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  • 履带四足复合机器人

  • 2022-06-10 15:29 918

本文作者:立创开源硬件平台 OSHWHub 用户@杜邦线丶小战士,禁止商用,未经许可禁止转载,点击看原文章


1、项目简介


本项目中,履足式复合机器人拥有两种行进模式:四足行进模式履带行进模式,应对不同场景及地形时能够切换形态。


四足形态下整体总共拥有8个自由度DOF,单腿各具备2个自由度DOF,足端结构融入了履带机构,各履带机构配备1个直流电机驱动。


该机器人主控板的MCU模组为ESP32-WROVER-E,能够实现针对总线舵机+PWM舵机+直流电机的控制,同时包括其他硬件资源:六轴加速度传感器、OLED屏幕接口、RGB灯珠、蜂鸣器等。


履带车形态在平坦或稍崎岖的地貌上能够保持较高的行进速度,降低了四足爬行的功率消耗;四足形态用于跨越障碍,灵活应对各类复杂地形环境,解决了履带结构应对高度落差较大地形难以翻越的痛点,即实现了仿生四足与履带式结构双优势结合的腿履协同。


  




02、设计灵感


最初的构想来源——《使命召唤11:高级战争》中的“泰坦”重型坦克。


  


  

初始草稿




03电控硬件功能


3.1 主控板:

2.1.1 电机驱动:

  • 6路串行总线舵机接口:PH2.0-3P,74HC126D

  • 4路直流电机驱动:TB6612FNG


2.1.2 指示器件:

  • 1颗 六轴加速度传感器:MPU6050

  • 1块 拨轮编码器:MITSUMI

  • 1颗 普普通通的 微型无源蜂鸣器:DET402-G

  • 1颗 普普通通的 发光LED:0603

  • 1处 0.96寸4针OLED屏幕接口:HDR-1*4P-F

  • 3颗 普普通通的 RGB灯珠:WS2812B-2020


2.1.3 拓展接口:

  • 2路拓展IIC接口:PH2.0-4P

  • 1路WS2812B灯珠接口:HDR-M-2.54-3P


2.2 拓展板:

  • 16路PWM舵机驱动:PCA9685




04选型简述


3.1 电机选型:

串行总线舵机选型:型号:HTS-35H,额定电压:9.0~12.6V,串行通信波特率115200,额定扭矩:35kg.cm/3.5N.m。


通信需要将UART全双工转半双工,根据幻尔舵机商家提供的通信协议手册和原理图,采用74HC126D实现。


  


  




PWM舵机选型【经济方案】:型号:MG996R,额定扭矩:13kg.cm/1.3N.m。


常见的大舵机,配合拓展板应该也没什么问题,箭头处注意供电电压。(注意供电连接,主控板与拓展板可通过铜柱连接电源)


    

  

  


  




直流电机选型:型号:JGA25-370-1260,额定电压:12.0V,减速比:1:103,空载转速:60转/分钟。


主控V1.0版本中,采用TB6612FNG驱动【考虑到价格问题,后续打算用RZ7899/DRV8833替代】。


  

  




3.2 其他选型:


六轴加速度传感器:MPU6050。


通常选择,源代码中定义支持了采用DMP获取四元数后,再解算得Pitch、Roll角(yaw角太飘),而且QFN封装可能不太好焊。


  


芯片供电:3.3V与5V供电均采用LDO实现,即SCJT1117-3.3与SCJT1117-5.0。(由于压差较大,建议贴散热片)


  


  

电源选型:采用放电倍率35C的3S聚合物航模电机,但考虑到安全问题,经测试3节放电倍率10C的18650动力锂电池也能驱动。




      


航模电池                                               18650动力锂电池





05实物图片


  

主控板



  

16路PWM舵机---拓展板



  

组合图




06机械结构设计


所述机器人整体总重量(加电源)经称量可达3.0kg。


目前大部分结构零件以FDM式3D打印技术制造,采用PLA材质,故主要参数推荐:0.15mm层高,70%填充。


部分需要少量支撑零件,如履带外壳——主壳、提手、躯体前侧板等。



设计特点

  • 履带足

  • 二自由度串联腿

  • 四足形态:8自由度

  • 履行模式:4电机驱动

  • 预留二自由度云台

  • 3D打印结构


  




07、控制系统软件设计


VSCode+PlatformIO平台开发,目前机器人主控系统主要包括2部分:底层驱动,运动控制。



  



6.1 底层驱动内容:

  • 串行总线舵机通信

  • 直流电机驱动

  • 六轴加速度传感器通信

  • OLED屏幕驱动

  • 拨轮编码器读取

  • WS2812B-RGB灯珠驱动

  • 蜂鸣器驱动

  • WiFi通信配置


6.2 运动控制内容:

  • 单腿正解FK

  • 单腿逆解IK

  • 姿态逆解

  • 足端摆线轨迹计算

  • Trot步态模式

  • Walk步态模式

  • *VMC算法 -- 伪闭环(待测试)




08远程控制App设计


注意:需要开启定位、通知权限

设计特点

  • 基于Android端开发

  • 采用WIFI作为无线通讯模式

  • 采用TCP作为传输层协议



  




09实物样机



  

  

  

  





更多详情及附件,可从原工程查看。


本文作者:立创开源硬件平台 OSHWHub 用户@杜邦线丶小战士禁止商用,未经许可禁止转载


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