斯坦福机器狗的设计与实现 四足机器人的机械结构类型和制造

四足机器人的机械结构类型和制造

1、仿制对象

Stanford Doggo由斯坦福学生机器人俱乐部的极限流动团队开发。是一个重量不到5千克的四足机器人，能够动态运动，使其能够达到所有四足机器人的最高跳跃1.07米。还能以0.9米/秒的速度向前移动，其灵活的移动性使机器人还能行走，小跑，跳跃和后空翻。

2、四足机器人机械结构上的重要概念

腿型：并联腿，串联腿（运动范围大）
串联腿分类：外膝肘式，全肘式，全膝式，内膝肘式（稳定性高）。
无刷电机。
四足机器人的足端设计主要有三种形式，即圆柱形足端（含半圆柱型阻断），球型足端（含半球形足端）及仿生足端。
圆形足端是目前四足机器人最常见的足端设计，足端呈球形或半球型，这种设计的优点是机器人足端可以和地面从各个方向接触，具有较强的环境适应性。
这里我们选择圆柱形。
功能特性：

1. 八自由度
2. 并联腿
3. 能够实现TROT小跑步姿

硬件特性：

1. PyBOARD主控
2. PCA９６８５舵机扩展版
3. ７.４V　８００ｍａｈ锂电池
4. MG９０S舵机
5. 遥控器
6. 无需打板

DIY成本：
低DIY成本

制造的基本流程：

1. Github下载三维图
2. CURA打开STL
3. 设置好打印参数
4. ３D打印（制造）

3、DIY准备

PYBOARD：

• 采用Python编程
• 可以直接像U盘那样保存
• NOTEPAD＋＋和PUTTY就可以完成全部编程步骤
• 支持多线程固件

PCA９６８５：

• I２C通讯
• 可以直接针插，不做板成为可能

２S（７.４V）８００MAH电池：
LM２５９６稳压模块：

• 调至６V供电

MG９０S舵机　　X８

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课后作业

#L1-作业1# 上Github，搜索下stanford doggo的原生开源仓库，认识其机械结构组成，写一篇有关于其机械结构的总结

同轴机构：

• 驱动每条腿的同轴机构绝对是机器人最复杂的机械部件。这也是最麻烦的。它的工作方式是，有两个TMotorMN
  5212电机安装在碳纤维侧板上。也有一个3D打印轴承块，其中有两个轴承，以容纳外部同轴管。。两台电机通过16T滑轮和48T滑轮之间的6mm宽、3mm节距GT2皮带将功率传递给同轴轴。没有足够的空间用于普通的，现成的滑轮，所以使用X计量SLS服务打印了我们自己的。我们学会了总是向服务部门说明滑轮必须打印出来。如果零件是以一个角度印刷，滑轮齿的几何形状会因为离角层而变形。在滑轮上方，我们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过。尽管如此，要为托架找到最佳的中心到中心距离真的很痛苦，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，我们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等等。在我们的下一个机器人上，我们希望有更平滑、更精确的机械滑轮，以及更少的同轴装配中的斜率

腿：

• 狗有四，二自由度腿的SCARA味道。SCARA的味道，意思是，每个腿是一个五杆机构和两个上面的环节是同轴驱动。实际的腿链接是由大蓝锯切割的水射流，这是一个伟大的在线服务(虽然确保上传您的所有部分在一个DXF，以节省费用)。喷水部件实际上是足够精确的，我们不需要对轴承的孔进行修补。

接缝：

• 对于每个接头，有两个深沟球轴承相互堆叠在一起，并有一个肩部螺栓穿过他们和螺纹进入对立的环节。

脚：

• 机器人的脚是我们用3D打印的2部分模具制成的硅橡胶制品。

框架：

• 机器人的框架非常简单。有两个喷水，4mm碳纤维板在每边，连接两个1/32“5052铝板金属零件。这些钣金零件被水射流切割，然后用手折叠起来(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)。

