【毕业设计】履带四足复合机器人
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2022-06-21 13:15
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
bilibili视频链接：https://www.bilibili.com/video/bv1aU4y197CP
初始草稿：
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：
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；
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）
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】；
3.2 其他选型：
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。
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）
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）
18650动力锂电池：
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
（摄像头后续再用）
彩蛋：
资料下载链接
https://oshwhub.com/PCBguy/2e3UWJAkJbkpLge9zfKt6Q9YRR9SX1Nb