【小站精选】硬核Geek：魔方机器人的心路历程连载(Part1-机械)

在整个魔方机器人的设计过程，经历了反反复复的验证和推倒重来，最终呈现出来的样子，远不是最开始设计的样子。这是由于创作过程中，我们学到更多新的技能，摸索到更多提升的方向，同时走出了原有的思维定势。

正因为如此，我尝试整理一下整个设计和制造历程，供大家参考。希望大家参考思维方式，提升自己的思维模型，并不建议大家直接参考设计，因为设计本身还存在很多不合理的地方，因此在文中和文外并不提供设计原档。

设计第二代魔方机器人的初衷很简单，因为做第一代的时候是在学生时代，受限于知识面和可操纵资本，无法做到尽善尽美。工作的几年中，每当学到新技能，都会思考到底能不能用到机器人上。即使在路上走着，也会不停的回想到底怎么样才能做得更好。

另一方面是几年来在各大视频网站陆续看到模仿一代机器人的视频，但鲜有看到重大突破，我觉得作为国内早期的一批魔方机器人缔造者，有责任和义务扛起振兴民族机器人希望的大旗，为年轻人树立标杆榜样。 终于，在2015年11月一个周六晚上，下定决心，以当时仅有的知识面，做出一个能代表自己决心和能力的魔方机器人。

当年的立誓文档。

这里把开篇的文档拿出来分享，最主要的想表达的是，做产品预研设计的时候，通常刚开始的假设，很可能在实现的过程中推翻，最后出来的成品可能与当初的设计相去甚远。然而不管最终成品远达不到设计要求，还是远超出当初设计要求，都是好事。如果远达不到设计要求，说明咱们早期对自身的能力边界没有清晰的认识；反之，说明咱们低估了自身的能力边界，在过程中学到很多新技能，并学以致用。

设计前期是论证阶段，从哪些维度来提升速度（较于1代）。第一代还原时间接近70秒，第二代设计之初指标定为15秒。因为分析第一代机器还原速度慢，主要是几个原因造成：

1. 旋转和夹持速度太慢
2. 解算出的还原序列太长
3. 图像识别和解算都通过STM32单片机实现，性能弱

针对几个主要原因，有以下对策：

1. 旋转和伸缩都更换为大扭力高精度超快速的高压舵机
2. 图像识别采用高帧率摄像头，通过PC识别
3. 解算通过PC，借助强大CPU找到更短解

老的旋转舵机参数为 0.14sec/60° @6V

新的旋转舵机参数为 0.03sec/60° @8.4V

在参数选型上，新舵机转速比老舵机快4.6倍，但由于扭矩只有原来的1/3，带动魔方考虑加减速的时间，新舵机大概比原舵机快3倍左右。

至于伸缩电机因为需要保证运行距离和扭矩，速度提升大约比原来快2~3倍。

最后是算法，在当时找到一款算法能产生比第一代短30%左右的序列。综合下来大致还原时间可以尝试挑战15秒。

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设计之初是11月底，为了缩短工期，于是目标设定为在次年1月底前将所有配件备好，利用整个春节假期完成整个机器人大部分机械和驱动设计，节后抽空完成参数调优。

在提高还原速度以外，另一个很大的挑战是机械结构的稳定性，需要在这么短时间内保证机械结构稳定，首选方案肯定是找现成的工业用料。一代机器最难的实现是保持整个伸缩旋转过程中各个轴心的对准。而现成方案里面最常见的伸缩方案就是丝杆滑轨了。

方案一：

这个方案最大的问题在于体积和重量，先说体积：

整个丝杆组件设计下来，占地 65cm x 65cm，这还没加上后置电机的长度，最终整套下来占地面积至少 1㎡，原谅作者家境贫寒，家里实在没有这么大的桌子可以摆下。

另一个是重量，初步估算整组重量差不多28kg，在作者还没锻炼好麒麟臂之前，要搬动这么大这么重的东西，可能还需要一个挖掘机。

当时的伸缩及旋转电机希望用工业级的无刷伺服，保证扭矩转速的同时控制也简单。

标称可达3000RPM，扭矩4NM，看参数用来做机器人完全足够，但买回来实测发现有一个很大的弊端，由于每次转动角度只有90°或者180°，电机内部转子铁芯非常重，转动惯量非常大，导致在这么小的行程内，连300RPM都没达到就要减速了，使得高速性能完全发挥不出来。

后来找到一些高加速度丝杆滑台，比如KSS的超精密微型滚珠丝杆，但也苦于实在是找不到货源。更重要的是高加速度其实是依赖动子的质量轻，因为F = ma，电机输出一般是恒功率或者恒扭矩的，如果推动的东西越重，加速度则越低；而行程△S = at²/2，加速度越低，所花费的时间越长。

于是，摒弃了大型工业电机的设计，转而全部换用小型高压高速舵机实现，于是有了下图的设计：

方案二：

通过两边伸缩滑轨驱动旋转舵机的做法实现控制魔方。

整个占地面积缩小了 3/4，重量测算也减轻到2kg以内，使得整个设计的可行性又往前进了一步。为此，把其中几个工件拿去做CNC回来做进一步的性能和重量测算。

但是垂直伸缩的方案最大的问题在于夹持的时候，两边需要微微用力维持，但一般舵机无法控制输出扭矩。实现伸缩时，到位都需要减速，涉及到减速，都需要时间，会导致一定的时间耗用，如果能大幅度缩减减速的时间，那又可以将速度再往上提一些。

