四足机器人机械结构设计

I摘要四足机器人在19世纪就有研究记录，但无论是机械结构还是控制因受到技术的束缚，到20世纪末，才有了突破性的进展。四足机器人的应用很广，现在已经在军事上得到应用，推广民用也只是时间问题。它以其能适应各种复杂地形以及能承载一定负重而优于轮式机器人。在国外，也已经开始在物流行业应用四足机器人。现在国内也掀起了四足机器人的研究热潮，以宇树科技为首的一大批公司在前后发布四足机器人量产及推出市场的信息。本课题四足机器人机械结构设计主要是从简单的四足机器人结构入手，在原有的八自由度的基础上，优化八自由度的方案，得到其中的经验，为十二自由度的四足机器人的设计打下基础。并且提供一个廉价的八自由度四足机器人的设计方案，能在一定程度上降低四足机器人在中国高校的研究门槛。关键词：四足机器人；电控制；测试与仿真；同步轮计算AbstractQuadrupedrobotshavebeenstudiedinthe19thcentury,butitwasnotuntiltheendofthe20thcenturythatbreakthroughsweremadeintermsofmechanicalstructureandcontroltechnology.Quadrupedrobothasbeenwidelyusedinmilitary,anditisonlyamatteroftimebeforeitispopularizedincivilian.Itisbetterthanwheeledrobotbecauseitcanadapttovariouscomplexterrainandcancarrycertainload.Inforeigncountries,quadrupedrobotshavebeenappliedinthelogisticsindustry.NowthereisalsoaupsurgeofresearchonquadrupedrobotsinChina.AlargenumberofcompaniesledbyYushutechnologyhavereleasedinformationaboutmassproductionandmarketlaunchofquadrupedrobotsaroundtheworld.Inthispaper,themechanicalstructuredesignofquadrupedrobotismainlybasedonthesimplestructureofquadrupedrobot.Onthebasisoftheoriginaleightdegreesoffreedom,theeightdegreesoffreedomschemeisoptimized,andtheexperienceisgained,whichlaysthefoundationforthedesignoftwelvedegreesoffreedomquadrupedrobot.Andprovideacheapdesignschemeof8-DOFquadrupedrobot,whichcanreducetheresearchthresholdofquadrupedrobotinChineseuniversitiestoacertainextent.Keywords:Quadrupedrobot;Electriccontrol;Opticaltorquesensor;Testandsimulation;Synchronouswheelcalculation目录TOC\o"1-3"\h\u1.引言 11.1研究意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外研究概况 11.2.2国内研究概况 31.2.3总体发展概况 51.3主要研究内容 62．