仿斯坦福四足机器人的安装与控制

1 机械硬件组装过程

1.1 四足机器人的机械结构

  体结构：框架式结构。

  组成：左右侧板、电控元件安装平台、连接件、框架件等。

1.1.1 左右侧板

  左侧板：包括左边的四个舵机、两条并联腿。
  右侧板：结构与左侧板相同，也有四个舵机、两条并联腿。

1.1.2 电控元器件安装平台

  两侧板中间的连接件（白色），充当电控元器件安装平台：上面安装有主控板（蓝色）、稳压板（红色）、舵机扩展板（绿色）。背面是电池，由十字架结构托起固定。

1.1.3 连接件

  连接件是带有通孔的突起，四个凸起形成小槽连接；通过通孔和左右侧板上的孔相连接。

1.1.4 框架件

  框架件共4个，头部上下各1个，尾部也一样上下各一个。

1.2 机械制作

  机械框架：3D打印
  （1）3D程序：Github下载三维图
  地址：http://github.com/ToanTech/py-apple-quadruped-robot
  （2）使用CURA打开STL，设置打印参数
  （3）3D打印

1.3 机械部分的组装过程

1.3.1装腿

（1）备齐零件

  每个并联腿有以下几部分：2个大腿杆、2个小腿杆、1个连接小圆柱、1个足端（贴好自行车内胎以防滑）、螺丝。排布零件，注意前后2腿结构对称。

（2）组装并联小腿

  白色短杆在上，黑色长杆在下，二者由小圆柱连接，使用$M3\times 20$的螺丝连接。注意不能锁死，以免卡住。因为简化设计没有加轴承，若螺丝太紧就会卡住。

（3）安装足端

  使用$M2\times 8\sim M2\times 10$的尖螺丝固定足端。

（4）组装并联大腿

  白色小腿压在并联大腿之上，而黑色小腿要压在另一个并联大腿的下面，螺丝从背面拧进去，以免螺丝突出造成与侧板的摩擦。

1.3.2安装舵机

  舵机导线穿进方孔，舵机螺丝孔与侧板螺丝孔对齐，用螺丝固定。另一个舵机安装方法相同。

1.3.3安装舵片

  舵片插入大腿纵孔，用螺丝固定。如果需要，可以考虑事先打磨大腿纵孔。

1.3.4腿与舵机相连

  舵片卡到舵机上即可，先不必上螺丝。因为所有机械部分装好后需要调中位，调好之后再上紧螺丝。

  前后腿的舵机对称安装。左右两侧板上的舵机和腿对称安装。

1.4 安装电控板

  3D打印的左侧板有小的螺丝孔，在小孔处用螺丝定位，电控板上的小孔与螺丝对齐，再将螺丝上紧，完成电控板与左侧板的组装。电控板与右侧板的组装过程相同。

1.5 安装框架

  共有4个框架，前后对称。2个宽一些的框架装在上面，2个窄一些的装在下面，安装过程如下：

1.5.1头部右侧上框架安装

  在右侧面螺丝孔上拧上螺丝，只拧进一部分定位，再与框架螺丝孔对齐，最后拧紧螺丝固定。

1.5.2头部左侧上框架安装

  对齐侧板与框架的螺丝孔，拧紧螺丝固定。装完上面的框架。

1.5.3其它框架安装

  头侧上面的框架安装完成后，安装尾部上面的框架。随后安装头部下面和尾部下面的框架。安装方法与头部上面框架相同。使用的螺丝基本都是m2*10。
  下面框架的安装方式与上面相同。

1.6 安装电池

  电池装于电控板背面。用十字架卡住电池，再与电控板的孔位对准，用螺丝固定。

2 电路连接与调试

2.1 连接开关、电池

  开关和电池按电路图同名端相连接。

2.2 调试稳压模块

  连接：稳压模块与开关和电池按电路图同名端相连接。
  调试：连接电池与稳压板，打开开关，稳压模块灯亮，用万用表测稳压模块输出电压，调电位器的电阻，使输出为6V。
  注意：调好之后关断电源！

2.3 接电控板

2.3.1舵机扩展板

  按电路图同名端相连接。

2.3.2接PyBOARD

  将PyBOARD和舵机扩展板相连接，其中电源VCC和地线GND分别连接，SCL、SDA端分别连接Y9、Y10端。



  连接好之后，打开开关试测，若稳压模块和舵机扩展板上的指示灯都亮，说明正常，关闭开关。用螺丝将PyBOARD、稳压模块、舵机扩展板三个模块固定在电控板上。

2.4 连接舵机

  首先分清四足机器人腿的顺序：

  每条腿对应2个舵机，分别控制并联腿的前后连杆，每个连杆对应的舵机编号如下：

  可见，腿1的后腿接4号，前腿接5号，以此类推，完成全部连接。接好之后用扎带扎起连线，保持整齐。

3 四足机器人控制思路

3.1 硬件系统

  硬件部分组成见下图，各部分功能如下。

  （1）电池提供7.4V电压。
  （2）电压经LM2596稳压板后降为6V，为整个系统供电。
  （3）PyBOARD是整个控制系统的主控，用来处理来自遥控器的信号，并将遥控器控制信号通过内部程序转化为舵机的转角，通过IIC总线输出给舵机扩展板。
  （4）舵机扩展板将来自IIC总线的信号转换为PWM信号，分别控制8个舵机。

3.2 软件实现思路

  软件流程如下图所示，机器人的动作指令通过以下过程完成。

  （1）遥控器发出的控制信号传递给主控程序。
  （2）主控程序中的TROT步态函数将遥控器信号转化为运动参数，并将运动参数生成各腿的足端坐标。
  （3）足端坐标送给运动学逆解，转化为舵机的转动角度。
  （4）转动角度传送给PCA9685的处理程序，转化为IIC协议信号，发出送到PCA9685的舵机扩展板，实现对舵机的一次控制。
  如此循环，实现机器人的连续运动。

4 设计上仍可以改进的地方和想法

  该简化设计能够实现四足机器狗的功能，且轻便、易学、低成本，适合初学者练习。性能上还有可以提高的地方，但那样会要求机器狗结构、器件性能的改善，必然伴随着复杂性和成本的增加。
  目前腿的关节是用螺丝连接的，为了增加灵活性，减小摩擦力，腿的关节可以考虑改为滚珠或轴承。另外，目前机器狗的长、宽、高之比是否最优，还需要仿真和实践的比较与验证。

参考资料

[1] http://github.com/ToanTech/py-apple-quadruped-robot