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轉眼2019了誒，可能有些同學又該問了，哇向陽哥，你這個鴿子放的好，轉眼大半年了一年都沒更新，我也知道啊，說好的源碼呢，挖的機械的坑呢？咕咕咕咕我也不想啊，我這不是懶嗎！過年有空了，又到了收紅包泡妹子玩遊戲.......呸，學習準備比賽碼代碼的時候了，終於有點空閒，於是乎今晚先把機械的大坑填了。
咱話先說在最前面。機械這玩意，靠經驗，也考想象力，更要命的還是出了問題立刻檢查補救排除的能力。首先我在這裏定義幾個板球系統非常關鍵的機械專屬名詞，大家最好在這裏記住，省的等會在下面文章裏面提到，大家一臉霧水。
- 舵機傳動連桿以及安裝方向和連桿長度
- 中心支撐以及連桿邊緣支撐點
- 軸承
- 舵機輸出頭（輸出盤）
- 舵機多功能支架
- 萬向節和碳纖維杆
- 1cm厚度雪弗板
- 5mm厚度和3、4mm厚度的亞克力塑料板，激光切割和3D打印，鋁型材
以上內容不分先後（呸，要命順序排列，越前面的越要命）
好了，關鍵名詞說完了，咱們來說說機械的坑。衆所周知，裝置失控誰的鍋？答案肯定是機械（滑稽），機械的坑大大小小五六個，有不要緊的也有送命坑，咱先說小坑。很多同學當時做機械就是用熱熔膠和木棍，電賽做多了都快成木工了。首先咱們說說這個激光切割和3D打印，大家實驗室有能力的話購置一臺60cm x 60cm 行程左右的激光切割機，或者15cmx15cm左右的3D打印機，這兩樣現代加工機器可以給你的比賽帶來意想不到的快速加工能力，精確，快速且漂亮。如果沒能力搞這個，最起碼周邊靠近的tb店或者實體店得先問一圈吧。
建材市場和就近的五金店是個好去處，比賽開始第一天上午我們就去建材市場尋找合適的板材，選材有如下幾個：木板（不同厚度），塑料頂棚（中空口字型橫向排列），雪弗板（1cm厚度），硬塑料板（實心），綜合考慮以上材料的剛性，變形程度，以及重量，我們最後選擇了切割的50x50cm雪弗板，汽車用品店買了兩箱子50罐子啞光黑色自噴漆。說到這裏可能大家就又要問了，向陽哥，你這個板球系統，誰讓你噴漆了？我在這裏先說一句，電賽這種東西，先看上頭的意思，在我觀察看來，電賽管理方的老師都是德高望重，身居高位的老師，老師可能縱橫科研江湖幾十年，發過無數篇SCI,手下管理研究所幾百號學生。但是，俗話說術業有專攻。老師不一定懂板球系統和視覺處理，甚至簡單的機械原理。你說一個搞大功率MOS課題的老師，怎麼會懂表面摩擦係數呢？？？？我問你？你懂嗎？於是乎，全國各地，說的不客氣一點，能不能噴漆取決於當地管理老師的脾氣和智商。不過我們這邊老師讓噴了，大家最好比賽時候打求助電話問“上邊的意思“，別來問我的意思，我的意思不管用，嘿嘿。噴漆不影響小球在板子上面的摩擦力，也不會黏住，顯而易見的事情，僅僅是爲了方便視覺處理。有些地方逼急了只能白板黑球，沒得辦法的辦法。萬向節一定要準備，tb一買一大堆，軸參數合適就行，我用的4mm轉接4mm的萬向節。碳纖維杆也是必備物品。木頭杆子也行，我的杆子主軸和兩個舵機輸出機構都是中空碳纖維杆，4mm，長度根據需要自己鋸斷就好。