【毕业设计】履带四足复合机器人 - 嘉立创EDA开源硬件平台

# **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  #### **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 * * * 2022.9.07——— * 由于后面打算将所有驱动电机，更换为无刷电机BLDC，故需一段时间来研究。 2022.11.30——— * 更新了一些链接，修正了一些内容 ## **1.项目简介** ``` 本项目中，履足式复合机器人有两种行进模式：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（V2.0版本为ESP32-PICO-D4），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。 ``` [履带四足复合机器人](https://www.bilibili.com/video/BV1aU4y197CP) <center class="half"> </center> 最初的构想来源——《使命召唤11：高级战争》中的“泰坦”重型坦克: - - - ## **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； <center class="half"> </center> 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，配合拓展板也没什么问题，箭头处注意供电电压是否匹配。（注意供电连接，主控板与拓展板可通过铜柱连接电源） <center class="half"> </center> 3. PWM舵机拓展控制板； <center class="half"> </center> 4. 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【考虑到停产及价格问题，V2.0已用RZ7899替代】； <center class="half"> </center> ### **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。~~~~ <center class="half"> </center> 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） <center class="half"> </center> 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 <center class="half"> </center> - - - ## **4.实物图片** ### **主控板：**  ### **16路PWM舵机---拓展板：**  ### **组合图：**  - - - ## **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   - - - ## **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。 ```  ### **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 ##  ## **8.实物样机**~~~~     - - -