四足机器人总体方案的基础理论规则 82.1四足哺乳动物的近似运动模型 82.2近似运动模型下的四足机器人设计规则 82.3四足机器人腿长腿间距的选取，及腿的布局 92.4四足机器人腿越长越稳、机身质量越大越稳 122.5前期验证总体方案的腿部结构测试（9月份测试模型） 132.5.1测试目的： 132.5.2测试结构方案： 132.5.3测试方式： 142.5.4测试结果以及优化方案： 143．冲击设计：估计碰撞过程中的传输载荷 183.1碰撞的鲁棒性对机械结构的影响 183.2通心轴的有限元分析 213.2.1Soildworks2019简介 213.2.2Soildworks2019Simulation插件介绍以及通心轴有限元分析 213.3同步轮及同步带节线长的计算 224.整体方案的确定以及优化 234.1同步轮及同步带节线长的计算 234.2整体机构具体方案实物展示及二次优化方案 244.2.1第一版的优化方案（已做出实物）： 244.2.2第二版的优化方案： 255.三维建模图展示 276.总结 281.引言1.1研究意义足式机器人未来的发展前景很大，它除了能应用在军事、航空探索领域上以外（例如扫雷排雷、运输物资等），还能在物流行业（外卖配送、快递运输等）、教育行业（硬件的学习以及功能、算法的开发等）还有智能家电等行业占有一席之地。随着技术的不断发展，能以四足机器人作为平台并在这平台上搭建其他系统（如机械手、激光雷达等），丰富其功能，四足机器人的功能会越来越多，普及越来越广。虽然现在国内也有研究四足机器人的高校和企业，但是四足机器人的技术瓶颈仍有很多，国内暂时距离波士顿动力或MIT的技术仍有一段比较长的距离。目前各国研究足式机器人大多是在军事项目上，所以需要具备强劲的运动性能，以液压伺服系统最为常见。但是液压系统价格昂贵，将其商业化具有一定难度，所以民用四足机器人普遍是以电机电力驱动为主。研究电机电力驱动的四足机器人的极致到最后肯定是到电机的研发上，针对各关节的受力与使用情况不同研发更具备针对性的电机作为动力源。但是目前我仍未具备自主研发电机的水平，只能尝试优化其机械结构，使得机械更加可靠，更加轻便，争取能成为国内首位开源造价较低的8自由度四足机器人。有时间可以触摸12自由度的门槛。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究概况哺乳动物类足式机器人的研究从上个世纪60年代开始飞速发展。从仿生学的角度，可以将足式机器人分为双足仿生机器人、四足机器人及多足机器人。其中以波士顿动力公司最具代表性。他们研制的BigDog机器人采用高度集成化的液压伺服系统作为动力源，所以其具备强劲的运动性能。美国军方将BigDog应用在物资运输上。全电机驱动的四足机器人，是目前所有足式机器中，技术成熟度、应用价值、人机交互友好性等综合多方面，最优的选择。液压系统和内燃机系统具有造价高、质量重等劣势，所以并不是普及技术的最好的选择。下面就总结一下目前比较有代表性的四足机器人方案。LeggedRobotics实验室的SterIETH四足机器人（图1.1）及其腿部结构采用了优化的平面运动腿，这种腿具有扩展自由的外展度，腿部末端采用一线性弹簧，作为被动自由度，提高机器人足端的受力能力，改善机器人在复杂地貌上的适应性。在SterIETH的基础上研发了ANYmal（图1.2），使用了12个具有力-位控制能力的电驱动单元，并可以携带多种传感器以实现复杂环境下的工业检测任务。图1.2ANYmal机器人图1.1SterIETH机器人及其腿部结构图MITBiomimeticRoboticsLab的Cheetah机器人（图1.3）采用了EmoteqHT（高压高扭矩）系列无框动力电机（Dynamixel伺服电机），与低减速比行星减速器直接驱动的动力方案，在外部框架支撑下实现了接近自然界动物的高效率奔跑运动，其目前最高奔跑速度已超过22km/h。为了实现高速奔跑，Cheetah除设计实现高性能动力系统外，还在腿部结构上做了大量分析优化。