【工创赛2025-塔吊方案机械开源（2分15秒）】西安理工大学工程训练中心

louisaerdusai

10902人浏览 · 2025-08-11 02:36:05

louisaerdusai · 2025-08-11 02:36:05 发布

一、前言

本文是本人的第一篇csdn博客，旨在详细介绍塔吊结构的设计初衷，设计过程中遇到的困难，调试时遇到的坑以及后期修正的地方。本文最后会附上2021版solidworks的机械文件，对机械部分进行全开源。

本文为机械结构开源，其他部分开源请移步：【工创赛2025-塔吊结构方案开源（2分15秒）】西安理工大学工程训练中心-CSDN博客

二、上一届的机械设计

本人有幸参与了2023年的工训赛，那一年我们采用的是多舵机加舵机支架组装的机械臂结构。

显然，这种结构既复杂，不好组装，由于运动轴多，舵机本身的精度也低，最终导致末端重复定位精度极差。在多次放置测试中，在电机锁死的情况下，每次放置相同物料时，都会在2环，1环，2环之间来回抖动，无法做到精确的1环。

这种机械臂的重复定位精度低只是众多问题中的一种。对于电控队友来说（其实我也是电控），多自由度机械臂的运动解算是十分复杂的数学问题，我在机械臂刚组装好的时候，试图将末端视觉坐标与现实坐标相对应，即相机标定后，直接解算出各个关节舵机的转动角度，但是经本人通宵一周后发现其数学问题的困难只是第一步，理论与现实的结合，视觉坐标的误差，相机标定的误差都会极大的影响最终效果。最终与电控队友商量后，决定写死动作组进行抓取与放置。

最终，此车成功通过校赛进入省赛，但由于视觉与电控的原因，以及对社区规则的不熟悉，最终无缘国赛，此车的生涯便告一段落。

三、本届机械设计由来

本人为2021级学生，即2025年毕业，在2023年工训赛结束后，按当时的时间预估是无缘2025工训赛的，但是偶然间得知2025比赛时间提前，可以在本人毕业前完成比赛，怀揣着没有进国的遗憾，与当年的队友，又抓了一个23级的学弟，决定再次征战2025。

对于本届物流小车的机械设计讨论其实由来已久，一是吸取了2023年的经验，确定了对重复定位精度的高要求；二是在2023年升降式结构的小车似乎以及已经成为版本答案，但是不论是丝杆升降还是同步带升降，都面临手短的困境，其定位精度放置精度极高，但是三分钟不一定能跑完全场。

在2024年电赛结束后，我们随即针对以上两个问题进行了讨论，一是确定了抛弃机械臂，采用步进电机或与其同精度的电机作为yaw轴；二是确定了传统升降结构的手需要伸长，以实现在物料台抓取时三个位置都能抓，地面色环放置时也能三个一起放而不需要移动底盘。基于此，确定了升降机与伸缩臂相结合的抓取方案。

随后的问题，便是升降机究竟采用同步带还是丝杆，我们认为，同步带速度快，精度高，但是步进电机不经过减速直接带动机构升降会面临较大的扭矩需求。对于传统升降结构，抓取机构没有伸缩的需求，结构简单质量较轻；但是我们不能保证我们的伸缩臂能被同步带驱动。同时考虑了同步带运行久后会存在较为严重的磨损，影响最终上场精度，故最终选用了丝杆作为升降传动机构。

对于伸缩结构的设计，我们借鉴了多种方案。早在2021年的b站远古视频上，就有一辆有着浓厚rm风的物流搬运车采用了升降机与伸缩结构（视频一时没有搜到，就不放链接了，打过rm的rmer应该都知道什么是rm风）。当时那辆车采用的是双重滑轨的结构，但是最终似乎没有进国，影响力有限。我们最终确定了三种伸缩方案，同步带，齿轮齿条，以及多滑轨的折叠式伸缩。在这些方案中，我们首先否决的是多滑轨的折叠方案，因为运动副数量的增加，必然会因为装配精度，材料磨损，加工误差等多种因素导致最终的末端重复定位精度降低，尤其是在yaw轴高速转动的情况下，工具头很有可能会陷入较大的晃动，需要更长的时间以稳定。

在同步带伸缩和齿轮齿条方案中，我们最终选取了齿轮齿条方案，原因在于，同步带的建模仿真没有齿轮齿条来的简单。虽然在这几天的竞赛中，我们发现同步带的精度比齿轮齿条高很多，但是已经不可能再做修改，这最终使得我们初赛放置的9个环中出现了一个二环，没能拿到满分。

四、基本方案设计

1.塔吊设计

上篇已经基本确定了y轴与z轴的传动方式，而下一步就是对基本方案进行设计

我们认真研判了基本受力件的构成：往年升降结构基本采用两个mgn7或者mgn9滑轨作为骨架，同步带作为传动。我根据经验认为，如果只采用滑轨作为骨架，这意味着整个滑轨受到的弯矩会很大，因为我们的传动电机在顶部。第二个原因，在于依靠滑轨的螺丝孔与角码配合，最终的高度会较难控制，因为滑轨在切割时，螺丝孔距离滑轨末端的距离会不一致，最终导致装配时不能让每一个滑轨组装完的高度保持一致。所以，采用其他材料作为支撑件，而滑轨仅作为运动承载件是最合的的。