根据分析，主要时间浪费在减速上，如果不减速，会直面撞上魔方，使得魔方产生侧向位移，致使相邻的两个轴心偏离。那我们能不能把机械结构设计成即使不减速硬碰硬，也不会影响其他轴心，也不会使得魔方发生位移呢？

实际上确实可以这么设计，当我们夹持的方式改为用夹子方式，使用单臂即可夹住魔方，不需要两个对爪才能把魔方夹紧。当某个机械臂需要夹住魔方时，可以狠狠地用力夹住，不需要担心夹持时对魔方产生位移。

方案三：

上图的方案除了看起来太丑以外，基础原理分析是可行的。但要实现控制爪子的伸缩难度很大，所以需要进一步优化设计。

此时已经是2016年春节期间了，期望春节期间把机器人做完已经成为遥不可及的梦想了，于是，静下心来，继续潜心把东西做好，并且把完工日期推至国庆期间。

方案四：

这个是在上图基础上，将爪子弯曲设计，使得在旋转杆上可以增加伸缩推进装置，使得爪子可以在电机控制短行程内实现大角度张合。不过基于这个设计还是有个问题，在于伸缩组件较大，而且含有轴承，使得转动惯量增大，不利于旋转电机的加减速，所以我们还需要进一步精简设计，使得方案更上一层楼。

方案五：

设计已经基本看到雏形了，不过为了验证设计是否能被加工，以及加工出来工件的机械强度是否能满足要求，于是按此设计打样回来的全部零件，此时已经到了2016年的中秋。

以下是该设计的3D组装效果图

这个设计最大的问题有两个：

1. 旋转轴没有前端支撑的位置，导致轴偏无法控制。
2. 伸缩舵机位置不容易固定
3. 虽然爪子可以硬碰硬撞上魔方，但驱动毕竟是通过舵机，瞬间撞停会导致舵机内部齿轮受到强大冲击力，致使舵机扫齿。
4. 如果不让爪子硬碰硬撞上魔方，需要带动整个机构减速的时间，会让前面的辛苦设计给浪费了。

无奈之下，我们重新踏上探寻新设计的征程。

随着将前面的设计推翻，首要考虑的因素是，如果有齿轮的话，硬碰硬必然会导致齿轮损坏。随之而然，作者将目光转移至直接线性驱动的方式，避免齿轮的使用。第一个脑海中浮现的就是电磁铁的方式。

方案六：

希望通过给线圈通入正向和反向电流控制爪子的伸缩，想着这把肯定没问题了，然而通电的那瞬间让我傻眼了。结果我就不说了，有兴趣知道的同学可以自己绕一个看看，并深入思考一下。设计出这样的东西是源自于对磁通量，磁感线分布的不了解。

随即也恶补了大量文献，专利等，深入了解电机技术，磁感线分布，磁通密度分析等知识，并购入大桶导线绕了无数的绕组做实验测试，最终有幸设计出一款一体性极强，直接融入整个机器人当中，并成为支撑结构的电机。

方案七：

当然设计电机并非容易的事，第一个要考虑的就是性能指标。简单的说，就是到底我们需要多少拉力，多少加速度，多大行程。

在计算爪子握持魔方需要多少拉力的时候，因为受力情况比较复杂，通过受力分析计算怕出现计算失误，所以优先采取比较简单粗暴的方式：

由图可见，握持魔方其实只要600g·f的力即可。但这只是静态握持，当我们旋转魔方时，因为有侧向力，我们需要更大的力气才可以将魔方握紧，否则爪子会松开。当我们旋转加速度越大，需要握持的力就越大。因此，我们初步将伸缩电机的拉力指标定为 2.5kg·f。

电机的加速度，与转子有关，转子越轻，体积越小，受力越大，则加速度越大，初步定义达到 100m/s².

运动行程与设计强相关，在本设计中，转子活动行程大约5mm。

行程信息很关键，直接决定线圈绕组的位置，面积，匝数，层数，线粗细，以及转子的体积，磁场强度。

做电机的，免不了手工绕一手好线圈。

第一次靠电的力量，将魔方紧紧的握在手里，此时已到2016年年底，项目已经耗费一年时间，进展相当缓慢。

然而当我以为一切基本以及成型后，才发现其实故事才刚刚开始。

因为轴承选取有误，机械安装公差累积没有评估好，导致因为加工误差和安装螺丝松紧程度参差，使得驱动轴可能稍微偏轴0.3mm左右，一般来说，对于非精密设计，0.3mm的累积公差是在接受范围内的，但选择的轴承无法接受这么大的轴心偏差，使得伸缩机构运动阻力非常大，甚至有时候 2.5kg·f 的扭矩都无法克服运动阻力，被紧紧卡死了。

深入分析后，发现并不只是轴承选择本身的问题，而是设计本身会导致多次运动过后，累积公差会逐渐增大，到最后自身无法承受的地步。接下来目标明确，尽力防止公差逐渐累积放大，并保证工件在公差要求范围内，能正常工作。

这一设计，又一年半过去，到最后，细至连轴承,轴承套都要自己设计，才能完成整机一体性，小体积和轻量化的目标。致使最终单臂设计完成后，准备按同样规格加工4个机械臂，在购入物料时发现，原来选购的舵机，已经停产了。

几经波折，才有了我们的最终设计

方案N：

还有其中的超薄起落架设计

整个魔方机器人设计过程中，机械部分是耗费时间和资金最大的，甚至可以说是始料未及的，最初预估即使使用工业级的伺服电机，整机打造成本可以在8千元以内完成。但随着设计的深入，在精益求精的追求下，打造成本也日益攀升。什么？你想问最后花了多少钱做下来？我肯定不会告诉你呀，不然怎么能拉你入坑呢？