【项目】六足机器人 __(进度：暂停更新...）

Malc

开始折腾六足~
其实六足也不算一个新鲜的项目了，网上的六足项目也是多如牛毛，不过千篇一律，似乎缺乏了点创新。。
这个项目的灵感来源于前段时间做的雕刻机，雕刻机其实就是把步进电机的旋转运动通过丝杆转换成直线运动，以此控制刀具和工件的移动
之后一直想把这种结构运用到什么地方去，于是乎就产生了这么一个项目
上图



上面的效果图仅仅是个原型，用于分析结构。。最终的效果可能会有差别
这个设计完全抛弃了舵机，采用空心杯伸缩杆+减速电机的方案来作为机器人的动力，不过原理还是和舵机相同，电机+减速+角度反馈
大家多提意见~
对这个项目感兴趣的同学，可以进群讨论，集思广益~

分析一下舵机方案和螺杆驱动方案的优劣
舵机方案：
舵机一体化程度高，使用简单，应用也成熟，配合舵机控制器使用非常方便
但是舵机形状比较单一，体积也比较大，速度比较慢，响应频率也低，控制频率50Hz
螺杆驱动方案：
螺杆减速驱动的方案在电机的选择方面就比较灵活，可以根据不同的情况选择不同型号的电机
响应频率高，最简单的PWM+AD就能控制电机运动，其实相当于将舵机拆开来使用
当然，螺杆方案最大的优点，就是它具有自锁功能，不用像普通模拟舵机那样要持续不断的发送角度信号，消耗的能量更少
用螺杆驱动，会面临这么几个问题：
1、选择合适的电机，电机要满足转速、转矩、重量、体积、电压、电流等要求
2、要重新设计电机角度反馈电路和控制电路、控制程序

Malc

占坑
讨论机械结构
分析了一整天机械结构，话说用这种结构的机器人非常非常少见。。
搜遍整个网络只发现立陶宛一个老兄用过，再一看日期，那也是3年前的了，并且之后一直没有更新（估计没成功）。。。那位立陶宛老兄地址（。。。囧 原来以为他是德国的）
很纳闷他为啥3年不更新了。。但是经过一天的分析后终于发现了原因，稍后道来。。
做一个六足机器人，最重要的就是腿部的设计，腿部设计的重点，就是电机的选择，如电机的力矩、转速、电流等参数，所以我们就先拿一条腿开始分析：


上面两幅图展示了腿中部的运动情况，即：螺杆运动一个总行程L，机器人重心变化H，据此可以求出电机的参数
条件：
机器人自重500g，负重500g，总共1kg
电池8.4v航模锂电池
所用螺杆φ5mm，螺距p=1mm

假设运动过程中腿角度随螺杆均匀变化，拉力不变，忽略各种摩擦力
根据公式MgH=TN*2π
此公式的含义：物体上升一段距离H所需的能量=电机旋转N圈做的功
M=333g（六足运动中3条腿着地，1kg/3=333g)
H=76-29=47mm
N=电机转过圈数=L/p=20
*注意：计算功的一定要将角速度转换成弧度制，rpm*2π/60=rad/s
T为所求电机转矩
∴T=3.3N*47/1000m/20/6.28=0.00123Nm=12.3gcm
12.3gcm就是这个电机所需要的最大额定转矩
同理可求得机器人无负载的时候所需的额定转矩=6.17gcm
如果希望机器人上升的速度能达到4.7cm/s,那电机的转速要满足 ω=20rps=1200rpm
上面的计算忽略了摩擦力，也假定转动过程中所需拉力恒定，实际上拉力方向和腿转动方向所成的角度是变化的，因此要留1倍的余量
所以根据上面的参数就能很轻松的选择所需电机：
工作电压8.4v，重量10-15g，额定转矩12.3gcm-24.6gcm，额定转速1200rpm
正好，目前tb上卖的很火的微型减速电机n20有诸多减速比，完全符合要求

经过一番折腾确定了腿部中间的那个电机，同理再分析腿下部的电机：


可以发现H=22mm，L=9.2mm，比值和上述的电机很接近，省略公式，计算得：
额定转矩：12.8-25.7gcm
额定转速：1200rpm
经过这么一番分析后，可以发现那位老外为什么不成功了，因为他用空心杯电机作为动力（MADE IN CHINA），这也是我一开始的想法，为了减轻重量
直径7mm长度14mm的空心杯参数：电压3.7v，额定电流200ma，额定转速30,000rpm，tb上大多数的空心杯都没给出转矩，网上搜了半天也很难找到，于是自己粗略算了一下，这种型号的空心杯转矩应该是1.2gcm，{:soso_e136:} 是不是小的可怜？？

