四足机器狗——12自由度舵机狗DIY(一)(舵机四足机器狗开源)

摘要:四足仿生机器人机动性高、负载能力强、适应性强，可用于物资运输、应急救援等方面，具有广阔的前景。因为制作电狗的成本很高。自主设计制造转向狗来研究四足机器狗的步态算法，是一件非常划算和有意义的事情。

文章目录前言

一、对四足动物结构的初步了解

1.1.2串联机构

1.2四足关节的配置

二、结构方案选择和转向器选择

2.1并联和串联机构的选择

2.2四足动物关节配置的选择

2.3电机选择(有经济基础的建议和尝试)

2.4转向器的选择

3.结构设计的三维建模与有限元分析

3.1 calf优化流程(拓扑优化)

3.2大腿优化过程(拓扑+创成式优化)

3.3车身优化(创成式设计)

3.4有限元分析

3.5安全因素分析

3.6三维设计图纸

3.7实物展示

3.8物理行走显示

摘要

随着科学技术的进步和社会生产力的快速发展，机器人产业蓬勃发展，其中四足机器人发展迅速，应用广泛。四足机器人是以机电一体化技术为主导，综合应用单片机技术、液压、传感器等知识的综合性很强的研究产品。该四足仿生机器人机动性高、负载能力强、适应性强，可用于物资运输、应急救援等方面，前景广阔。因为制作电狗的成本很高。自主设计制造一只转向狗来研究四足机器狗的步态算法，是一件非常划算和有意义的事情。(这里复制粘贴的几个象征性的白话词还是需要一点仪式感的)

本文将详细介绍一款记录博主自主DIY的12自由度舵机狗。从最初的结构设计，舵机选择，matalab的步态算法仿真曲线，小跑，后退，左转，右转，原地踏步等的理论波形分析。，编写了stm32F103ZET6主控程序代码，最后记录了机器狗落地的整个详细过程。废话不多说，献上纯干货，吃！)

1.对四足动物结构的初步认识通过查阅相关资料，我们将四足动物分为几种类型，根据单腿的机械结构可分为并联机构腿和串联机构腿。根据四条腿的关节配置，可分为前肘后膝、前膝后肘、前肘后肘、前膝后膝四种结构布局。

原理:每条腿都是由两个电机并联组成的两自由度五杆机构。两个电机以不同的角度旋转，实现足端任意一点的运动。典型结构:武汉大学2019robocon竞赛四足动物，如图。

优点:电机扭矩选择要求不高，可实现低扭矩高弹跳能力，连杆刚性高，重量轻，响应速度快。缺点:腿部自由度少，结构上很难增加自由度。所以有些情况下很难发挥灵活的优势，需要解决连杆的问题，导致安全性低。

1.1.2串联机构

原理:每条腿都是两个自由度的腿，由两个电机串联组成。大腿和小腿的旋转角度由两个不同角度旋转的电机实现，即大腿或小腿的旋转不影响小腿或大腿的旋转。结构示例:MIT开源四足动物模型，如图。

优点:外形接近“狗”的生理形态，结构形式丰富，易于增加自由度，结构灵活简单，安全可靠性高。缺点:电机扭矩选择要求高，需要大扭矩的电机。一般电机减速比比较大，所以普通减速箱会有一些间隙问题。

1.2四足关节构型四足机器人的优点是灵活性高，稳定性好。所以在设计结果的时候，一定要提前考虑它的关节构型，找到最合适的结构，才不会影响它的灵活性和稳定性。目前四足仿生结构无非是以下四种:(a)前肘后膝型，(b)前膝后肘型，(c)前后肘型，(d)前后膝型，如图。这四种结构都是常见的仿生结构，各有优缺点。每种结构都可以设计出不同性能的四足机器人。

二。结构方案的选择和转向器的选择2.1并联和串联机构的选择。从设计要求和外观上，以及制造四足动物的难度和成本上，结构和算法的难度没有太大区别。从灵活性和现有成熟方案的角度出发，我们优先考虑12自由度的串联四足结构。为此，我们考虑了几个方案。

方案一:如下图所示，这个模型是我们之前计划设计制造的一个电狗设计的模型。采用同步带驱动的串联四足结构，但电机扭矩太小，导致四足站立和行走困难。同时，我们也发现了同步带的一些缺陷。同步带的张紧问题比较复杂，在高负荷的情况下很容易跳滑。而且，它的响应速度和精度可能不如连杆或丝杠。好处是电机安装在髋关节附近，大大减轻了腿部的重量，从而加快了它的反应速度。

方案二:如下图所示，这个模型是东北大学2019年的robocon四足模型。四足动物由螺杆驱动，传动精度高。但根据现有的电机和螺杆参数，螺杆传动的缺点是传动速度慢，可能难以实现跳跃。

