履带四足复合机器人

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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。

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