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前言

????????隨著科技進步，社會生產(chǎn)力迅猛發(fā)展，機器人行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展，其中四足機器人發(fā)展迅速，被廣泛應用。四足機器人是一個綜合性極強的研究產(chǎn)物，它以機電一體化技術(shù)為主導，綜合應用了單片機技術(shù)、液壓、傳感器等多方面的知識。四足仿生機器人具有高機動性，負載能力和適應能力強，可運用于物資運輸、搶險救援等方面，具有廣闊前景。由于制作電機狗需要高昂的成本。DIY自主設(shè)計制造一款舵機狗來學習研究四足機器狗的步態(tài)算法是一件性價比極高且很有意義的一件事。（此處復制粘貼的幾句象征性的大白話，儀式感還是要有一點的）

????????本文就來詳細介紹記錄博主自主DIY的一款12自由度的舵機狗。從開始的結(jié)構(gòu)設(shè)計，舵機選型，matalab進行步態(tài)算法的仿真曲線，trot，back， turn_left ,? turn_right? ?,? mark_time等多種運動步態(tài)的理論波形分析， stm32F103ZET6主控程序代碼的編寫? ，以及到最后機器狗落地行走的整個詳細過程記錄下來。（ 不說廢話了，純純干貨獻上,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，按單條腿機械結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)機構(gòu)腿與串聯(lián)機構(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：每個腿部由兩個電機并聯(lián)組成的雙自由度五連桿機構(gòu)，通過兩個電機旋轉(zhuǎn)不同角度來實現(xiàn)足端的任意點的移動，典型結(jié)構(gòu)：武漢大學2019robocon比賽四足，如圖所示。

????????優(yōu)點：電機扭矩選型要求不高，可以實現(xiàn)低扭矩高彈跳能力，連桿剛度大、質(zhì)量輕、響應速度快。缺點：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)機構(gòu)

?????????原理：每個腿部由兩個電機串聯(lián)組成的雙自由度腿，通過兩個電機旋轉(zhuǎn)不同角度來分別實現(xiàn)大腿與小腿所旋轉(zhuǎn)的角度，即大腿電機或小腿電機的旋轉(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：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：電機扭矩選型要求高，需要大扭矩電機，電機一般有較大的減速比，因而普通的減速箱會有一定的間隙問題。

1.2?四足關(guān)節(jié)配置

????????四足機器人的優(yōu)點就是靈活性高，穩(wěn)定性好，所以在設(shè)計結(jié)果時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)，以免影響其運動的靈活性和穩(wěn)定性。當前四足仿生結(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)計出不同性能的四足機器人。

二、結(jié)構(gòu)方案選擇及舵機選型

2.1并聯(lián)與串聯(lián)機構(gòu)的選型

???????由設(shè)計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備設(shè)計制造一款電機狗設(shè)計的模型。采用同步帶傳動的串聯(lián)四足結(jié)構(gòu)，但由于電機扭矩太小，導致四足站立行走困難。我們同時也發(fā)現(xiàn)了一些同步帶的缺陷，同步帶的張緊問題比較復雜，容易在高載荷工況的情況下跳齒打滑，并且其響應速度以及精度問題可能不如連桿或絲杠，優(yōu)點是將電機裝在了髖關(guān)節(jié)附近，這就使腿的質(zhì)量大大降低，從而加快其響應速度。

????????方案二：如下圖所示，此模型為2019年的東北大學robocon四足模型，此四足采用了絲杠傳動，傳動精度較高，但針對現(xiàn)有的電機和絲杠參數(shù)來看，絲杠傳動的缺點是其傳動速度較慢，可能難以實現(xiàn)跳躍動作。

?????????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，從而加快其響應速度，并且連桿擁有較強的剛度，不會出現(xiàn)跳齒的情況。