后续版本CheetahRobotV2（图1.4）采用了自主研发的盘式力矩电机，功率密度进一步提升，但由于每条腿只有两个主运动自由度，髋关节侧摆自由度运动性能较弱，主要以跳跃步态运行。图1.3Cheetah机器人图1.4CheetahRobotV.2机器人1.2.2国内研究概况近年国内高向和研究机构在863计划“高性能四足仿生机器人”等国家科研计划支持下，研发了多种液压动力的四足机器人样机。山东大学、哈尔滨工业大学与华中科技大学等单位研制的四足机器人“MBBOT”，以及上海交通大学、清华大学研制的四足机器人等。也从这些学校里面萌芽了许多关于四足机器人的大学生创业企业如宇树科技、蔚蓝阿尔法机器狗还有沃奇智能机器人等。这些机器人能够实现负重下的蹲起、原地踏步、对角小跑、10°爬坡等运动。以山东大学为例简单介绍一下国内高校研发的四足机器人，因为国内高校研发的四足机器人方向大致相同，因此只举一例，它的研究方向是跟随着美国波士顿动力给军方研制的BigDog四足机器人的形式研制的。以液压伺服作为动力源，腿部有缓冲装置，能起到缓冲作用，并且将一部分机械能转换成机器人的动力，脚底有PVDF（压电薄膜）测力传感器作为反馈控制。图1.5山东大学样机图1.6哈尔滨工业大学样机图1.7上海交通大学样机基本上国内高校研制的四足机器人，都是奔着BigDog 的方向去的，都是以液压伺服为动力，承载大、算法能适应各种复杂地形、抗扰能力强为主要的研究目标。而且国内更注重四足机器人的算法控制，对机械结构并不是很重视，尤其是液压伺服的设计，与波士顿动力相比，并不是很紧凑。但是也有一些高校在秘密研发新的四足机器人并未公开其研发的视频或是发表论文，但是目前为止，公开的资料里面，与波士顿公开的资料相比，仍然有一定的差距。反观国内以电机为动力源的四足机器人，以2019年Robocon比赛还有几家机器人公司作为电驱动四足机器人的研究主体。在2019年Robocon比赛中，加入了四足机器人的元素。其中以东北大学TDT队伍的四足机器人最为夺目，它的结构新颖，重点是其电机的空间结构布置，可以认为是世界首创。当然这种结构布局方式仅适用于比赛，对真正的四足机器人的研发并没有什么参考价值，但是也能证明国内有一群热血青年为四足机器人的创新与研发而努力奋斗。而在国内众多研究电驱动四足机器人的公司中，以宇树科技研究的四足机器人最为夺目，同时也是国内唯一能媲美美国波士顿动力公司电驱动四足机器人的公司。宇树科技的创始人王兴兴，在2016年在他的硕士论文里面就完成了他人生中第一部四足机器人的研发。然后创办了宇树科技公司，并且是国内第一家在麻省理工学院开源的MiniCheetah之前就完成其四足机器人的研发的公司，而国内现有的几家所谓的四足机器人公司，在结构上还是停留在MiniCheetah上，并无明显的创新痕迹。换句话说，宇树科技具备自主研发能力比其他研发四足机器人的公司要强。但宇树科技在以液压为源动力的四足机器人上面仍未有任何开发的计划。图1.8东北大学学生团队研发的四足机器人图1.9宇树科技四足机器人发展历程1.2.3总体发展概况经过汇总，目前世界上比较有代表性的几款足式机器人关节中应用的电机机械结构都有减速结构，Laikago用的是行星减速、Anymal用的是谐波减速器和弹性体、Spotmini用的是谐波减速器或是滚珠丝杆。最理想的电机（力矩源）是可以实时控制的无转动惯量的精确扭矩发生器。而实际电机有转动惯量、扭矩、质量密度较低、力矩发生有滞后（带宽）、力矩发生有波动、发热等缺陷。所以目前限制电机技术的瓶颈是材料，材料有两种，稀土永磁和硅钢或软磁合金，稀土永磁具有高磁能积和高矫顽力（特别是高内禀矫顽力），使得稀土永磁电机具有体积小，重量轻、效率高、特性好（特高速、特高响应速度等）。现在国内外的不少足式机器人因为电机发热的问题、机械结构的缺陷、电池续航能力差等问题，只能短时间运行。所以在机械结构上，除了具有一定柔性变化的腿部机械结构外，电机的选型是最关键的问题。因为无论采用的是哪一种腿部结构，电机的运行状态是一直保持不停的正反转状态，所以转动惯量是一个非常致命的问题，正反转的状态就注定了电机很少会出现全速运作的状态，电机也会因为要克服转动惯量而导致发热非常明显。