更新日志

2022.7.11———
足端拓展结构设计，贴同步带增大与地面摩擦。（已添加进STL压缩文件）

2022.8.7———
腿部结构设计改动：

• 大腿+小腿加厚
• 足端拓展结构改动，无需同步带
• 关节处添加3×7×3mm轴承
  

1 项目简介

   本项目中设计了一款基于鸿蒙Hi3861主控的十二自由度桌面级舵狗，选择MG90S型号9g舵机作为关节位控电机，采用PCA9685PW来实现16路舵机的驱动控制，具有MPU6050六轴加速度传感器模块接口。

移动电源为2S-35C航模聚合物锂电池，电机供电部分采用以MP2236型号DC-DC芯片展开的BUCK型DC-DC降压电路，其支持宽电压输入，最高输入电压18V，最高输出电流6A。

b站视频：
Harmony Puppy

2 器件选型

2.1 主控MCU：

• Hi3861：基于海思 Hi3861LV100 芯片的系统级封装模组，外观尺寸精小，支持鸿蒙嵌入式开发，可实现wifi通信。

2.2 舵机驱动管理：

• PCA9685PW：基于IIC总线通信的12bit精度，16通道的PWM波输出，最高支持16路舵机的管理。

2.3 供电稳压部分：

• 3.3V稳压LDO：SCJT1117-3.3。
• DC-DC BUCK降压电路芯片：MP2236，最高输入电压18V，最高输出电流6A。

参考教学视频：
b站：工科男孙老师 —— BUCK型DC-DC降压开关电源模块设计

2.4 额外接口：

• IIC0接口；
• IIC1接口；
• MCU串口接口；
• GPIO11~14引脚；

2.5 未调用资源：

• 六轴加速度传感器模块：MPU6050（拟打算从STM32移植MPU6050的通信代码，未完成...）
• RGB灯珠：WS2812B-Mini；
• 微型蜂鸣器：DET402G。

注：该部分焊上后，会导致按EN键后MCU输出乱码，而导致无法烧录固件。【暂未查明原因，故未调用。】

3 机械结构设计

设计软件：SolidWorks 2020

所述十二自由度四足舵狗总重量：570g

单腿采用并联腿结构，电机安装部分结构及单腿结构设计紧凑，以尽量减轻腿部重量与节省空间。

主要结构件部分均采用了FDM式3D打印，材质为PLA，大部分均可无支撑打印。

结构参考视频：
DIY一条自己的机械狗，硬件图纸开源
微雪 12自由度 WAVEGO四足

3.1 设计特点：

• 三自由度并联腿结构
• 整体12自由度
• 3D打印结构
• 尾部可安装2.4G天线模块（如小辣椒直头）
• PP端可安装电量显示模块

注：足端需要加防滑

4 单腿运动学正逆解分析

此部分可参考b站up主：灯哥开源 的十二自由度正解、逆解几何法、足端摆线轨迹生成讲解视频。

4.1 正解推导：

参考教学视频：
b站：灯哥开源 —— 机器狗12自由度正解

4.2 逆解推导：

参考教学视频：
b站：灯哥开源 —— 机器狗12自由度逆解

4.3 单大小腿机构示意图：

4.4 足端摆线轨迹生成

在数学中，摆线（Cycloid）定义：一个圆沿一条直线运动时，圆边界上一定点所形成的轨迹。

b站：灯哥开源 —— 足端摆线轨迹生成及MATLAB绘制

4.5 Trot小跑步态规划

    Trot步态是一种动态步态，适用于中低速跑动，并且具有比较大的运动速度范围，另一个重要特征是在中等速度下的Trot步态具有最高的能量效率。这些优点使得Trot步态成为最常用的四足步态。

参考教学视频+文章：
b站：灯哥开源 —— Trot小跑步态程序
CSDN：亦乐大大 —— 四足机器人的足端轨迹规划及步态规划

Trot步态周期图:

5 软件算法设计

参考教学网址：
环境配置（Python 或C/C++）

Python开发环境：Pycharm
C/C++开发：Linux（Ubuntu）---> SSH <---（windows 10） Clion / VScode

5.1 底层驱动内容：

• PWM舵机驱动：pca9685.c、pca9685.h；
• WiFi通信配置：STA模式 + UDP通信（FreeRTOS的网络线程)；

5.2 运动控制内容：

5.2.1 单腿运动学正逆解：

• 单腿正解Forward Kinematics：FKIK.c、FKIK.h ——— void FK函数
• 单腿逆解Inverse Kinematics：FKIK.c、FKIK.h ——— void IK函数

5.2.2 姿态逆解控制：

• 姿态逆解：Robot.c ——— void PosToPoint函数
• 翻滚角Roll逆解：Robot.c ——— void PosToRoll函数
• 俯仰角Pitch逆解：Robot.c ——— void PosToPitch函数
• 偏航角Yaw逆解：Robot.c ——— void PosToYaw函数

5.2.3 运动步态控制：

• 足端摆线轨迹：Trot函数里...
• Trot前后步态模式：Robot.c ——— void Trot函数
• Trot左右步态模式：Robot.c ——— void TrotRL函数
• Trot转向步态模式：Robot.c ——— void TrotTurn函数

6 上位机App设计

开发软件：Android Studio - 2021.1.1
基于Android端开发的App，其UI设计调用了Material与CircleMenu库，简约风设计。
目前菜单功共包含五部分：
    * WiFi信息检测；
    * Robot控制界面浏览；
    * UDP协议通信控制；
    * TCP协议通信控制（未开发完毕）；
    * 设置Setting（未开发完毕）。

参考教学视频：
b站：叫醒耳朵WakeUp —— 圆形动画按钮设计

注意：需要开启定位、通知权限，否则App无法调用Wifi相关功能。

控制界面：

7.实物图片

现存问题

1.本项目中四足机器人在卧倒状态下站立、Trot前进后退步态时后腿无力。拟猜测是由于MG90S扭矩不足、质量批次等问题。
（更换【更优秀的舵机】拟能解决问题）；
2.该机器人的各单腿运动之前需要标定偏差繁琐耗时，即舵机控制精度问题。
（更换【更优秀的舵机】拟能解决问题）；
3.该机器人在运动过程中有左右两侧腿高度不对等的情况，同样即是调试问题，涉及舵机精度。
（更换【更优秀的舵机】拟能解决问题）；
4.该机器人中部分舵机在执行动作后疯狂抖动，即舵机质量问题或供电问题（该板应该不存在供电不足问题）。
（更换【更优秀的舵机】拟能解决问题）；
5.该机器人单腿机构各螺栓连接处需容易出现装配过紧或松，而导致单腿机构松垮或难以活动的情况。目前的优化方案是手拉动机构反复活动，以破坏打印件的内部螺纹，而保证零件间相对运动顺滑。
（在单腿各关节处添加【微型轴承】拟能解决问题） √