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专业版 【毕业设计】履带四足复合机器人

简介:本项目由立创EDA的星火计划支持,ESP32-WROVER-E为主控MCU,履足式机器人拥有两种行进模式:四足行进、履带行进,四足形态下共拥8个DOF,足端融入了履带机构,由4个直流电机驱动。

开源协议: GPL 3.0

发布时间: 2022-07-20 12:18:33
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描述

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。

更新日志在最底部

bilibili视频链接:https://www.bilibili.com/video/bv1aU4y197CP
初始草稿:
设计图初稿.jpg
最初的构想来源——《使命召唤11:高级战争》中的“泰坦”重型坦克:
3.jpg


2.电控硬件功能

2.1 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

3.选型简述

3.1 电机选型:

  1. 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;
    HTS-35H.png
    串行总线舵机.png
  2. 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)
    MG996r.png
    PWM舵机.png
    PCB.png
    调查表格.png
  3. 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】;
    JGA25.png
    直流电机驱动.png

3.2 其他选型:

  1. 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。
    MPU6050.png
  2. 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)
    控制电路供电.png
  3. 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:(危险,但带劲)
    航模电池.png
    18650动力锂电池:
    10C锂电池.jpg

4.实物图片

主控板:

7.jpg

16路PWM舵机---拓展板:

5.jpg

组合图:

6.jpg


5.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

机器人总装配图_A0-模型.jpg
四足履带机器人V4.5.jpg


6.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。

platformio.png

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)

6.3 代码文件说明:

lib:

  • Adafruit_NeoPixel: WS2812B灯珠驱动控制(有点小bug,第1个灯珠有些不受控制,待更改)
  • Adafruit_PWM_Servo_Driver_Library: PCA9685通信及驱动库
  • MPU6050:加速度传感器
  • U8g2:用于0.96寸 OLED屏幕驱动

src/Drive:

  • Hiwonde.h/.cpp: 串行总线舵机通信库
  • ServoDrive.h/.cpp: PWM舵机驱动控制库(PCA9685)
  • IOs.h/.cpp: GPIO引脚配置及控制库
  • IMU.h/.cpp: MPU6050加速度传感器通信库
  • DCMotorDrive.h/.cpp: 直流电机驱动控制库

src/Dynamics:

  • FKIK.h/.cpp: 单腿正逆解库
  • MotionControl.h/.cpp: 机器人运动及姿态控制库

7.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

GUI合并.png

8.实物样机

f1.jpg

f2.jpg
(摄像头后续再用)
L1.jpg
彩蛋:
合照.jpg


更新日志

2022.6.3———
创建更新日志:毕业准备回家,先收拾东西,暂停开发...


2022.6.16———

  • 修改了结构部分购物清单
  • 主控Version2.0版本验证成功

V2.0.jpg

改动:

  1. 电机驱动更换:TB6612FNG —> RZ7899。优化了TB6612FNG芯片价格飙升问题,及开机履带不受控转动问题;
  2. 主控更换为ESP32-PICO-D4。相比ESP32-WROVER降低了成本,引脚资源更多,优化了布局空间,整体性能区别不大,缺点是不太好焊接;
  3. 删去了DET402G蜂鸣器;
  4. 删去了MITSUMI拨轮编码器;
  5. 多增添了一颗WS2812B-2020灯珠;
  6. 多引出了一处串口,拟打算外接卫星定位模块;(要问为什么引出了3处串口接口,而不将其中2处合并为1处以节省引脚资源。抱歉,才想到......
  7. 多引出了一处IIC 2.54 - 4P排针接口;
  8. 针对主控板与拓展板能够互通电源的M3铜柱孔,新增了肖特基二极管,以便调整是否互通及导通方向;

2022.7.20———

  • 调试过程中一个电机损坏,返厂维修
  • 上传该机器人总装配的step文件
设计图
原理图
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PCB
1 /
暂无
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