??????????方案四：如圖2.6所示，此模型為蘇黎世聯(lián)邦理工學院（Eth）研制的一款四足機器人，其結(jié)構(gòu)特點是將電機裝在了關(guān)節(jié)處，優(yōu)點是結(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)式四足機器人，其特點在于其強度大、腿的質(zhì)量小響應速度快，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，包括很多前人對四足機器人結(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，更容易實現(xiàn)跳躍、后空翻等高難度動作，因此我們采用此結(jié)構(gòu)進行設(shè)計驗證。

2.3 電機選型（有經(jīng)濟基礎(chǔ)的建議嘗試）

? ? ? ? 一直計劃是要做一只電機狗的，在電機選型方面經(jīng)過多次的調(diào)研比對和數(shù)據(jù)分析后還是選出了一款特別適合的電機，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狗。不過，關(guān)于之前電機選型的過程，還是給大家貼出來，供大家參考。

????????對于電機的選型，12自由度四足意味著電機數(shù)目多，因而我們優(yōu)先看電機是否集成編碼器與驅(qū)動，這樣減少不必要的元器件所占的空間、質(zhì)量問題，其次從電機扭矩、功率、轉(zhuǎn)速等方面來考慮，我們設(shè)想四足質(zhì)量約為16kg左右，大腿與小腿的長度均為200mm。計算可得大腿與小腿電機參數(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)電機可以原則較小扭矩的電機，因而我們打算采用大疆3508電機加減速箱作為髖關(guān)節(jié)電機。

? ? ? ? 從宇樹科技的A1機器狗了解到，宇樹公司電機扭矩可達100Nm，其轉(zhuǎn)速為20r/min，但該公司只出售電機扭矩為30Nm左右的電機，并且12個起購，預定時間太長。再后來我們看到麻省理工的四足采用的是海泰HT-03電機，該電機堵轉(zhuǎn)扭矩為17Nm，因此我們查看了海泰HT-03電機，意外的發(fā)現(xiàn)一款更加適合做四足的電機——HT-04電機，該電機的堵轉(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：? ?HT-03電機參數(shù)：

?HT-04電機參數(shù)：

?2.4 舵機選型

? ? ? ? ? 接下來就是我們最終實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（雙軸）。下面為此款舵機的具體參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，支撐行走完全沒有問題的。基于研究四足步態(tài)算法的迫切心情以及時間經(jīng)費有限等原因，我們就暫且先用這款舵機了。

?三、結(jié)構(gòu)設(shè)計3D建模及有限元分析

? ? ? ? 整體方案采用3D打印進行零件加工，耗材為pla，先通過creo進行建模，再通過Altair Inspire拓撲優(yōu)化與creo創(chuàng)成式設(shè)計對模型結(jié)構(gòu)載荷進行分析獲得較好的優(yōu)化方式，根據(jù)分析結(jié)果對模型用建模軟件creo進一步修改。具體過程如下：

?3.1小腿優(yōu)化過程（拓撲優(yōu)化）

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?3.2大腿優(yōu)化過程（拓撲+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）

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?3.4有限元分析

?????????通過ANSYS Workbench進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進行有限元分析對比，得出兩個軟件分析結(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)均遠高于1.5，故此方案設(shè)計合理。

?材料屬性分析：? ? ? ? ? ? ? ? ? ?????????

小腿應力分布云圖（Ansys）：????

?小腿變形云圖（Ansys）：? ? ? ? ?

小腿應力分布云圖(Inspire) ：? ? ??

小腿變形云圖（Inspire）：? ?? ? ??

大腿應力分布云圖(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)計圖

3.7實物展示

3.8實物行走展示

總結(jié)

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

? ? ? ? 由于整個四足機器人的內(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以及我們自己DIY的這個四足狗結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程。后期會持續(xù)跟新四足步態(tài)算法的知識以及詳細的代碼都會貼出來的，歡迎各大佬留言私信提出建議，很希望能與大家一同學習探討交流關(guān)于四足機器人的點點滴滴。

?????????實物早在兩個月以前已經(jīng)制作完成，行走步態(tài)算法也已經(jīng)測試完成。博主閑暇時間會詳細的把整個制作過程記錄下來，方便大家學習交流，與大家一起分享學習四足機器狗。持續(xù)更新中……