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前言

????????隨著科技進步，社會生產力迅猛發展，機器人行業得到了蓬勃發展，其中四足機器人發展迅速，被廣泛應用。四足機器人是一個綜合性極強的研究產物，它以機電一體化技術為主導，綜合應用了單片機技術、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自主設計制造一款舵機狗來學習研究四足機器狗的步態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。從開始的結構設計，舵機選型，matalab進行步態算法的仿真曲線，trot，back， turn_left ,? turn_right? ?,? mark_time等多種運動步態的理論波形分析， 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、初步了解四足結構

????????通過查閱相關資料，我們把四足種類分為幾種類型，按單條腿機械結構可分為并聯機構腿與串聯機構腿。按照四條腿的關節配置又可以分為4種結構布局，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組成的雙自由度五連桿機構，通過兩個電機旋轉不同角度來實現足端的任意點的移動，典型結構：武漢大學2019robocon比賽四足，如圖所示。

????????優點：電機扭矩選型要求不高，可以實現低扭矩高彈跳能力，連桿剛度大、質量輕、響應速度快。缺點：腿部自由度較少，結構上不好再添加自由度，因而在一些場合下難以發揮靈活優勢，需要解決連桿的連接問題，安全性低。

1.1.2串聯機構

?????????原理：每個腿部由兩個電機串聯組成的雙自由度腿，通過兩個電機旋轉不同角度來分別實現大腿與小腿所旋轉的角度，即大腿電機或小腿電機的旋轉不影響小腿或大腿的旋轉，結構事例：MIT開源四足模型，如圖所示。

????????優點：外觀上跟接近“狗”的生理形態，結構形式種類豐富，容易添加自由度，結構靈活簡單，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?四足關節配置

????????四足機器人的優點就是靈活性高，穩定性好，所以在設計結果時一定提前考慮好它的關節配置，找到最合適的結構，以免影響其運動的靈活性和穩定性。當前四足仿生結構不外乎以下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種結構是常見的仿生結構，它們各有利弊，每一種結構都能設計出不同性能的四足機器人。

二、結構方案選擇及舵機選型

2.1并聯與串聯機構的選型

???????由設計要求與外觀以及制作四足的難易與成本問題，在結構與算法上二者難度沒有太大的區別，從靈活程度與現有成熟方案上來看，我們優先考慮12自由度的串聯四足結構。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計制造一款電機狗設計的模型。采用同步帶傳動的串聯四足結構，但由于電機扭矩太小，導致四足站立行走困難。我們同時也發現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，優點是將電機裝在了髖關節附近，這就使腿的質量大大降低，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，但針對現有的電機和絲杠參數來看，絲杠傳動的缺點是其傳動速度較慢，可能難以實現跳躍動作。

?????????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構，將電機裝在了髖關節附近，這就使腿的質量大大降低，從而加快其響應速度，并且連桿擁有較強的剛度，不會出現跳齒的情況。

??????????方案四：如圖2.6所示，此模型為蘇黎世聯邦理工學院（Eth）研制的一款四足機器人，其結構特點是將電機裝在了關節處，優點是結構安裝拆卸維修簡單，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，我們采用連桿串聯結構式四足機器人，其特點在于其強度大、腿的質量小響應速度快，精度高以及安裝拆卸比較方便。?

2.2 四足關節配置的選擇

????????通過觀察，包括很多前人對四足機器人結構的研究，我們可以知道前后膝式結構更符合獵豹、狗等動物的腿部結構，該結構外觀精美，結構比較靈活，更容易實現跳躍、后空翻等高難度動作，因此我們采用此結構進行設計驗證。

2.3 電機選型（有經濟基礎的建議嘗試）

? ? ? ? 一直計劃是要做一只電機狗的，在電機選型方面經過多次的調研比對和數據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目多，因而我們優先看電機是否集成編碼器與驅動，這樣減少不必要的元器件所占的空間、質量問題，其次從電機扭矩、功率、轉速等方面來考慮，我們設想四足質量約為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一樣，四足從臥倒到起立所需最大扭矩約為8Nm，髖關節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節電機。

? ? ? ? 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，該電機堵轉扭矩為17Nm，因此我們查看了海泰HT-03電機，意外的發現一款更加適合做四足的電機——HT-04電機，該電機的堵轉扭矩為35Nm，轉速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：

?HT-04電機參數：

?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，經過數據分析，支撐行走完全沒有問題的。基于研究四足步態算法的迫切心情以及時間經費有限等原因，我們就暫且先用這款舵機了。

?三、結構設計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拓撲優化與creo創成式設計對模型結構載荷進行分析獲得較好的優化方式，根據分析結果對模型用建模軟件creo進一步修改。具體過程如下：

?3.1小腿優化過程（拓撲優化）

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?3.2大腿優化過程（拓撲+創成式優化）

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3.3身體優化（創成式設計）

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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化結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均遠高于1.5，故此方案設計合理。

?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安全系數分析

?小腿安全系數：????????????????????????????????

?大腿安全系數：????????? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

3.6三維設計圖

3.7實物展示

3.8實物行走展示

總結

???????由于經費以及研發成本較高，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前后膝式。設計方案采用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拓撲優化與creo創成式設計對模型結構載荷進行分析獲得較好的優化方式，得出了最終的結構圖。

? ? ? ? 由于整個四足機器人的內容較多，本章節只是初步介紹了關于四足的一丟丟小知識以及我們自己DIY的這個四足狗結構設計的整個過程。后期會持續跟新四足步態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于四足機器人的點點滴滴。

?????????實物早在兩個月以前已經制作完成，行走步態算法也已經測試完成。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。持續更新中……