减速比条件允许的情况下越低越好，传动效率是越高越高，这样能带来更好的反驱能力，高的减速比能提升力矩和质量比，但是它的转动惯量增大（正比于减速比的平方）、力矩带宽和响应也相对较低。在现今的科技背景下提升电机性能的方法主要有两个方面，一个是增强散热，用风冷或者水冷的方式，但目前风冷的方式比较常见，因为水冷还会涉及到漏液、管路布置等问题。另一个是选用合适的减速结构，行星、摆线、谐波滚珠丝杆等。行星减速价格优势比较大。摆线是各种电机中，抗冲击能力最强的。谐波减速的优势是相同体积下减速比更大，但是价格很高。图1.11波士顿大学Doggo四足机器人图1.12波斯顿动力SpotMini四足机器人图1.13麻省理工学院MiniCheetah四足机器人1.3主要研究内容本文以研制电驱动式中高性能小型八自由度四足机器人为目标，主体研究内容包括以下几个部分：1）在分析各研究实验室的设计规则为前提，再结合近几年补充几条新的研究四足机器人的理论，并结合动力、传感、控制等方面对八自由度的四足机器人的机械结构做出新的尝试和分析论证。2）完成电驱动小型四足机器人整机的研制。在上述理论工作的基础上，完成四足机器人整体的设计，并结合控制需求，对整体的结构进行优化调整。尝试新的腿部结构，并结合足端的力矩传感器优化电控控制。3）对本文研发的八自由度四足机器人整机进行基本的运动性能的测试与分析。本课题研究的技术路线：1、明确设计要求，把握好设计的主方向；2、查找四足机器人的相关资料以及探讨哪一种方案比较适合设计所需；3、做出单腿的模型结构并列出一系列需要测试的项目和测试需求；4、结合资料和测试结果提出解决方案，并结合实际对优化方案进行删减；5、选择体符合课题的最佳方案，绘制草图然后进行三维建模；6、与电控跟算法视觉沟通，四足机器人对重心的要求比较高，要将所有的电路板、传感器、工控、电池等质量比较大且集中的电路电器都要在三维图纸上面呈现出来；7、对三维模型进行探讨，对主要部分进行受力、安全性、可行性分析等进行分析；8、确定前面步骤无误，准备出工程二维图，选择合适的配合公差、尺寸公差等并准备购买材料；9、产品进行加工，各部件进行装配及电路控制系统的装配，调试运行；10、完成设计。并组装好，根据实际与电控联调的实际结果考虑是否添加传感器，或是工控电脑。2．四足机器人总体方案的基础理论规则2.1四足哺乳动物的近似运动模型哺乳动物的足式运动特性可以用弹簧-负载倒立摆（Spring-LoadedInversePendulum,SLIP）等效简化模型来近似描述，其身体在较低速运动时可以不考虑脊椎的影响而以一个刚体模型近似。以MarcRaibert（波士顿动力公司创始人）为代表的足式机器人学者们已经通过多种不同形态的四足机器人样机，验证了这种近似有效性。图2.1四足哺乳动物近似运动模型2.2近似运动模型下的四足机器人设计规则MITBiomimeticRoboticsLab详细分析了多种哺乳动物腿部结构及运动特性，并根据肌肉的力/运动特性（图2.1），提出了四足机器人所应具备的技术特征：高力/力矩密度及高功率密度的关节驱动器，阻抗（刚度/阻尼）变换，高响应带宽，高效率，以及用于足垫、骨架等部件的韧性结构。（图2.2）所示的肌肉力/运动特性，是把肌肉等效为一个力源而做出的近似等效模型。观察实际肌肉的控制特性，发现更多情况下肌肉可以实现力/位置混合控制的效果。值得注意的是，肌骨系统似乎可以直接实现位置控制而“锁定”在某个位置，这可能是通过估计外力的大小而用前馈控制实现的，又或者肌肉本身有某种机制可以实现这种“锁定”状态，具体原因还有待细致研究。图2.2肌肉的力/运动特性2.3四足机器人腿长腿间距的选取，及腿的布局1）腿长、腿间距的选取在SILP定义下的机器人几何模型（图2.1）中。定义：σ0=LFR推荐2≤σ0＜3.（LFR观察四足哺乳动物的骨架，可以发现站立姿态的猫狗马驴σ0≈3.0。