方案三:如下图所示，这款车型是玉树科技的四足车型，腿部采用连杆结构，电机安装在髋关节附近，大大减轻了腿部重量，从而加快了其反应速度。而且连杆刚性强，不会出现跳齿现象。

方案四:如图2.6所示，这个模型是苏黎世联邦理工学院研制的四足机器人。其结构特点是电机安装在关节处。优点是结构易于安装、拆卸和维护，但其腿部的惯性极大地影响了腿部的反应速度，从而影响其灵活性。

在上述方案中，我们采用了连杆串联结构的四足机器人，其特点是强度高、腿重小、响应速度快、精度高、安装拆卸方便。

2.2四足关节构型的选择通过观察，包括很多前人对四足机器人结构的研究，我们可以知道，前后膝关节结构更符合猎豹、狗等动物的腿部结构。这种结构外形美观，结构灵活，更容易实现跳跃、后空翻等高难度动作，所以我们用这种结构进行设计验证。

2.3电机选择(有经济基础的建议试试)一直打算做一只电机狗。在电机选型上经过多次考察比较和数据分析，选择了一台特别合适的电机。由于资金和老师沟通不到位等问题，最终选择了初试的舵机狗。不过，前面的电机选型流程贴出来供大家参考。

对于电机的选择，12自由度四足意味着电机数量较多，所以我们优先考虑电机是否集成编码器和驱动，从而减少不必要元件的空间和质量问题。其次，考虑电机的转矩、功率、转速等。，我们假设四足动物质量在16kg左右，大腿和小腿长度为200mm。可以计算出大腿和小腿的电机参数相同，四足动物从躺下到站起来所需的最大扭矩约为8Nm。髋关节电机可以是扭矩较小的电机，所以我们打算用DJI 3508电机加减速箱作为髋关节电机。

据玉树科技的A1机器狗介绍，玉树公司的电机扭矩可以达到100Nm，转速为20r/min。但公司只销售电机扭矩在30Nm左右的电机，可供购买的电机只有12台。预定时间太长。后来我们看到麻省理工的四足电机是海泰HT-03，堵转扭矩17Nm。所以我们看了海泰HT-03，意外的找到了更适合四足的电机——HT-04，它的堵转扭矩为35Nm，转速为300r/min，无论是完成基本的行走，还是跳跃、空翻等高难度操作。

泰国电机:HT-03电机参数:

HT-04电机参数:

2.4转向器的选择接下来，我们最终的实物产品是来自钟灵技术的高扭矩、性能良好的智能串行总线转向器(双轴)。对于下面舵机的具体参数，经过数据分析，支持行走没有问题。由于研究四足步态算法的迫切性，以及时间和经费的有限性，我们暂且用这个舵机。

3.结构设计的三维建模和有限元分析总体方案采用3D打印加工零件，耗材为pla。首先用creo对模型进行建模，然后用Altair Inspire拓扑优化和creo创成式设计对模型进行结构载荷分析，得到较好的优化方法。根据分析结果，利用建模软件creo对模型进行进一步修改。具体流程如下:

3.1 calf优化流程(拓扑优化)

3.2大腿优化过程(拓扑+创成式优化)

3.3车身优化(创成式设计)

3.4有限元分析用ANSYS Workbench进行有限元分析得到的优化结果可以满足正常工作要求，用Altair Inspire进行有限元分析对比，两个软件的分析结果相近，如下图所示(这里以小腿和大腿为例进行演示)，其安全系数都远高于1.5，因此方案设计合理。

材料特性分析:

小腿应力分布云图(Ansys):

小腿变形的云图(Ansys):

小腿的应力分布云图(Inspire):

小腿变形的云图(Inspire):

大腿应力分布云图(Inspire):

大腿变形的云图(Inspire):

3.5安全系数分析小腿安全系数:

大腿的安全系数:

3.6三维设计图纸

3.7实物展示

3.8物理行走显示

由于总结经费和研发成本较高，我们最终采用了客车转向器代替电机进行四足算法的研究验证，方案仍采用12自由度串联前后膝式。设计中采用3D打印加工零件，耗材为pla。首先用creo建立模型，然后用Altair Inspire拓扑优化和creo创成式设计对模型进行结构载荷分析，得到较好的优化方法，得到最终的结构图。

由于整个四足机器人的内容非常多，本章只对关于四足“一掷”的小知识和我们自己DIY的四足狗的结构设计全过程做了初步介绍。后期会贴出新的四足步态算法的知识和详细代码。欢迎各位大佬留言，提出建议。希望和大家一起学习和探讨四足机器人。

早在两个月前，实物已经做好，行走步态算法已经测试完毕。博主会在业余时间详细记录整个制作过程，让大家学习交流，和大家分享学习四足机器狗。持续更新...