5mm厚度的亞克力我們買了800塊的，讓店家手切成60x60cm的大方塊以便回去用激光繼續切小塊。摺合成本大約5mm厚度600x 600mm大約50塊，tb上買得60-70，略貴點。4mm厚度的和3mm厚度的買了400 x 400 mm的若干，老師走的tb買的。舵機輸出頭和舵機多功能支架簡直是必備物品，玩過飛思卡爾的都知道這玩意，想當年調車，輸出頭和舵機被我撞廢了好幾個。在一個就是銅螺柱，3mm的公母螺柱，母母的，各種長度若干，螺絲螺母若干，提前找tb五金店問客服來個大套餐完事。在一個就是軸承，有些傳動活動關節用了軸承和不用軸承簡直是天壤之別，做過工程訓練賽無碳小車的同學應該對於軸承的使用爛熟於心。到此，準備工作就嘚瑟完了，剩下的就是兩個要命點，我單獨開小標題給大家來說。
大坑之一：整體框架
我上面婆婆媽媽說了一大堆零件，那麼問題來了，先有骨架後有細節，骨架在哪裏呢？用4040鋁型材啊！經常做機械或者做過rm的同學肯定知道，初代的步兵車和補給站，基本都是鋁型材，到後面大家有經驗了，接觸First和其他先進經驗，（有錢折騰了）才採用碳纖維板加合理鏤空的方式。扯遠了，回到話題，我們用的鋁型材是4060（好像是），長方形的，下面搭建成王字型，再把600x600mm的亞克力切割打孔，固定在王字形鋁型材上作爲地板，一根我也記不清多長反正就是很長的鋁型材豎起來做攝像頭的柱子，在柱子頂部再來一段平放着的鋁型材，作爲攝像頭安裝點。說起這個又想起了攝像頭位置安裝要配合焦距，視野角度，曝光，爛七八糟的，固定攝像頭當時又花了一番功夫，別的組有搞可以調整的攝像頭底座，方便調整視野，我們直接502工業速幹膠糊死省的再動。整體裝置很相似一個大底盤的檯燈。事實上我們鋁型材買重了，4040就夠用了好像。不過重一點的話也穩，不至於舵機一抽風整個裝置散架。不多說了，上圖。（實際上攝像頭應該最後再安裝，我們當時也是這麼幹的，畢竟板子裝好了才能調整視野範圍。注意你們的安裝順序。）
大坑之二：舵機連桿
好了到現在爲止舵機裝上了，整體框架有了，到了具體細節的部分了。那麼到這裏同學又要三千問了：你這個舵機連接的部分用的是啥啊，咋做的啊，怎麼想到的啊，傳動要靈活縫隙又沒那麼大，板子老是動起來就晃動的很厲害，自旋轉，一點都不穩定咋辦啊？底下咋支撐的啊？？
這個部分比較神坑，細節也比較多，用嘴說一般人理解還比較困難，得上圖。到這裏我先問候一下出題老師，老師您太英明瞭，叭叭賽題一出，要效果規定的明明白白，尺寸有那麼大，將近一米，演示效果肯定爆炸，一點都沒考慮製作成本和運輸成本，以及運輸和大板子帶來的精度損失以及意外情況，全靠學生們自己絞盡腦汁肝，百分百充分鍛鍊了學生們艱苦條件下的極限創造與實踐能力，實在是精彩。
迴歸正題，我當時的處理辦法是：舵機部分，先上舵盤，也就是所謂的輸出頭，舵盤上一共四個螺絲點位，3mm的。我和隊友商量合作以後使用5mm亞克力設計了一個橢圓棒狀的輸出臂，一頭用千分尺和賣家的輸出頭圖紙給出孔位參數，打四個安裝螺絲孔，用來結合舵機的輸出頭，另一頭直接打12mm直徑的圓，使用了過盈配合，把一個直徑13mm左右的軸承（內部4mm直徑）牢牢嵌入。3D打印這時候也沒閒着，我們設計了一個圓柱體，內部中空，可以套住碳纖杆，頂頭鑲嵌圓環，可以通過4mm螺絲，兩臺打印機一直在工作就沒停下來過，玩命打樣品測試配合程度，此時已經是第一天晚上。這些零件製造齊了以後，我們開始了組裝，效果如下：
