在RoboMaster比賽上，機器人有各種各樣的機械結構，像8個輪子的工程機器人

哈爾濱工業(yè)大學 工程機器人

頭部結構繁雜的英雄機器人

華南理工大學 英雄機器人

還有抱著5個氣瓶斜體爬階梯的工程機器人

東北大學 工程機器人

甚至同一種功能的夾取裝置，還有不同的設計：

兩所學校的機器人的取彈機構

不同的機械結構會直接影響機器人的效率。該如何找到最好的方案？這就是機械中最最最重要的內容——機械設計。

什么是機械設計？

機械設計是啥？是根據(jù)使用要求，對機械的工作原理、結構、力的傳遞、材料等進行構思、分析和計算，并將其轉化為具體的描述，以輔助制造。

說人話就是：我在家里想拿隔壁蘿卜君家里的蘿卜吃（這是使用要求），就開始動腦思考，還算了一下兩家的路線（這是構思和計算），最后畫圖制作偷取的工具（這是轉化）。

一個機械夾子

今天我來領大家入門機械設計，本文字字都是踩過的坑，句句都是流過的淚。可將手機調至靜音，含淚閱讀。

入門：機械設計初體驗

首先，機械的圖紙不是地上撿來的，是需要自己建立模型的（建模）。

這里我們一般使用的是一款普遍到爛大街的建模軟件：SolidWorks，簡單容易好上手，對于剛學畫圖軟件的同學非常友好，適合做創(chuàng)新設計比賽。

還有一款叫Creo，擁有強大的曲面建模能力，需要更嚴謹?shù)乃季S和規(guī)范的操作，適合曲面要求更高的產(chǎn)品。

接著，要加工零件，畢竟不是神筆馬良，畫出來就有。

我們DIY常用3D打印機和雕刻機加工。若是比賽和做產(chǎn)品，更多用的是CNC、沖壓和壓鑄等。

3D打印機可以加工復雜零件，比如打個六角圓弧自帶凹槽的彈倉。缺點是精度和強度不高。

3D打印零件

雕刻機可以雕刻平面，比如切個圓，鉆個孔。但是，只有培訓過的機械狗才能操作雕刻機，所以建議在X寶代加工。

雕刻機加工的零件

最后要了解基本的的緊固方式（比如螺釘）和傳動方式（比如齒輪），再利用DIY工具，動手操作一番。

常用的DIY工具有螺絲刀、螺栓螺母和扳手，這些工具可以滿足基本的連接需求。

通過以上工具，就可以自己加工和裝配，搭建出簡單的機器人啦。

如果想動手卻沒有加工設備，那就拆個電視冰箱過過癮吧～不過前提是家里有礦，不怕挨打。

進階：設計要領

以上是最簡單的入門，如果入完門你覺得“機械真有趣，我還有大把頭發(fā)可以掉”，那么，硬干貨開始了。

1. 系統(tǒng)設計

首先，做機械要有系統(tǒng)設計的意識，也就是大局觀。

設計之前我們要：明確任務、分析需求、功能確定……設計過程要：提出方案、確定方案、選定材料、結構設計……最后還得：仿真、組裝測試、優(yōu)化總結。

這才是一套合理的流程啊朋友們！那些憑感覺設計，做到一半才發(fā)現(xiàn)：“糟糕，他要一個電風扇，我卻做了一個風力發(fā)電機”的朋友，請好好反思一下自己！

曾經(jīng)就有隊伍在研發(fā)步兵機器人時，將底盤和云臺分給兩個人做，做完發(fā)現(xiàn)拼不到一起……真愁人，你說該拆誰的好 ？

2. 查閱資料

如果只是做個小木椅，那么隨心做，如果想成為一名機械工程師，那請好好掌握一大波專業(yè)課，有：《理論力學》、《材料力學》、《機械原理》、《機械設計》、《工程材料》、《機械制造基礎》等等。

