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前言

????????隨著科技進(jìn)步，社會(huì)生產(chǎn)力迅猛發(fā)展，機(jī)器人行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，其中四足機(jī)器人發(fā)展迅速，被廣泛應(yīng)用。四足機(jī)器人是一個(gè)綜合性極強(qiáng)的研究產(chǎn)物，它以機(jī)電一體化技術(shù)為主導(dǎo)，綜合應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)、液壓、傳感器等多方面的知識(shí)。四足仿生機(jī)器人具有高機(jī)動(dòng)性，負(fù)載能力和適應(yīng)能力強(qiáng)，可運(yùn)用于物資運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救援等方面，具有廣闊前景。由于制作電機(jī)狗需要高昂的成本。DIY自主設(shè)計(jì)制造一款舵機(jī)狗來學(xué)習(xí)研究四足機(jī)器狗的步態(tài)算法是一件性價(jià)比極高且很有意義的一件事。（此處復(fù)制粘貼的幾句象征性的大白話，儀式感還是要有一點(diǎn)的）

????????本文就來詳細(xì)介紹記錄博主自主DIY的一款12自由度的舵機(jī)狗。從開始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，舵機(jī)選型，matalab進(jìn)行步態(tài)算法的仿真曲線，trot，back， turn_left ,? turn_right? ?,? mark_time等多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的理論波形分析， stm32F103ZET6主控程序代碼的編寫? ，以及到最后機(jī)器狗落地行走的整個(gè)詳細(xì)過程記錄下來。（ 不說廢話了，純純干貨獻(xiàn)上,開吃！)

一、初步了解四足結(jié)構(gòu)

????????通過查閱相關(guān)資料，我們把四足種類分為幾種類型，按單條腿機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)機(jī)構(gòu)腿與串聯(lián)機(jī)構(gòu)腿。按照四條腿的關(guān)節(jié)配置又可以分為4種結(jié)構(gòu)布局，分別為前肘后膝式、前膝后肘式、前后肘式和、前后膝式。

????????原理：每個(gè)腿部由兩個(gè)電機(jī)并聯(lián)組成的雙自由度五連桿機(jī)構(gòu)，通過兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同角度來實(shí)現(xiàn)足端的任意點(diǎn)的移動(dòng)，典型結(jié)構(gòu)：武漢大學(xué)2019robocon比賽四足，如圖所示。

????????優(yōu)點(diǎn)：電機(jī)扭矩選型要求不高，可以實(shí)現(xiàn)低扭矩高彈跳能力，連桿剛度大、質(zhì)量輕、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)：腿部自由度較少，結(jié)構(gòu)上不好再添加自由度，因而在一些場合下難以發(fā)揮靈活優(yōu)勢，需要解決連桿的連接問題，安全性低。

1.1.2串聯(lián)機(jī)構(gòu)

?????????原理：每個(gè)腿部由兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)組成的雙自由度腿，通過兩個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同角度來分別實(shí)現(xiàn)大腿與小腿所旋轉(zhuǎn)的角度，即大腿電機(jī)或小腿電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不影響小腿或大腿的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)事例：MIT開源四足模型，如圖所示。

????????優(yōu)點(diǎn)：外觀上跟接近“狗”的生理形態(tài)，結(jié)構(gòu)形式種類豐富，容易添加自由度，結(jié)構(gòu)靈活簡單，安全性可靠性高。缺點(diǎn)：電機(jī)扭矩選型要求高，需要大扭矩電機(jī)，電機(jī)一般有較大的減速比，因而普通的減速箱會(huì)有一定的間隙問題。

1.2?四足關(guān)節(jié)配置

????????四足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)就是靈活性高，穩(wěn)定性好，所以在設(shè)計(jì)結(jié)果時(shí)一定提前考慮好它的關(guān)節(jié)配置，找到最合適的結(jié)構(gòu)，以免影響其運(yùn)動(dòng)的靈活性和穩(wěn)定性。當(dāng)前四足仿生結(jié)構(gòu)不外乎以下4種：（a）前肘后膝式，（b）前膝后肘式，（c）前后肘式和（d）前后膝式，如圖所示。這4種結(jié)構(gòu)是常見的仿生結(jié)構(gòu)，它們各有利弊，每一種結(jié)構(gòu)都能設(shè)計(jì)出不同性能的四足機(jī)器人。

