1. 功能說明

? ? ? 本文示例將實(shí)現(xiàn)R309a樣機(jī)8自由度并聯(lián)腿機(jī)器狗行走的功能。

2. 并聯(lián)仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

? ? ? 機(jī)器狗是一種典型的并聯(lián)仿生四足機(jī)器人，其腿部結(jié)構(gòu)主要模仿了四足哺乳動物的腿部結(jié)構(gòu)，主要由腿部的節(jié)段和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。在設(shè)計(jì)機(jī)器狗的腿部結(jié)構(gòu)時，可基于四足哺乳動物的生理結(jié)構(gòu)，使用連桿代替腿部的骨骼來提高機(jī)器人的性能，機(jī)器狗腿部采用5連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

? ? ? 五桿結(jié)構(gòu)是平面連桿結(jié)構(gòu)的一種，具有兩個自由度的平面閉鏈五桿機(jī)構(gòu)不僅使運(yùn)動機(jī)構(gòu)的剛度增加，更突出的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)變軌跡的運(yùn)動。

腿部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)單元設(shè)計(jì)

? ? ? ?腿部的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)是機(jī)器人中很重要的一部分，它是整個機(jī)器人中的關(guān)鍵運(yùn)動單元，關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)往往決定了機(jī)器人的運(yùn)動特性和精度。關(guān)節(jié)單元主要是負(fù)責(zé)連接相鄰的兩端節(jié)段，從而實(shí)現(xiàn)腿部的擺動。由于腿部是往復(fù)運(yùn)動，因此關(guān)節(jié)單元的設(shè)計(jì)要符合循環(huán)負(fù)載的載荷規(guī)律。

關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖：

側(cè)擺關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

? ? ? 側(cè)擺關(guān)節(jié)的主要作用是給機(jī)器狗提供回轉(zhuǎn)方向的自由度，使機(jī)器狗的腿部能夠偏離豎直平面運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、側(cè)移、抗側(cè)向沖擊等步

? ? ? 機(jī)器狗的腿部關(guān)節(jié)大體分為兩類，第一類是如四足哺乳動物前腿的肘關(guān)節(jié)一樣的腿部關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，另一類是類似四足哺乳動物后腿的膝關(guān)節(jié)的腿部關(guān)節(jié)制造。基于以上原理，科學(xué)家們設(shè)計(jì)出四類機(jī)器狗的腿部結(jié)構(gòu)：全膝式、全肘式、內(nèi)膝肘式、外膝肘式。

腿部的空間運(yùn)動區(qū)域如下圖：

各種布置結(jié)構(gòu)的運(yùn)動空間如下圖：

? ? ? 內(nèi)膝式結(jié)構(gòu)條件下，運(yùn)動中的機(jī)器狗內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)心曲線最為平滑，因此該結(jié)構(gòu)也是最穩(wěn)定的，為兩側(cè)提供的運(yùn)動空間也更大。此外，運(yùn)動時機(jī)器狗腿部重合的范圍也縮小了?；谝陨弦蛩?，內(nèi)膝式結(jié)構(gòu)條件有利于機(jī)器人的穩(wěn)定操作。

3. 并聯(lián)仿生機(jī)器人運(yùn)動算法

? ? ? 在日常生活中，狗的品種、體型不盡相同，因此其運(yùn)動狀態(tài)也是多種多樣，我們將以生活中最常見的一種運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析。在研究中，我們可以通過對狗的行走過程進(jìn)行高速攝影，抓拍到狗行走的運(yùn)動全過程，如下圖所示：

? ? ? 然后我們可以對其中一條腿進(jìn)行分析，將重疊其放在一個相對狗自身靜止的坐標(biāo)系中，如下圖所示：

? ? ? 根據(jù)圖示分析，我們可以將狗的腿部運(yùn)動簡單分為與地面接觸的支撐階段和離開地面的跨越階段。將足部點(diǎn)相連，可近似得到如上圖虛線所示的“饅頭”狀軌跡，支撐段——足接觸地面且相對于地面靜止不動，身體相對于地面前移；跨越段——足在空中運(yùn)動，跨越障礙物。

