四足机器狗-12自由度伺服狗DIY（一）

总结：四足仿生机器人具有机动性高、承载能力强、适应性强等特点。 可用于运输物资、紧急救援等，预计会有广泛的应用。 由于机动狗的制造成本较高。 自主设计制造伺服狗来学习和研究四足机器狗的行走算法，是非常划算且有意义的。

文章内容

简介

1. 4 腿部结构预了解

1.1.2 系列如何运作

1.2 四足关节的组成

2、结构方案选择及舵机选型

2.1 并联和串联机构的选择

2.2 四关节配置选择

2.3电机选择（建议有经济基础的情况下尝试）

2.4 舵机选择

3.结构设计的3D建模和有限元分析

3.1 Calf优化流程（拓扑优化）

3.2 大腿优化流程（拓扑+ 生成优化）

3.3 车身优化（生成设计）

3.4 有限元分析

3.5 安全系数分析

3.6 3D 蓝图

3.7 物理显示

3.8 物理行走显示

概述

简介

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。四足机器人是利用单片机技术、液压、传感器等知识的高度综合性研究产品，具有较高的承载能力和适应性。 造一只机动狗要花很多钱，所以需要DIY一只伺服狗来学习如何遛四足机器狗。该算法非常划算且有意义（一些象征性的白话语句我复制了和）贴在这里还是有仪式感的）

本文详细介绍了一位博主DIY的12自由度伺服狗。 从最初的结构设计、伺服选型、Matalab步态算法的仿真曲线、小跑、后退、左转、右转、mark time等运动步态的理论波形分析、stm32F103ZET6主控程序代码的创建、机器人的整个过程详细记录你狗狗的落地和行走（废话不多说了，纯粹的干粮，开吃吧！）

1. 4 初步了解主腿的结构

检查照片根据相关资料，四足类分为几种类型。 按单支腿的机械结构可分为并联机构支腿和串联机构支腿。 根据四腿关节配置的不同，可分为前肘/后膝式、前膝/后肘式、前/后肘式、前/后膝式四种结构布局。

原理：每条腿都是一个2自由度、5连杆的机构，由两个并联的电机组成，通过两个电机以不同的角度旋转。 要实现腿部任意点的运动，一般结构：武汉大学2019 Robocon比赛有如图所示的四条腿。

优点：对电机的扭矩选择要求不高，低扭矩高跳跃能力即可实现了。 连杆具有刚性高、重量轻、响应快等特点。 缺点：腿部自由度较低，结构上难以提高自由度。 因此，在某些情况下很难利用灵活性。 需要解决连杆连接问题，安全性较低。

1.1.2 串联机构

原理：每条腿都有两个自由度，由两个相连的电机组成，这就是腿。 在系列中。 两个电机以不同的角度旋转，分别实现大腿和小腿的旋转角度。 换句话说，大腿电机或小腿电机的旋转不会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：外观接近“狗”的生理形态，结构高度多样化自由度添加方便，结构灵活简单，安全可靠性高。 缺点：电机扭矩选择要求高，需要大扭矩电机。 由于电机通常具有较大的减速比，因此普通减速机会出现间隙问题。

1.2四足关节配置

四足机器人的优点是灵活性高、稳定性好，所以我们设计的结果最好配置使它们的关节不影响运动的灵活性和稳定性并找到最佳的结构。 目前的四足仿生结构只有四种类型：(a)前肘-后肘式、(b)前膝-后肘式和(c)前肘-后肘式。 (d) 膝关节前后位样式，如图所示。 这四种结构是常见的生物结构。 它们每个都有优点和缺点。 每种结构都允许我们设计具有不同性能的四足机器人。

2、结构方案选择及舵机选择 2.1 并联机构和串联机构选择

由于设计要求和外观以及创建四条腿的难度和成本，结构和算法并不是那么困难。 不同的是，从灵活性和现有成熟的解决方案来看，我们更倾向于12自由度的串联四足结构。 为此，我们考虑了几种选择。

选项 1：该模型是先前设计并计划制造的，如下图所示。是一个模型。 机动狗设计。 。 它采用同步带驱动的串联四足结构，但电机扭矩过低，导致四足站立和行走困难。 同步带中也发现了一些缺陷。 同步带的张紧问题比较复杂，在高负载情况下容易出现跳动和打滑现象。 响应速度和精度可能不如连杆和螺钉。 优点是通过将电机安装在靠近髋关节的位置，腿部的质量显着减轻，响应速度更快。

方案二：如下图所示，该模型为2019年东北大学Robocon四足动物模型，该四足动物采用丝杠传动，传动精度较高，但是，基于现有电机和丝杠参数，缺点螺杆传动的缺点是传动速度慢，跳跃动作困难。 style="text-align:center;"> 方案三：如下图所示，该模型为玉树科技的四足模型，腿部为连杆结构，电机位于靠近腰部。