而对于人，由于人直立行走的原因，使得两大腿间不需要容纳空间给身体，使得可以使σ0≈这正是这个参数意义所在：在运动步态中，较大的σ0进一步的，在机器人σ0一定的情况下，可以把足端向身体内侧收敛，来达到和增大σ另外需要指出的是，较大的σ0虽然可以提升运动性能，但在机器人静态站立时反而会影响机身的稳定性。故机器人站立时，把2）腿的布局为了使机器人具有较好的稳定性，一般会采用比较低的重心。这就导致了机器人腿的髋关节位置需要位于机器人身体的两侧而不是身体腹部。再结合2连杆腿部结构不同的膝关节朝向布置方式，就有了下图中的4种不同的布局方式。一般命名为：a前肘后膝式、b前膝后肘式、c全膝式、d全肘式，图2.3的黑色三角形为机器人的头部方向或称为前进方向，腿部向前进方向弯曲为膝，向后退方向弯曲为肘。（这里只是单纯地对二连杆布局进行简单的介绍，八自由度的四足机器人使用的是四连杆的筝形结构）图2.3二连杆腿部结构布局八自由度的四足机器人转换成哺乳动物的关节，就剩下髋关节的前后摆自由度，还有膝关节的前后摆自由度，与12自由度的四足机器人相比，少了一个髋关节的左右侧摆自由度。目前八自由度的四足机器人的腿部所拥有的形式大致分为三种，分别为：筝形的四连杆结构（图2.8），筝形指的是四边形中的一种特殊情况，即有两组邻边分别相等但四条边不相等的四边形（即非菱形），两个电机改变连杆角度从而进行运动能模拟出髋关节与膝关节的摆动自由度运动；平行四边形的连杆结构（图2.4），电机1驱动整个髋关节的前摆自由度，电机2是驱动平行四边形连杆结构，即膝关节的前摆自由度；还有双杆直驱结构（图2.5）关节1为髋关节的前后摆动自由度，关节2为膝关节的前后摆动自由度，此外一般都会使用一根垂直前进方向的杆作为脚趾，来维持机器人的平衡，脚趾上面还会用一层橡胶或其他能增加摩擦力的材质。八自由度的众多机器人腿部结构中以筝形连杆结构较为常见，同时筝形的连杆结构已经被验证为足式机器人中垂直跳跃能力最佳的机械结构。所以就采用筝形连杆结构，而筝形连杆结构从空间分布上面主要是分为两种，一种为外部筝形结构，腿部结构在身体之外（图2.6）；另一种为内部筝形结构腿部结构在身体之内（图2.7）。图2.4平行四边形连杆结构示意图图2.5双杆直驱结构框架图图2.6外部筝形结构图2.7内部筝形结构图2.8筝形结构及其运动原理轨迹图外部筝形的结构可以使得总体的质量更集中，而且能完成的动作幅度，从空间上讲，比内部结构要大，因为内部筝形结构有一部份的动作盲点，会干涉，无法到达盲点位置，但是外部筝形在理论上说，它是没有动作盲点的，360度都可以旋转，可到达的位置点点集可以用一个同心圆表示（图2.9），只要结构不与身体发生干涉即可。但是外部筝形的腿部结构会增加一部分机械结构的长度，或者复杂性；而内部筝形的腿部结构可以更简便一些。图2.9筝形结构可到达的位置点点集示意图为了使得机器人的质量最小化，结构只能在其安全范围内尽可能地压缩其质量，换句话说就是要牺牲一部分的刚性，来换取质量的减少，所以全部材料都只能用轻的，如碳板、6系列铝等。由于前期对结构并不熟悉，而且想进一步了解同步轮的特性，所以我们并没有采用斯坦福开源的同步轮齿数比。为了加快测试进程，我先拟定了40：24的齿数比作为第一版同步轮的测试齿数，同步轮的带宽为10mm，因为3508原本就有一个自带的减速箱，减速比为19:1，加上40:24的齿数比大概完整的减速比是11.4:1。在负重测试中发现11.4:1的减速比的输出扭矩还是与理想状态的所需的扭矩还是偏低了一点，所以我在完整版的机器人上面所用的齿数比为32:26齿，最终结合电机原本减速比的总减速比为15.4375。2.4四足机器人腿越长越稳、机身质量越大越稳四足机器人的体型对于稳定性的影响关系。这里指的稳定性，指的是四足机器人最关键的侧向稳定性，四足机器人在其余方向基本都是天然具有稳定性的。故四足机器人对角步态想实现侧向稳定，一般都是采用固定周期T的交替迈步来实现整个机器人的稳定。那么在设计机器人控制策略时自然而然的会遇到怎么选取单腿迈步周期T0的问题。