在掌握課程后，就能夠真正地踏入一個項目了。項目開始的第一步是收集資料，這是機械工程師必備的素養(yǎng)。

最廣為人知的參考資料是《機械設計手冊》，這套手冊可以說是經(jīng)典中的經(jīng)典，機械行業(yè)里的《新華字典》。

機械全套「勸退」指南

它包含了常用設計資料、機械零部件設計（連接、緊固與傳動、軸系、支承等等）、流體傳動與控制、機電一體化及控制技術、現(xiàn)代設計理論與方法等等。

基本常用的機械知識都能在這套手冊里找到。

另外還有一些書籍。

《工程思維》、《機械設計實用機構手冊》、《機械設計方法論》、《機械設計實用機構與裝置圖冊》和《機械設計禁忌1000例》

3. 確認需求

了解完任務背景和收集資料后，就可以確定需求了。

這是非常關鍵的一步，甚至危及生命。因為如果需求不明確，以后當了產(chǎn)品經(jīng)理，是會被程序猿持刀恐嚇的。

舉個例子，在今年比賽中，很多參賽隊慣性地認為英雄機器人必須登島，就耗費大量的精力研發(fā)英雄登島的機構。結果發(fā)現(xiàn)，英雄不登島反而打得更好。

賽場上的英雄機器人

浪費人力物力，此為不仁，傷害隊友感情，此為不義……（誤）

想要正確認識需求，就要分清必達需求、最低需求和希望達到的需求。

必達需求：無論如何也要達到的，不然就撒手不干無法實現(xiàn)功能。

最低需求：各種限制條件，如效率、使用壽命等等。

希望達到的需求：有一定寬容余地，如好維修、方便操作和外形美觀等。

根據(jù)這些需求，綜合人力物力和資源，吾日三省吾身：功能能實現(xiàn)否，需求之間存在矛盾否，需求之間能被替代否等等。

舉個栗子：2018賽季的工程機器人，必達需求是獲取底層彈丸，最低需求是可以重復獲取彈藥箱，希望達到的需求是可以在6s完成登島，20s內抓取10個彈藥箱。

工程機器人取彈

這個過程建議列好需求分析文檔，根據(jù)實際情況來改動項目。

我的需求文檔

在分析需求時，切忌好高騖遠脫離實際，比如機器人飛躍上島……這事咱們5年內暫時別想了好嗎？

只有穩(wěn)扎穩(wěn)打地實現(xiàn)機器人的每個功能，并做到極致的穩(wěn)定，才是最靠譜的路子。

4. 方案設計

有了需求，就要開始設計方案了。如果說機械結構決定機器人身體的好壞，那么方案設計就是機器人的靈魂品質的高低。

在方案設計過程中一般有以下幾個步驟：

1）集智法：團隊提出多種方案，按照原動部分、傳動部分和執(zhí)行部分，分別思考討論。舉個簡單的栗子：工程機器人抓取彈藥箱時，氣缸是原動部分，被推動的滑塊是傳動部分，爪子則是執(zhí)行部分。

2）方案篩選和融合：根據(jù)提出的方案，評估每個方案的可行性，綜合考慮人力、資金和可行性等問題，融合提煉出一個最終方案。

3）要點實現(xiàn)review：確定最終方案后，回頭思考這個方案能否滿足需求。

一個合理可行方案往往能夠起到事半功倍的效果。再舉個栗子：2018賽季，深圳大學的工程機器人登島結構，擁有不同高度的輔助輪，可以適應各種階梯，外框架可以伸縮抬升機器人，高效簡潔，實在是高。

