轴承不突出木板。
图25固定底板
用胶水将底板的上下两块木板和底板轴承板粘在一起,过程中要注意零件的两侧要齐平,安装孔位置同步。
图26粘接支撑腿
用502胶水把左右两侧的支撑腿先粘牢,注意安装孔位要齐平。
图27安装法兰和滚轮
安装左右两侧支撑腿上的法兰和滚轮。
图28安装底板同步轮
安装底板同步轮,同步轮内侧要放置垫片,防止与底板接触。
图29CNC加工
用CNC数控机床加工头部前置垫块。
图30头部前置垫块
头部前置垫块,使用黄铜材质,用于固定头部同步轮,用铜的原因在于比较重可以偏置重心。
图31组装触发开关
触发开关由两块铜片组成,铜片相互挤压产生夹紧力,安装时注意两块铜片不可接通。
图32组装行程开关
行程开关焊出导线,装入螺杆定位轴承。
图33全部零件
这样准备工作已经完毕,接下来要开始整体组装了,附上所有零件合照。
图34安装主体支架轴承
将5个轴承分别装入主体支架的轴承孔中。
图35安装涡轮同步轮
将涡轮同步轮放入中间凹槽内,注意预紧孔朝上,方便固定。
图36安装攀爬电机
驱动螺杆装入电机主轴,再把电机嵌入主体支架内部,左侧插入固定光轴。
图37安装左侧同步轮
安装左侧同步轮,注意要预先把中间履带一同装入。
图38安装右侧同步轮
将右侧同步轮装入,外侧安装同步轮侧板。
图39安装前置垫块
头部左右两侧各装一个前置垫块,用于固定头部同步轮。
图40头部履带
装入头部履带,安装时注意棘齿的方向要向前。
图41头部同步轮
头部同步轮从顶部装入,前置垫块中间安装固定光轴。
图42二级同步轮
安装二级同步轮,二级同步轮由两个同步轮组合而成,安装时注意预先放入底部履带。
图43安装底板
将底板装入主体支架底部滑槽,由四个螺丝固定。
图44张紧底部履带
通过螺丝孔滑槽拉紧底板,用螺丝刀固定,张紧底部履带。
图45固定电机座
将螺杆电机座安装在底板上。
图46螺杆电机
将螺杆电机再装入电机座内。
图47螺杆和螺母座
安装螺杆和螺母座。螺杆部分装入2mm光轴和定位轴套。
图48连接螺杆电机
电机主轴先放入两个垫片,将螺杆D孔装入电机主轴。
图49固定行程开关
行程开关连接螺杆底部,用1.7mm螺丝将开关固定。
图50安装螺母座滑块盖板
用螺丝将滑块盖板固定在螺母座底部。
图51安装触发开关
触发开关安装在螺杆电机顶部。
图52折叠支撑腿
左右两侧翻转轮与折叠支撑腿固定一起,注意翻转轮的左右区别,比较容易装错。
图53安装折叠支撑腿
螺母座底部装入2mm光轴,连接左右折叠支撑腿。
图54安装两侧辅助轮
装置左右两侧各有大小一对辅助轮,辅助轮可以负重,还可以防止履带行驶过程中的下压变形。
图55安装两侧收纳盒
两侧收纳盒安装在头部,用螺丝固定,收纳盒的主要作用在于固定电池盒和放置负重块。
接下来要开始连接电路了,先看一下电路原理图。
图56电路原理图
如图所示,左侧1号电机是攀爬电机,有一个独立电源供电;右侧2号电机为螺杆电机,用于提升装置;SW2开关为触发开关,用于延时触发,SW3为行程开关,可以看到有两个分支,常闭端口连接了2号电机,而常开端口与1号电机相连,构成了一个原始的开关选择器;当触发开关接通,行程开关未被接通,2号电机运转,当行程开关接通,2号电机停止运转,常开端口接通1号电机运转。
这样就构成了一个简单的电源管理系统,使提升机构的电源不会被浪费,当装置提升完毕时,会有4个电池同时给攀爬电机供电,充足的电量可以保证其稳定爬升。
图57连接电路
按电路原理图所示,连接装置电路。
图58安装支撑腿
