四足机器人的机械结构

1 引言

  机器人的应用越来越广泛，近年来正在走进家庭，吸引我们去熟悉、操作甚至设计、制作属于自己的机器人。朱光潜说，文艺必止于创造，却必始于模仿。同样，作为机器人小白的我们也要从模仿开始。
  模仿对象Stanford Doggo是一种四足机器狗，由斯坦福学生机器人俱乐部的极限流动团队开发。灵活的移动性使其可以走路、小跑、跳舞、跳跃、后空翻等。重量不到5千克，最高跳跃1.07米，能以0.9米/秒的速度向前移动。模仿Stanford Doggo的一个重要原因是，它的设计是开源的，意味着任何人都可以下载并构建Doggo。研究生和极限流动团队导师帕特里克·斯莱德解释说：“我们希望提供一个任何人都可以建立的基线系统…比如说，你想要搜索和救援，你可以用传感器装备它并在我们的顶部编写代码，让它爬上岩石堆或通过洞穴挖掘。或者它可能是用手臂或携带包裹拾取东西。”
  机器人小白的首要目标是通过学习总结Stanford Doggo，模仿DIY出自己的四足机器人，实现走、跑、跳、转弯等移动功能。整个四足机器人设计包括机械结构设计、电路性能设计、软件设计三大部分。今天先通过模仿总结Stanford Doggo的机械结构设计以及原生控制硬件Odrive和无刷电机的控制方式，随着学习的深入，后期再进行电路选型和软件设计。机械结构主要包括腿部结构、同轴机制、框架结构；其动力之源是Odrive和无刷电机控制。机器人的外观如图所示。​​

2 机械结构设计

2.1Stanford Doggo的腿部结构

  Doggo有四条腿，它们的结构相同，采用并联结构。每条腿包括腿部、关节和足端三个部分。
  腿部：腿部是平面关节型（SCARA）2自由度（DOF）的。每条腿都是五连杆机构，两个上连杆是同轴驱动的。腿部连接是由大蓝锯（Big Blue Saw）切割的水刀切割而成的，该结构非常精确。
  关节：对于每个关节，在连杆上有深沟球轴承相互堆叠在一起，一个肩螺栓穿过它们，旋入相对的连杆中。
足端：Doggo的足端是使用3D打印的两部分模具制成的硅胶片。

2.2同轴机制

  同轴机制（coaxial mechanism）是Doggo最复杂的机械部件。驱动每一条腿的运动能力，不论小跑还是跳跃都少不了它。
  工作方式：在碳纤维侧板上安装两个TMotor MN5212电动机。有一个3D打印的轴承座，该轴承座有两个轴承以固定外部同轴管。这两个电机通过16T皮带轮和48T皮带轮之间的6mm宽、3mm间距的GT2皮带将动力传递到同轴轴上。因为没有足够的空间安装常规的滑轮，使用Xometry SLS 3D打印服务打印了滑轮。在滑轮上方，有一个喷水铝制支架，以保持皮带张力，从而防止在高扭矩情况下跳动。同轴机制的结构如图。

  实物如图。

  事实上，要为托架找到最佳的中心到中心距离很难，因为电机和小滑轮之间的连接处的斜率，以及更大的滑轮和轴之间的连接处的斜率，意味着上托架的中心到中心距离必须比皮带供应商（sdp-si）规定的标称中心到中心距离大0.5mm。这个组件最大的问题是皮带张力越大，在装配中的摩擦力就越大。较高的摩擦力意味着电机的跟踪性能较差，对触地事件的敏感性也更差。在改进的机器人上，希望有更平滑、更精确的机械滑轮，以及更少的同轴装配中的斜率。

2.3构架

  机器人的框架非常简单。每侧有两个喷水的4mm碳纤维板，由两个1/32英吋5052铝金属片部件连接。这些钣金零件使用水刀切割，然后折叠起来。由于两个碳纤维面板向内倾斜，铝制零件上的标签不能折叠在制动器上。

3 原生控制硬件Odrive和无刷电机的控制方式

  Stanford Doggo的电气系统由一个微控制器、包含两个电机和一个电机控制器（Odrive）、一个配电板和一个通信系统组成。无线模块用于从地面站向Teensy 3.5微控制器发送命令。微控制器计算腿部轨迹，并以100Hz的频率向驱动电机控制器发送腿部位置命令，电机控制器以10KHz的频率运行磁场定向控制电机换相，以控制MN5212电机施加的转矩，该转矩由轴向安装的磁编码器提供位置反馈，每转2000个计数。继电器通过一个按钮插入电池和PDB之间，作为紧急停止断开双簧管的电源。
  Doggo有四个v3.5、48V ODrive，每条腿两个，安装在碳纤维侧板上。在中间的2mm碳纤维板上，有一个Teensy 3.5，一个Sparkfun BNO080 IMU和一个5mW Xbee。Teensy通过四个独立的UART线与ODrive进行通信，每条UART线的工作波特率为500,000。在该板的下面，有配电板，还将两个1000mah 6s Tattu锂电池。每个电机都有一个AS5047P编码器，用于跟踪电机角度。

参考文献

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