单腿迈步周期T0机身稳定1：质心-支撑足连线与支撑足垂线的夹角，在整个单腿迈步周期的支撑相内都小于某个值（θt机身稳定2：质心与支撑足垂线的距离，在整个单腿迈步周期的支撑相内都小于某个值（L×无论使用机身稳定1或2判定条件，在相同的机身初始侧向速度下，腿越长，机器人质心留在稳定区域内的时间越长，即稳定性越好，也就是可以使用更大的迈步周期T0这条原则也同样可以解释为什么小型动物都是以很高的步频运动：这不仅提高了运动的稳定性，还大大提高了运动速度（速度=步频×步距）。并且也可以解释为什么体型比较小的生物（如昆虫、爬行动物等）都不采用足式哺乳动物这种直立腿行走的方式，并且腿数多于4。从这条腿越长越稳的规律可以引申出，如若把人体等比例缩小（如身高只有10cm高），那么人将很难维持正常的步态进行行走。这一条规定同样可以解释中国传统杂技顶杆这类的表演方式。在外力相同Ft∙t腿越长越稳规律，描述了机器人自身构型决定的稳定性；而机身质量越大越稳规律，描述了机器抗外部扰动的能力。当然这是在腿部动力充足的情况之下才成立，如果腿部动力只能很勉强地维持自身运动的状态，那质量越大越稳是不成立的。2.5前期验证总体方案的腿部结构测试（9月份测试模型）2.5.1测试目的：1、熟悉同步轮同步带传动的一些特性。（因为在之前本人做的一些设计上面都没有尝试同步轮同步带传动）测试同步轮的齿形及同步带的材质选用哪种（材质有：聚氨酯、橡胶、TPU热塑性聚氨酯弹性体橡胶）2、验证提出的驱动结构是否可行。（首先是验证波士顿大学开源的方案，然后验证自己提出的方案）3、通过迭代测试，发现问题，并做出合理的优化方案。4、用最低的成本代价，最少的时间尽可能地将机械结构上面未知的问题数量降到最低。5、由于选用的3508电机没有绝对位置编码器，需要考虑电机初始化的方式，是否需要加装传感器。6、与电控联调，让电控尝试控制代码，并根据单腿模型，将整体的电控线路布局方案整理出来，我将在整体的模型上面将电路完善，以方便我可以比较准确的控制整体的重心，并且设计好电路板的安装孔位。2.5.2测试结构方案：电机为了节省成本，选用实验室最常用的3508无刷电机，适配C620的电调。目前已知开源结构的电机电调，一套需要大约人民币900块，八个自由度需要8套，即7200块。用3508电机和C620电调是现成的，就省了一大笔支出。图2.10是9月份搭建的单腿结构测试的三维模型，其中分为红色与蓝色两个部分，每个部分由一个3508无刷电机驱动。用紧定螺栓固定5M40齿带宽为10的同步轮，再带动5M24齿同步轮。蓝色部分的传动轴是里面的小径通心轴，红色部分的传动轴是外面的大径通心轴，小径通心轴里面有2个带法兰的滚珠轴承，与大径通心轴相嵌，所以大小径通心轴可以独立运动而不受影响。大径通心轴的固定，我也是采用两个滚珠轴承，外面用一个3D打印件套住轴承外圈用作固定作用，打印件再固定在作为身体外壳的玻纤板上。图2.10：9月份搭建的单腿测试版三维模型剖视图2.5.3测试方式：1、首先是给电控留时间做腿部运动的控制，熟悉一下代码。2、在熟悉代码的前提之下，长时间空载运行，看看在空载的情况下，会不会出现问题。3、分阶段负重测试，从0.5KG，每0.5KG叠加上去。4、测试以3分钟时间为基础测试时间，然后以每两分钟为单位，叠加时长测试，以电机温度达到60摄氏度为停止测试标准。2.5.4测试结果以及优化方案：图2.11中黑色的板件皆是由3mm玻纤板或4mm玻纤板制作，玻纤板韧性强，刚性足，已经能够满足测试的需求了，在完整版的四足机器人里面，我将会使用力学性能更好的3K碳纤维来制作。表2.1：9月测试版问题记录表材料性质玻纤板3K碳纤板强度极限σb兆帕34303600弹性模量E兆帕73000210000密度ρ（g/cm3)2.541.78伸长率σ（%）4.82.1%泊松比μ0.220.307表2.2：玻纤板和碳纤板的力学指标图2.11：9月份搭建的单腿测试版模型图2.12：9月份单腿测试版3KG负重测试测试出现的问题主要有：首先空载测试的是聚氨酯同步带以及5T同步轮，出现了同步轮虚位较大的问题，导致该问题的原因主要是同步轮的固定方式，时间比较紧，我就购买了内孔为圆孔且有两颗90°分布的紧定螺丝作为轴向固定的同步轮。