另外，我猜测，烂大街的辉盛9g舵机里的电机和烂大街的n20减速电机所用的电机应该是一样的

总结上面的一段分析，大家在给自己的机器人（不管什么类型的机器人）选择电机的时候，完全可以先用功和能的观点简单判断一款电机符不符合要求
最简单的办法，就拿上面的例子来说，某款n20，9v，负载电流60ma，负载力矩22gcm，负载转速890rpm：
机器人所需功率<电机输出功率<电机总功率
机器人所需功率：P=W/t=（mgH+1/2mv2)/1=[0.33*10*47/1000+0.5*0.33*(47/1000)2]/1=0.156W
电机总功率：       P=9*0.06=0.54W
直流有刷电机效率一般比较低，就算50%吧
0.54W*50%=0.27W>0.156W
粗略一算，这款电机符合要求！
再算一下它的输出功率：
电机输出功率：   P=T*ω=22*890*2π/60*0.0000981=0.2W  (一定要带上单位，W对应Nm，gcm要转换成Nm）
0.2W也大于0.15W，实际效率37%。。。
假如我们用的是空心杯，那它的总功率：
P=3.7v*0.2a=0.74W，假设输出效率50%，则P=0.37w，理论计算出来用空心杯也是可行的，不过要经过减速，而且同等体积的空心杯力矩会比铁心的差。。
附上链接：
MTU的一篇关于电机的详细文章
力矩转换表

*注意：上面的分析方法、计算结果可能有错误，欢迎指正！

以上的分析忽略了加速度，最后的结果导致偏小，由于模型比较复杂，现在改为solidworks进行运动分析
未完待续。。

Malc

占坑
讨论硬件
硬件方面，最主要解决的问题，就是角度反馈和电机驱动
角度反馈计划采用AD读取电位器阻值变化，这也是大多数舵机里的角度反馈元件
电机驱动再讨论，因为电机电流很小，60ma~200ma，考虑三极管H桥或者ULN2003？？
再采用mega8或168作为MCU
通过串口或ISP或其他方式接收命令，统一接口
兼容控制其他舵机六足的命令
电机转动的精度取决于电位器的质量和AD的精度
电机转动的速度取决于电流大小，以及AD读取速度、程序处理速度

Malc

再占一坑
讨论控制程序
这里控制程序可以分为上位机和下位机来讨论，由于硬件接口和普通舵机控制器相同，所以其他舵机控制上位机应该能很好的修改移植
先说说下位机程序
下位机接受的命令看起来可以是这样子：#C1P60C2P90
解释起来就是1号电机转到60°，2号电机转到90°
至于驱动电机的算法，可以采用分段PID
先实现最基本的，再改进
如加上脚底触碰开关，加上陀螺仪和加速度传感器进行姿态反馈

Randy

Malc  厉害哈，我也想弄一个玩玩。现在成型了吗？

幻生幻灭

占坑
关注哈

Malc

Randy 发表于 2012-7-21 23:08
Malc  厉害哈，我也想弄一个玩玩。现在成型了吗？

现在在设计和分析结构
现在没法弄，很多零件要cnc加工
回校后做条腿验证一下
还要设计控制电路，程序
工作量也不小了。。。
欢迎一起讨论改进~

Randy

Malc 发表于 2012-7-21 23:13
现在在设计和分析结构
现在没法弄，很多零件要cnc加工
回校后做条腿验证一下

是的，一个人忙完这些，时间就够呛了，一起讨论，我也没这方面的经验，集思广益吧！

wing

这是个很酷的设计，需要串口无线通讯么？

三水

占坑0 0   求群号

l416799300

占个 好位置 静等好消息

照妖镜

体积应该小不了，我也正想用这种结构做个小型挖掘机 呵呵
你的雕刻机做好了吗？卖吗？啥价啊？

奈何col

牛逼啊~膜拜下~

偶要白相

外形超酷，我不久前也用arduino搞了個雕刻机哈哈

宜昌城老张

最近在极客工坊，不断看到高手的作品，看来论坛要火了。