? ? ? 要想讓機(jī)器狗像真正的狗一樣走路，我們就需要控制舵機(jī)，讓機(jī)器狗的腿部走出類似上圖中的“饅頭”狀軌跡。這段軌跡不能超出我們設(shè)計(jì)的機(jī)器狗腿部的運(yùn)動范圍，如下圖所示（藍(lán)色陰影區(qū)域?yàn)闄C(jī)器狗腿部結(jié)構(gòu)的運(yùn)動范圍）:

? ? ? ? 從而得到“饅頭”狀軌跡曲線的坐標(biāo)。

? ?? 于是我們可以根據(jù)這個坐標(biāo)為“饅頭狀”軌跡指定一個合適的方程，圖中軌跡弧線部分可近似取為一個橢圓。

? ?? 取軌跡原點(diǎn)在真實(shí)坐標(biāo)系中的位置

? ?? 取橢圓兩半軸長

? ?? 則該橢圓方程為：

? ?? 或者：

? ?? 底部直線方程為：

? ?? 通過這個方程，再結(jié)合機(jī)器狗腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動公式，即可反推出舵機(jī)的一系列運(yùn)動參數(shù)。

機(jī)器狗的行進(jìn)步態(tài)

? ? ? 機(jī)器狗是四足行走機(jī)構(gòu)，由于四足動物運(yùn)動的穩(wěn)定性，相對于雙足行走的人來說，其運(yùn)動步態(tài)比較簡單，大多機(jī)器狗簡單的采用前后腳差90度或180度。

? ? ?? 機(jī)器狗采用前后腳差180度時的腳部運(yùn)動落地順序圖如下（注：白色為要抬起的腳，灰色不抬起的腳）

? ? ?? 機(jī)器狗采用前后腳差90度時的腳部運(yùn)動落地順序圖如下：

? ? ? ? 機(jī)器狗四條腿腿同時動的時候的動作效果包括整體下蹲、整體站立、身體前后俯仰、身體側(cè)翻等，效果圖如下所示：

4. 電子硬件

? ? ? 本實(shí)驗(yàn)中采用了以下硬件：

? ? ? 電路連接說明：將8個舵機(jī)連接在SH-SR擴(kuò)展板上，舵機(jī)接線順序?yàn)椋?、2、3、4、5、6、7、8

5. 功能實(shí)現(xiàn)

? ? ? 上位機(jī)：Controller 1.0

? ? ? 下位機(jī)編程環(huán)境：Arduino 1.8.19

5.1 調(diào)試舵機(jī)角度

? ? ? ?機(jī)器大狗可以實(shí)現(xiàn)站立、下蹲、前趴、后仰的功能。我們可以利用上位機(jī) Controller軟件【https://www.robotway.com/h-col-129.html】調(diào)整大狗的舵機(jī)角度，記錄下站立、下蹲、前趴、后仰 時舵機(jī)的角度；然后利用Arduino IDE進(jìn)行下位機(jī)編程，利用這些角度實(shí)現(xiàn)大狗的預(yù)期效果。

? ? ? ?對于8自由度的大狗，利用Controller軟件進(jìn)行調(diào)試角度界面（如下圖所示）：

? ? ?? 經(jīng)過調(diào)試，對大狗的下蹲、站立、前趴、后仰四個功能的舵機(jī)角度值見下表：

? ? ?? 利用上位機(jī)測出的舵機(jī)角度，可進(jìn)行下位機(jī)編程。

5.2 示例程序

? ? ? 下面提供一個8自由度并聯(lián)腿機(jī)器狗行走的參考例程（Dog_Walk.ino），具體實(shí)驗(yàn)效果可參考資料演示視頻。

6. 擴(kuò)展樣機(jī)

? ? ?本樣機(jī)可以做出一些擴(kuò)展，如下圖所示的在樣機(jī)上方增加一個平板。

7. 資料下載

資料內(nèi)容：

①行走-例程源代碼

②行走-樣機(jī)3D文件

資料下載地址：https://www.robotway.com/h-col-228.html

想了解更多機(jī)器人開源項(xiàng)目資料請關(guān)注 機(jī)器譜網(wǎng)站 https://www.robotway.com