二、結(jié)構(gòu)方案選擇及舵機(jī)選型

2.1并聯(lián)與串聯(lián)機(jī)構(gòu)的選型

???????由設(shè)計(jì)要求與外觀以及制作四足的難易與成本問題，在結(jié)構(gòu)與算法上二者難度沒有太大的區(qū)別，從靈活程度與現(xiàn)有成熟方案上來看，我們優(yōu)先考慮12自由度的串聯(lián)四足結(jié)構(gòu)。為此我們考慮了多套方案。

????????方案一：如下圖所示此模型是我們之前準(zhǔn)備設(shè)計(jì)制造一款電機(jī)狗設(shè)計(jì)的模型。采用同步帶傳動(dòng)的串聯(lián)四足結(jié)構(gòu)，但由于電機(jī)扭矩太小，導(dǎo)致四足站立行走困難。我們同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些同步帶的缺陷，同步帶的張緊問題比較復(fù)雜，容易在高載荷工況的情況下跳齒打滑，并且其響應(yīng)速度以及精度問題可能不如連桿或絲杠，優(yōu)點(diǎn)是將電機(jī)裝在了髖關(guān)節(jié)附近，這就使腿的質(zhì)量大大降低，從而加快其響應(yīng)速度。

????????方案二：如下圖所示，此模型為2019年的東北大學(xué)robocon四足模型，此四足采用了絲杠傳動(dòng)，傳動(dòng)精度較高，但針對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)和絲杠參數(shù)來看，絲杠傳動(dòng)的缺點(diǎn)是其傳動(dòng)速度較慢，可能難以實(shí)現(xiàn)跳躍動(dòng)作。

?????????方案三：如下圖所示，此模型為宇樹科技的四足模型，其腿部是采用了連桿結(jié)構(gòu)，將電機(jī)裝在了髖關(guān)節(jié)附近，這就使腿的質(zhì)量大大降低，從而加快其響應(yīng)速度，并且連桿擁有較強(qiáng)的剛度，不會(huì)出現(xiàn)跳齒的情況。

??????????方案四：如圖2.6所示，此模型為蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（Eth）研制的一款四足機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將電機(jī)裝在了關(guān)節(jié)處，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)安裝拆卸維修簡單，但是其腿部的慣量大大影響了腿的響應(yīng)速度，從而影響了其靈活性。

????????綜合上述方案，我們采用連桿串聯(lián)結(jié)構(gòu)式四足機(jī)器人，其特點(diǎn)在于其強(qiáng)度大、腿的質(zhì)量小響應(yīng)速度快，精度高以及安裝拆卸比較方便。?

2.2 四足關(guān)節(jié)配置的選擇

????????通過觀察，包括很多前人對(duì)四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)的研究，我們可以知道前后膝式結(jié)構(gòu)更符合獵豹、狗等動(dòng)物的腿部結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)外觀精美，結(jié)構(gòu)比較靈活，更容易實(shí)現(xiàn)跳躍、后空翻等高難度動(dòng)作，因此我們采用此結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2.3 電機(jī)選型（有經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的建議嘗試）

? ? ? ? 一直計(jì)劃是要做一只電機(jī)狗的，在電機(jī)選型方面經(jīng)過多次的調(diào)研比對(duì)和數(shù)據(jù)分析后還是選出了一款特別適合的電機(jī)，由于資金和老師溝通不到位等問題，最終還是選擇先嘗試制作的舵機(jī)狗。不過，關(guān)于之前電機(jī)選型的過程，還是給大家貼出來，供大家參考。

????????對(duì)于電機(jī)的選型，12自由度四足意味著電機(jī)數(shù)目多，因而我們優(yōu)先看電機(jī)是否集成編碼器與驅(qū)動(dòng)，這樣減少不必要的元器件所占的空間、質(zhì)量問題，其次從電機(jī)扭矩、功率、轉(zhuǎn)速等方面來考慮，我們?cè)O(shè)想四足質(zhì)量約為16kg左右，大腿與小腿的長度均為200mm。計(jì)算可得大腿與小腿電機(jī)參數(shù)一樣，四足從臥倒到起立所需最大扭矩約為8Nm，髖關(guān)節(jié)電機(jī)可以原則較小扭矩的電機(jī)，因而我們打算采用大疆3508電機(jī)加減速箱作為髖關(guān)節(jié)電機(jī)。