深圳大學的工程機器人

最后它也在登島取彈的單項賽中成功奪魁，實在優(yōu)秀。

那么對于機械新人，看到別人優(yōu)秀的機械方案，能不能照抄呢？

其實，同類機器人的成功案例可以直接借鑒，不符合要求的就要改進。那些一味求新、把血淚經(jīng)驗棄置不理的極端行為，我們墻裂譴責！

5. 設計階段

設計階段就是，把腦子里不可描述的想法，轉變成模型。基本原則是：明確、簡單和安全。

這需要確定機器各零部件的材料、形狀、尺寸、加工和裝配，涉及到材料、工藝、精度、計算方法、實驗等綜合性工作。

過程主要有零件設計、部件設計和整體設計三個部分。

1）零件設計

零件設計主要有以下三個方法：理論設計、經(jīng)驗設計和模型試驗設計。一般創(chuàng)新設計比賽過程中比較常用的是理論設計和經(jīng)驗設計。

設計零件時，要把握好每一個零件的強度和剛度，避免零件損壞失效。同時要考慮工藝性，降低零件的制作成本。熟悉加工工藝可以在這一方面有很多的幫助。

在滿足上面兩個條件的情況下，盡可能減小零件質量，避免材料浪費和減小整體慣性，改善機器的動力性能。

2）部件設計

部件設計時，要協(xié)調各零件的結構及尺寸，使零件構型合理。下圖的錯誤示范，就是沒考慮加工工藝，加工商看了是要打人的。

設計重要的機構時，還要做出簡略的實物來驗證可行性。曾經(jīng)我就因為關鍵結構要重做，導致整臺機器得大改。隊友聽了都想打人。

3）整體設計

整體設計時，要注意好每個部件的空間布局、部件之間銜接的位置，和線路布置的問題。

比如說英雄機器人，它有云臺模塊，底盤模塊和取彈模塊，如果制作這三個模塊時，沒有考慮整體設計，做完就會發(fā)現(xiàn)根本拼不起來。

英雄機器人的三個模塊

只有確保部件之間的配合、零件輕量化，和保證足夠的剛度強度，英雄機器人才能穩(wěn)健有力，不易跑掉輪子和散架。

完成整體設計后，還有一個校核的步驟。我們需要校核主要零件，得到計算結果，發(fā)現(xiàn)“這個零件還不夠完美”，再修改出一個更優(yōu)的作品。因為每個零件的尺寸、位置和配合關系已知，作用在一個零件上的載荷也就基本可以確定。

身為21世紀熱愛上網(wǎng)沖浪的少年，還會通過有限元仿真分析來校核。

它沒有繁雜的計算，可以直接看出零件的受力情況和形變幅度，對于零、部件的修改提供參考。熟練的運用仿真協(xié)助設計，能節(jié)約人力成本和避免設計的誤區(qū)。

有限元仿真分析

6. 打樣測試

打樣測試就是把機器做出來，測一下會不會翻車。（其實就是整機、零部件的強度、剛度和運轉精度等方面的性能。）

驗證一般有兩種，一是驗證某模塊能不能順利跑起來，可以用低成本的材料測試。例如用3D打印件代替受載荷較小的加工件，用價格和強度較低的玻纖板替代碳纖維板等。

像下圖，一個復雜的扇葉模型，在測試時可以直接簡化成一塊玻纖板和幾塊鋁板。

被簡化的測試的機構

二是驗證機器整體性能和壽命，這時就要完全遵照方案來制作機器，然后反復測試，看它能頂多久。

在比賽中，我們經(jīng)常看到機器人“翻車”，上島翻、下坡翻，被隊友撞了一下也翻……其實只要有充足的測試，這些黑歷史都可以避免。

機器人下島時“翻車”

打樣過程有一些血淚史，請大家牢記在心：

1）打樣前一定要反復檢查圖紙，避免重要尺寸的漏標和錯標。記得曾經(jīng)有人把電路板的mm標成cm，最后收到一個比頭大的快遞，以及燒了一個月的生活費。

2）列好BOM表，明確零件加工的成本和數(shù)量，避免漏件。別裝到最后發(fā)現(xiàn)少了某顆螺釘和螺母。

3）加工過程中要跟加工商保持溝通，保證零件的加工的準確性、精度和交期。

曾遇過一個加工商，最喜歡無視圖紙的公差。所以每次拿到零件都要手動磨半天才能用，令人憤怒。

交期也很讓人頭冷，如果是5號交貨，就要從1號開始催，一日三餐，一天三遍。（雖然催完5號也不一定能交，但是士氣一定不能輸）

4）零件回樣之后及時驗貨，有問題就返廠。組裝時注意裝配順序，記錄設計不合理的地方，下次避免。

5）盡可能模擬機器的使用工況來測試。水下機器人就讓它下水，空中機器人就讓它上天，不要跟它客氣。測完記得記錄問題，為下次迭代做準備。

7. 總結優(yōu)化

總結優(yōu)化階段主要任務是完善和擴大方案。而且，機器都由人來組裝和操作，所以也得考慮人機交互的關系，來提高機器的效率和降低組裝和維修難度。

好的機器作品往往不是一蹴而就的，總是經(jīng)過幾個版本的迭代，不斷優(yōu)化才能趨向穩(wěn)定。

很多優(yōu)秀隊伍的機器人通常在比賽前2個月就完成了，經(jīng)過長時間的測試和迭代，才能將機器性能推向極致，在賽場稱霸風云。