#L1-作业2# 结合上Github的stanford doggo仓库和百度搜索两个信息源，对其原生控制硬件Odrive和无刷电机的控制方式进行了解

Odrive：

• 环形位置控制 要启用环形位置控制，设置axis.controller.config.setpoints_in_cpr = True 此模式对于连续的增量位置移动很有用。 例如，机器人会无限期滚动，或者挤出机马达或传送带会以受控的增量无限期地移动。
  在常规位置模式下，pos_setpoint将增长到非常大的值，并且由于浮点舍入而失去精度。
  在这种模式下，控制器将尝试仅在电动机旋转一圈之内跟踪位置。
  具体而言，pos_setpoint的范围应为[0，cpr-1]，其中cpr是一圈编码器计数值。
  如果pos_setpoint增加到该范围之外（例如通过step /
  dir输入），则会自动将其约束到[0，cpr-1]范围内。注意：在此模式下，将使用encoder.pos_cpr
  作为位置位置反馈，而非encoder.pos_estimate。
  如果尝试以超过cpr/2步的大步幅增加位置，则电机将以相反的方向旋转至相同角度。当输入控制量干扰很大时，也会出现这种情况。
  如果您有一个需要处理较大步幅的应用程序，则可以使用虚拟CPR，该虚拟CPR是编码器实际CPR的整数倍。
  设置encoder.config.cpr = N * your_enc_cpr，其中N是一些整数。
  选择合适的N为您的应用提供合适的位置设置范围。
• 速度控制 设置 axis.controller.config.control_mode = CTRL_MODE_VELOCITY_CONTROL。 现在，您可以使用 axis.controller.vel_setpoint = 5000 [count/s] 控制转速。
• 速度爬升控制 设置 axis.controller.config.control_mode = CTRL_MODE_VELOCITY_CONTROL 设置速度爬升速率 (绝对加速度):
  axis.controller.config.vel_ramp_rate = 2000 [counts/s^2] 启动速度爬升模式:
  axis.controller.vel_ramp_enable = True 现在，您可以使用
  axis.controller.vel_ramp_target = 5000 [count/s] 控制转速。
• 电流控制 设置 axis.controller.config.control_mode = CTRL_MODE_CURRENT_CONTROL 现在，您可以使用axis.controller.current_setpoint = 3 [A] 来控制电机电流。 注意: 在电流控制模式下没有速度限制。 确保不要使电机过载或超过编码器的最大速度。

无刷电机的控制方式：

• 换相的控制 根据定子绕组的换相方式，首先找出三个转子磁钢位置传感器信号H1、H2、H3的状态，与6只功率管之间的关系，以表格形式放在单片机的EEPROM中。8751根据来自H1、H2、H3的状态，可以找到相对应的导通的功率管，并通过P1口送出，即可实现直流无刷电动机的换相。
• 转速的控制 在直流无刷电动机正常运行的过程中，只要通过控制数模转换器的输出电压U0，就可控制直流无刷电动机的电流，进而控制电动机的电流。即8751单片机通过传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较，如高于给定转速，则减小P2口的输出数值，降低电动机电流，达到降低其转速的目的。反之，则增大P2口的输出数值，进而增大电动机的转速。
• PWM控制 转速控制也可以通过PWM方式来实现。
• 变结构控制 当直流无刷电动机处于起动状态或在调整过程中，采用直流无刷电动机的运行模式，以实现动态相应的快速性，一旦电动机的转速到了给定值附近，马上把它转入同步电动机运行模式，以保证其稳速精度。这时计算机只需要按一定频率控制电动机的换相，与此同时，计算机在通过位置传感器的信号周期，来测量其转速大小，并判断它是否跌出同步。一旦失布，则马上转到直流无刷电动机运行，并重新将其拉入同步。
• 方波控制 方波控制使用霍尔传感器或者无感估算算法获得电机转子的位置，然后根据转子的位置在360°的电气周期内，进行6次换向(每60°换向一次)。每个换向位置电机输出特定方向的力，因此可以说方波控制的位置精度是电气60°。由于在这种方式控制下，电机的相电流波形接近方波，所以称为方波控制。
  方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低，使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速;缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值。方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。
• 正弦波控制 正弦波控制方式使用的是SVPWM波，输出的是3相正弦波电压，相应的电流也是正弦波电流。这种方式没有方波控制换向的概念，或者认为一个电气周期内进行了无限多次的换向。显然，正弦波控制相比方波控制，其转矩波动较小，电流谐波少，控制起来感觉比较“细腻”，但是对控制器的性能要求稍高于方波控制，而且电机效率不能发挥到最大值。
• FOC控制 正弦波控制实现了电压矢量的控制，间接实现了电流大小的控制，但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本，实现了电流矢量的控制，也即实现了电机定子磁场的矢量控制。