? ? ? ? 從宇樹科技的A1機(jī)器狗了解到，宇樹公司電機(jī)扭矩可達(dá)100Nm，其轉(zhuǎn)速為20r/min，但該公司只出售電機(jī)扭矩為30Nm左右的電機(jī)，并且12個(gè)起購，預(yù)定時(shí)間太長。再后來我們看到麻省理工的四足采用的是海泰HT-03電機(jī)，該電機(jī)堵轉(zhuǎn)扭矩為17Nm，因此我們查看了海泰HT-03電機(jī)，意外的發(fā)現(xiàn)一款更加適合做四足的電機(jī)——HT-04電機(jī)，該電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩為35Nm，轉(zhuǎn)速300r/min，無論是在完成基本的行走，還是完成跳躍以及空翻等高難度操作都綽綽有余。

海泰電機(jī)：? ?HT-03電機(jī)參數(shù)：

?HT-04電機(jī)參數(shù)：

?2.4 舵機(jī)選型

? ? ? ? ? 接下來就是我們最終實(shí)物制作采用的是眾靈科技的一款大扭矩，性能較好的智能串行總線舵機(jī)（雙軸）。下面為此款舵機(jī)的具體參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，支撐行走完全沒有問題的?；谘芯克淖悴綉B(tài)算法的迫切心情以及時(shí)間經(jīng)費(fèi)有限等原因，我們就暫且先用這款舵機(jī)了。

?三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3D建模及有限元分析

? ? ? ? 整體方案采用3D打印進(jìn)行零件加工，耗材為pla，先通過creo進(jìn)行建模，再通過Altair Inspire拓?fù)鋬?yōu)化與creo創(chuàng)成式設(shè)計(jì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行分析獲得較好的優(yōu)化方式，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模型用建模軟件creo進(jìn)一步修改。具體過程如下：

?3.1小腿優(yōu)化過程（拓?fù)鋬?yōu)化）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??

?3.2大腿優(yōu)化過程（拓?fù)?創(chuàng)成式優(yōu)化）

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3.3身體優(yōu)化（創(chuàng)成式設(shè)計(jì)）

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?3.4有限元分析

?????????通過ANSYS Workbench進(jìn)行有限元分析可得優(yōu)化結(jié)果滿足正常工作需求，并通過Altair Inspire進(jìn)行有限元分析對(duì)比，得出兩個(gè)軟件分析結(jié)果相近，如下圖所示（這里以小腿與大腿為例演示），并且分析其安全系數(shù)均遠(yuǎn)高于1.5，故此方案設(shè)計(jì)合理。

?材料屬性分析：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????

小腿應(yīng)力分布云圖（Ansys）：????

?小腿變形云圖（Ansys）：? ? ? ? ?

小腿應(yīng)力分布云圖(Inspire) ：? ? ??

小腿變形云圖（Inspire）：? ?? ? ??

大腿應(yīng)力分布云圖(Inspire) ：? ? ??

大腿變形云圖（Inspire）：? ? ? ? ???

3.5安全系數(shù)分析

?小腿安全系數(shù)：????????????????????????????????

?大腿安全系數(shù)：????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

3.6三維設(shè)計(jì)圖

3.7實(shí)物展示

3.8實(shí)物行走展示

總結(jié)

???????由于經(jīng)費(fèi)以及研發(fā)成本較高，我們最終還是采用了總線舵機(jī)代替電機(jī)進(jìn)行四足算法研究與驗(yàn)證，方案依然采用十二自由度串聯(lián)前后膝式。設(shè)計(jì)方案采用3D打印進(jìn)行零件加工，耗材為pla，先通過creo進(jìn)行建模，再通過Altair Inspire拓?fù)鋬?yōu)化與creo創(chuàng)成式設(shè)計(jì)對(duì)模型結(jié)構(gòu)載荷進(jìn)行分析獲得較好的優(yōu)化方式，得出了最終的結(jié)構(gòu)圖。

? ? ? ? 由于整個(gè)四足機(jī)器人的內(nèi)容較多，本章節(jié)只是初步介紹了關(guān)于四足的一丟丟小知識(shí)以及我們自己DIY的這個(gè)四足狗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程。后期會(huì)持續(xù)跟新四足步態(tài)算法的知識(shí)以及詳細(xì)的代碼都會(huì)貼出來的，歡迎各大佬留言私信提出建議，很希望能與大家一同學(xué)習(xí)探討交流關(guān)于四足機(jī)器人的點(diǎn)點(diǎn)滴滴。

?????????實(shí)物早在兩個(gè)月以前已經(jīng)制作完成，行走步態(tài)算法也已經(jīng)測試完成。博主閑暇時(shí)間會(huì)詳細(xì)的把整個(gè)制作過程記錄下來，方便大家學(xué)習(xí)交流，與大家一起分享學(xué)習(xí)四足機(jī)器狗。持續(xù)更新中……