选项 4：图 2.6。 如图所示，该模型是苏黎世联邦理工学院（Eth）开发的四足机器人，其结构特点是电机附在关节上，方便安装、拆卸和维修。腿部的惯性极大地影响了腿部的反应速度，从而影响了灵活性>基于上述解决方案，强度高，腿部质量小， 响应时间快、精度高、安装拆卸方便

2.2 四足关节选择配置

通过观察包括之前对四足机器人结构的许多研究，我们发现前后膝部结构更适合机器人。 猎豹、狗等动物的腿部结构，其结构具有美丽的外观和节结这种结构也用于设计验证，因为它具有更灵活的结构，可以更轻松地执行跳跃和后空翻等高难度动作。

2.3 选择电机（如果有经济基础的话，建议尝试一下）

我已经计划制造一只电机狗有一段时间了。 经过对电机选型的多方考虑、比较和数据分析，我们最终选择了电机。 虽然是特别合适的电机，但是却出现了资金不足、与老师沟通不畅等问题，所以最终我决定先尝试制作伺服狗。 不过，我们已经收录了之前的电机选型流程供您参考。

对于电机选择，12自由度的四足运动意味着更多的电机，因此电机带有集成编码器和驾驶员，减少不必要的零件占用的空间和质量问题。 接下来，考虑电机的扭矩、功率、速度等，假设四条腿的质量约为16公斤，大腿和小腿的长度均为200毫米。 计算表明大腿和小腿的运动参数是相同的。 四条腿从睡眠中站起来所需的最大扭矩约为8Nm。 由于髋关节电机可以使用低扭矩的电机，因此我计划使用DJI 3508电机加减速盒作为髋关节。 发动机。

来自玉树科技的A1机器狗，据我了解，玉树的电机扭矩可以达到100Nm。 转速为20转/分钟，但该公司只销售电机扭矩为30牛米左右的电机，且最小起订量为12件，因此预订时间过长。 后来了解到MIT的四足机器人采用的是Hitech HT-03电机，堵转扭矩为17Nm，于是我查看了Hitech HT-03电机，意外发现它的电机要好很多。 四足电机 - 适用于 HT-04 电机。 电机锁转子扭矩为35Nm，转速为300r/min。 足以完成基本的行走、跳跃、翻筋斗和其他高难度动作。

海泰电机：HT-03 电机参数：

HT [ k4]04 电机参数：

2.4 舵机选择

接下来，最终的物理产品为 高扭矩、高性能智能串行中菱科技总线舵机（2轴） 经过数据分析，由于时间紧迫，时间有限，该舵机没有问题。

3.结构设计3D建模与有限元分析

总体方案中零件加工采用3D打印，耗材我会采用塑料。 首先使用 Creo 完成建模，然后使用 Altair Inspire 拓扑优化和 Creo 生成设计计算模型的结构载荷。 我们进行分析以获得更好的优化方法，并使用建模软件creo根据分析结果进一步修改模型。 具体流程如下。

3.1 Calf优化流程（拓扑优化）

3.3 物理优化（庄城层）

3.4 有限元分析

触摸ANSYS Workbench通过有限元分析可以得到优化结果，满足通常的工作要求。 有限元分析与Altair Inspire对比显示，两个软件的分析结果相似（这里以小腿和小腿为例）如下图所示（这里以大腿为例），进行分析。 安全系数远高于1.5，因此本方案设计合理。

材料属性分析： 小腿应力分布云图（Ansys）： 小腿应力分布云图（Ansys）： 云图（Inspire）：

小腿变形云图（Inspire）：                                                                                                                       3.5 安全系数分析

小腿安全系数： 大腿安全系数： p> 3.7 物理指标

3.8 物理步行显示

p> 概述

由于资金和研发成本较大，我们最终采用总线舵机代替电机来研究和验证四足算法。 该方案依然采用12自由度系列的前后膝型。 该设计方案采用3D打印来加工零件，耗材由塑料制成。 首先在creo中建模，然后使用Altair Inspire拓扑优化和creo生成设计分析模型的结构载荷，以提供更好的优化方法和最终结果。 结构图。

整个四足机器人内容较多，所以本章仅简单介绍一下四足机器人的一点知识以及DIY四足狗结构设计的整个过程。 我们将持续更新四足行走算法的知识并发布详细代码。 大家可以留言并提出建议。 我想和大家一起学习和讨论四足机器人。

两个月前创建了真实的对象，并对行走算法进行了测试。 为了方便大家学习和交流，博主利用业余时间详细记录了整个制作过程，与大家分享和了解四足机器狗。 持续更新中...