安装左右两侧支撑腿,支撑腿用2mm光轴连接,通过法兰固定使两个支撑腿同步运动。
图59挂线卡丝线
抽取一小段丝线,其中一端打结,再卡住挂线卡的一端。
图60挂线卡丝线
丝线中间穿入一个3mm轴承,另外一端连接塑料垫片。
图61安装挂线卡
将挂线卡穿入一级同步轮光轴,再用螺丝固定。
图62完成组装
经过以上步骤,神龙号太空攀登车就已经组装完毕了,下一步将是漫长的调试过程,主要调试三个方面:第一个是装置的配重,偏置重心使其稳定在中心轴线上;第二个是机械的运行是否流畅,有没有需要二次加工的地方;第三个是延时触发的时间,要调节挂线卡的角度和丝线的长度,这些方面都比较简单。
02
攀登原理分析
整个攀爬过程分为七个阶段,装置运动过程中通过每一个阶段的相互衔接,完成最后的障碍物的攀爬。
图63第一阶段
第一个阶段是行驶阶段,此时装置在出发区,辅助轮支架展开,后部的履带和支撑腿辅助轮呈现4点着地的状态,底部履带转动带动整个装置往前移动。
图64第二阶段
第二阶段为沿边爬升阶段,当装置头部触碰障碍物,在底部履带往前运动的情况下,头部履带同时旋转,使整个装置斜向沿障碍物攀爬。此刻装置的辅助轮失去作用,在重力的作用下垂直向下,装置底部履带和头部履带形成三点稳定的结构,使装置垂直向上攀爬。
图65第三阶段
第三阶段为快速爬升阶段,底部履带离障碍物10cm左右距离时,触发开关开启,螺杆电机运转,推动折叠支撑腿向下运动,撑起整个装置垂直向上快速爬升,直到触碰到螺杆底部的行程开关为止。
图66第四阶段
第四阶段为垂直攀升阶段,这时头部履带运动到障碍物的顶部角点,头部履带的棘齿卡住障碍物的角点,在整体装置的重力作用使装置垂直向下调整姿态,底部履带与头部履带形成三点的稳定结构,使装置稳定向上攀爬。
图67第五阶段
第五阶段为翘尾转换阶段,当头部履带攀爬到末尾时,由于头部更重的原因,头部向下运动,使装置尾部翘起,中间部分的双履带棘齿继续卡住装置,不让其滑落,这时中间部分履带与头部履带继续形成三点的稳定支撑,使装置平稳向前运动。
图68第六阶段
第六阶段为尾部折叠阶段,装置行驶到尾部时,底部翻转轮与障碍物角点接触,替代了底部履带的接触点,这时翻转轮顺时针旋转,带动折叠支撑腿一同旋转,当折叠支撑腿旋转越过中心垂线,此时翻转轮底部不在与障碍物接触,折叠支撑腿由于重力作用,顺时针向下运动,完成尾部折叠动作。
图69第七阶段
第七阶段为平行爬行阶段,这时整个装置的尾部已经折叠,整体都已经爬上了障碍物,也没有了滑落的风险,装置呈现平行的全履带爬行状态,头部履带与底部履带形成三点稳定结构使装置平稳向前移动,直到通过终点线。
03
后续的改进
图70神龙号太空攀登车完成图
目前这个装置能够轻松攀爬52cm的高度,当然还有很大提升的空间,比如研究二段折叠甚至三段折叠技术,能够在此基础上继续提升攀登高度,可以达到“+ n”的效果。研究太空攀登车的目的,并不是主要为了比赛和追求攀爬高度,而是更好的应用于实际,造福人民。
后续改进的地方还有很多:比如外太空辐射很强,软体履带需要改成金属链式履带;延时触发机构可以由程序控制实现自由伸缩;辅助支撑腿也可以替换为机械式的辅助伸缩腿,当感应到前方有障碍物时,启动伸缩腿,抬起头部进入攀登模式越过障碍物。这个装置毕竟只是一个模拟攀登的过程,与实际应用还有一段距离,希望这个项目的分享能给大家带来一些启发,如果有不对的地方也请各位大佬积极指正。
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