第一張圖看似很完美對不對！很nice對不對！完美瞭解決了問題還很精緻對不對？高興太早了！！！！這裏邊是坑中坑，還有兩個神坑，坑死人不償命。
此時，注意第二張圖的舵機連接杆長度對比，此處爲神坑第二坑，劃重點，思考題：我爲啥要把杆子整這麼短? 坑先挖了，本文最後再說。咱們繞回來先看第一神坑。此坑是舵機連桿的坑中坑，現在輸出連接裝置有了，動力可以傳動下去了，那麼我要問你，舵機安裝的話，在板子地板上，可以看做一個絕對的座標系X,Y軸，中心是板子支撐中心，那我要問問嘛，舵機是橫着放地板邊緣舵機輸出杆平行於邊緣，還是豎着放舵機輸出杆垂直衝着正中心？我當時就是這麼問自己的。我們先嚐試橫向沿邊緣形式，發現板子經常自旋轉，很晃動，舵機一旦抽風整個板子都在顫抖（注意，板子顫動，有三個原因，其一機械配合不好，其二舵機輸出杆XY方向不對，其三，見本文最後神坑），我們反覆觀察了油管和其他視頻網站板球縮小版本的、舵機驅動的視頻樣例，總覺得不對，發現人家舵機都是放在裏面。輸出杆垂直向內，有一定自鎖作用，防止了自旋轉。說到這裏大家可能很懵逼，想象不出來，這裏給大家上圖。
此處爲王向陽比賽之前對流傳最廣的板球系統做出的模型，此模型系統狀態屬於臨界狀態，時刻保持震盪，控制不收斂，稍加擾動球即可出界。可以看出舵機輸出頭沒有軸承，沒有萬向節，舵機擺放方向不對，傳動縫隙過大，是典型的錯誤案例。
注意此圖，是我們定型版本，舵機連桿是時刻衝向地板中心的。
此時還有一個細節需要說明，板子比較沉，碳纖杆伸出去直徑只有4mm，爲了防止碳纖維杆子把板子戳破，我們採用了亞克力激光雕刻工藝，在5mm小正方形上雕刻一個8mm圓孔（沒有切穿，僅僅是挖個孔洞，洞有多大取決於你的萬向節）再將萬向節鑲嵌進去增大受力面積，和接觸面積，防止板子頂穿，變形。圖片如下：
此時舵機側的機械結構解決了，我們也解決和板子的鏈接和聯動問題，此處我採用了中心大支撐點加兩側舵機小支撐的設計方式，三個支撐點均採用萬向節支持快速拆卸碳纖維杆，見上圖。（炸了好立刻換掉，留後路，DJI爸爸教過我們好多次的經驗之談，一定要模塊化，快拆設計，不然炸一個換一窩累死你）
大坑之二：主體支撐
說到這裏我已經洋洋灑灑寫了3500字了，當時比賽的話，我做到這裏已經是第二天上午了，還有一天多半的時間。做到這裏，這個時間段，有一批同學應該已經從選題到棄賽了，剩下的一部分還在苦苦掙扎。有的同學想象力賊豐富，可能是漫威蜘蛛俠電影看多了，搞了幾條線吊着板子，上面定滑輪帶着伺服電機吊着板子傾斜做動作，裝置大的一批，表現因爲絲線的彈性晃得一批，這些都是我們在決賽現場看見的，可見廣大大學生產生的無窮創造力。可能寫到這裏大家又該問了，向陽哥你這個板子這麼沉，怎麼撐起來的啊，舵機連桿做完了整體大約有15cm高，得整個多粗的杆子撐中心啊，撐得住嗎？這時候我就要給大家介紹我當時踩第二道坑的絕佳設計：中心支撐柱!