淘宝上常见的升降模组都是用不锈钢制作，如果我们也采用不锈钢，整个塔吊结构的质量将会很大，这会导致小车重心偏移，快速启停时，车将会不稳。更重要的是，麦克纳姆轮在进行速度合成时，要求四个轮子的抓地力必须一致，否则速度合成将会有问题，如果车的重心偏移，那车在行走时就很难按照代码中合成的期望速度与方向前进。所以我们决定，除了必要的无法减重的元件，其他部件都需要尽可能的减重，所以采用了2020铝型材作为受力结构件。由于丝杆传动自带减速效果，意味着传动电机可以选择更轻扭矩更小的，所以采用了35步进电机作为升降机构的动力源。齿轮齿条的驱动电机需要做到在yaw轴高速旋转时，电机的扭矩可以抵抗整个工具头的离心力以避免跑飞，经过计算，28步进的扭矩已经足够。所以整个塔吊上部的电机选择都是以满足性能要求的情况下，尽可能减重为目标。

yaw轴电机的选择同样至关重要，作为2022赛季的rmer，我一眼就相中了gm6020。上一届的规则中规定了电池的电压不能超过12v，这就意味着至多只能采用3s电池进行供电，但是3s电池是无法驱动大型云台电机或者关节电机的，好在今年只规定了只能用一块电池，而没有限制电池电压。

我队友希望使用达妙的J4310，因为他复刻达妙轮腿时买了一批。我说，那我们看看达妙的云台电机，dm6220吧，因为看纸面参数，达妙6220和大疆6020基本一致，但是便宜了接近一半。这里我坚持用云台电机而不是关节电机，是因为我认为关节电机行星减速器的齿轮传动会有一定的虚位，末端重复定位精度没有云台电机高。所以本开源模型，以及我们参与校赛的车，都是采用的dm6220作为yaw轴电机。

在6220调试过程中，我们发现，采用达妙提供的位置速度模式接口进行位置控制时，速度快了以后震荡很严重，调了三天的pid，最终能保证震荡可以在1s内消除，但是1s的时间还是太久了。我按调试gm6020的经验进行调试，认为不能采用封装好的位置速度模式，因为这个模式下的电流环和速度环是达妙自己封装的，如果想要提升响应速度和稳定性，必须用mit控制方式。在与队友讨论后，由于位置速度模型的控制代码已经写好，而且当时离陕西省赛仅有一个月不到，我们最终在mit控制和更换关节电机中选择了更换j4310关节电机。所以，模型到手后，将6220的模型更换为4310，把铜柱加长，cnc的铝件重新开孔就可以替换为4310了。

2.底盘设计

（1）驱动电机选择

在2023年，我们底盘采用的是轮趣科技的mg513编码直流电机，因为当时张大头初出茅庐，我们还不知道有闭环步进这个东西，而采用开环步进，控制是不如直流电机丝滑的。

直到那年校赛结束后，我们才了解到了张大头闭环步进，但是省赛的时间依然是不允许我们对控制电机进行如此巨大的更换。但是今年我们从头设计了整车，采用闭环步进电机也就成了必然。步进电机在色环放置环节的精准度有着直流电机无法比拟的优势，因为直流电机只能通过控制速度环去控制位置，但是步进电机天然就可以做到精准的位置控制。

（2）悬挂设计

由于麦轮的速度合成严格要求四个轮子必须同时抓地，如果场地不够平整，导致一个轮子空转，那么最终的速度合成就会有问题，所以悬挂是必须的。但是悬挂也不需要过度设计，因为此车并不是越野车，场地情况大部分情况下都是比较友好的，弹簧悬挂大多数情况下都是为了减震，而我们只需要保证四个轮子不共面，以便让四轮能同时抓地。所以我们采用了设计上十分简单的摆式悬挂，此悬挂原理十分简单，就是把底盘变成了两个不共面的平面。

（3）电池仓设计

个人认为，电池仓与电池设计是本车底盘设计中的核心科技。一个好用的电池应该具备以下三个特征：1、满足系统的供电需求（电压与放电倍率），同时容量尽可能大；2、方便拆卸与安装3、稳定，安全。

往年的电池都是采用航模电池，但是我们在进行航模电池的电池仓设计时，发现了诸多问题。首先，航模电池的价格非常贵，尤其是6s电池的价格更是两三百起步。其次，航模电池的出线和平衡头出线会增加电池长度，我们希望将电池放置在车底部，但是空间受限，最大只能放置1800mah的6s电池。而且，航模电池还有一个非常致命的地方，就是过放容易死电芯，基本救不回来，几百块就打水漂了。

使用航模电池对整车供电，其实有点杀鸡用牛刀。我们计算了整车电流，最大不会超过5A，对于航模电池动辄20c、30c的放电倍率来说，就是涓涓细流。最终，我们决定自己使用18650拼一块属于我们自己的电池，并作为6s系列标准型号，应用在所有对放电电流要求不高的场景。