中心支撐柱，採用5mm優質亞克力，高質量銅螺柱，經過三點式打孔，120度分開安裝螺絲螺柱，分散受力，每層與每層之間採用圓形亞克力固定連接，頂層固定法蘭盤轉接口（這玩意兒也得買我前面忘了寫了）安裝碳纖杆，結實耐用受力均勻，實乃居家旅行比賽爆肝之必備佳品。廢話不多扯上圖！
關於整體高度問題，我用銅螺柱和亞克力湊了大約11cm多，剩下距離的通過碳纖維靈活切斷來湊，自己體會。在這裏先給自己隊友CAD製圖能力跪了，老哥平日裏沒少畫圖，我這邊說完設計給完參數他十來分鐘秒出圖，痛快！到此爲止第二個坑結了。什麼？你要圖紙？來我羣裏有空我傳上來咕咕咕咕咕。比賽到這裏，大約到了第二天傍晚，第二年天18點左右機械總裝以後位置pd調一把球就穩了，穩中心點沒問題，編程奮鬥了五小時到了第三天凌晨包括激光追蹤、路徑點、以及追cos、sin的畫圓等功能已經全部實現，至此第二天我們已經將賽題基本做完開始拍視頻發各大羣裝13。第三天的時候我們在微弱調整以及增加GUI和按鍵。
隱藏神坑：舵機平衡位與力臂
衆所周知，舵機是依靠電位器的一個位置閉環執行器。低端的機器人用的多是舵機，高端的機器人用的是伺服電機加電流、位置速度閉環再加高精度減速器、編碼器。舵機依靠電位器輸出的電位差來輸出扭力，離目標位置越大扭力輸出越大。當舵機遇到平衡位置時會有一個力量維持在此，如果有外力搬動舵機會增加出力。我們舵機使用6s鋰電池降壓6v供電最大3A。電源功率是夠了。可是因爲板球板子過於沉且有慣性，在目標位置有些舵機工作功率小並不能維持穩定，舵機會因爲板子的重力和速度慣性先目標位置被壓下去，到了一定位置反饋增加力量開始將板子向上推，推出速度到了目標位肯定又是拉不住，於是循環往復，處於臨界狀態，稍加擾動即可失控。此時就算你不加pid板子自己都穩定不住，這種情況我在比賽時候遇到過不下四隻隊伍，基本這些隊伍都認爲pid問題、或者是舵機燒掉了，基本遇到這些問題的隊伍都領了盒飯。修正舵機扭力過載的問題有兩種解決辦法，和一種檢測辦法。先說檢測。如果你把舵機單獨累增累減pwm發現沒問題，放到裝置上不加pid，累增累減pwm讓其擺動發現開始自震，那麼就是目標位置過載了。解決的辦法就是縮短力臂，並且嘗試更換更大功率和扭力的舵機。這一神坑是我比賽完半年以後才發現的，當時舵機的迷之抖動是我心中一直的謎團，當時好多舵機在這種抖動工況下時間長就燒了。那麼我當時又是如何規避這一坑的呢？這要非常感謝我隊友比賽一年前購買的劣質機械臂套件。這個機械臂上的八個舵機電位器並不是那麼靈敏，到不了平衡位置扛不住自己也不顫動，差着距離就差這了。比賽完我們這個舵機也臨近報廢了，拆開一看還是塑料齒輪的。人生第一次感謝假貨!
注意圖中力臂差距。長者是我比賽當時使用的力臂，後來更換舵機發現一直臨界震動才更換爲上面的小力臂。
到此基本機械的坑就都填寫完畢了。填完所有坑我用了五千字，這些東西要在比賽一到兩天之內全部發現、領悟、解決，本身就是一件了不起的事情，也非常考驗團隊指揮、處理、分工合作和個人能力。希望大家能在我的文章中有所收穫，在2019年的電子設計中創造自己的輝煌。後面還有程序設計的坑，我們有空接着填！！
2019.2.9:突然臨時想起來再加一條，兩條舵機PWM信號線上最好加一個開關，單片機下程序或者上電的時候以及pid失控的時候關鍵時刻切開關，防止舵機抽風！經驗之談，大家注意就好。
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