空载时长逐渐增大的时候，就出现了同步带渐渐松垮的现象，测试的时长加起来总共为2个小时左右。后面根据查阅的资料表明，梯形齿所能承受的扭矩是所有同步轮齿形中最小的。在进行负重测试的时候这种现象也随着负重的增加而越来越明显。再迭代测试，将同步带的材质换成TPU，延长测试时间，比聚氨酯同步带好了许多，但是价格也是聚氨酯同步带的几倍。综合考虑，在确定总体方案的时候我将同步带的材质改为橡胶。在后面进行负重测试的时候，发现腿部结构的玻纤板，形变的现象比较严重。负重测试还暴露出一个问题，就是在添加到3KG的负重时，电机就比较吃力，我们就认为是总体的减速比过小，导致扭矩输出不够。针对测试问题得出的优化方案：根据资料显示，同步轮所能承受的扭矩大小与两个参数有关：第一个是节距，节距越大承受的扭矩就越大；第二个是齿形，一般的同步轮齿形分成3种，梯形齿、圆弧齿、异型齿，其所能承受的扭矩从小到大排列同上。而我为了节省开支，选用了5M圆弧齿。我查找了一些资料表明，聚氨酯同步带的抗拉能力是三种材质里面最差的，其次是橡胶，最强是TPU。聚氨酯同步带主要是应用在对使用环境要求较高的地方，例如医药设备、食品加工设备等。后面为了节省开支，选用了橡胶材质的同步轮。腿部结构是困扰了我很久的一个问题，因为为了将质量降到最低，我不想用增加结构的方式去解决形变问题，但是后面也没有很好的方案，于是就使用了双层板结构加固。双层板之间用铜柱连接。图2.13：优化双层板结构三维图然后是减重问题，我在确定了该驱动方案可行之后，在此基础上做了一些大胆的减重尝试，首先是将同步轮的带宽从测试版的10mm,改成8mm,在26齿的同步轮上面做了极致的减重操作，并且在32齿的同步轮上面开了4个减重用的孔。两根传动轴的长度和壁厚，也比测试版的更短更薄，结构更为紧凑。图2.14：镂空减重后的32齿5M同步轮特别值得一提的是：负重测试的方式我们也进行过多种控制变量法的尝试：首先是用绳子固定哑铃片，绳子的韧性不够，加上经常与桌面摩擦，一般在3分钟~5分钟左右就会被磨断。于是我们通过改变绳子的长度来缓解这种摩擦，偶然的发现了一个规律，绳子越长，聚氨酯同步带所能支撑的时间就越久。后面我们用了一个3D打印件固定在腿部上，而且在打印件上面设计两个空间，能放上负重铁块。发现这种连接方式，聚氨酯同步带能持续的时间很短，甚至仅仅3秒钟，就被完全拉变形了，失效了。这是机械结构上面需要注意的一个难题，惯量问题，因为绳子越长，它有部分惯量被绳子的长度所缓冲了，但是当负重越接近腿部结构，甚至直接固定在上面，惯量就没办法缓冲，只能硬扯，所以就对结构伤害很大。解决的办法有两种，要么就是减重，要么就是增加结构的刚性，使其更稳定，不容易被扯坏。3．冲击设计：估计碰撞过程中的传输载荷3.1碰撞的鲁棒性对机械结构的影响对碰撞的鲁棒性是足式机器人的一个重要指标，非零碰撞速度接触是不可避免的，即便控制努力地避免它。地形中任何的不确定性，机器人状态估计中的任何错误以及任何干扰都可能导致显著速度的影响，足式机器人对此必须具有鲁棒性。存在用机械结构缓解这些冲击的方案，例如在腿或者电机上面添加有意串联的弹性元件。像麻省理工学院的猎豹机器人一样，机器人的脚和腿连接的固有柔顺性足以防止腿部断裂。对于麻省理工学院的猎豹来说，这些合乎常规性带来的影响是足够高的频率，对于运动控制来说是可以忽略的。为了了解腿部结构必须承受的一些局限性，在这里进行一些简单的分析，以估算传动系统碰撞过程中的传输载荷，并有助于腿部结构的传动和机器人的腿部设计。研究的基本模型如下：具有转子惯量J1的电机通过惯量J2的齿轮系或传动比n连接到刚性连杆。以角速度ω运动的连杆与世界发生非弹性碰撞，完全瞬间停止。系统中的某个地方有一个刚度K的柔顺元件：在电机和输入齿轮（情况1）之间，在输出齿轮和连杆之间，就像大多数的海洋（情况2），或者在连杆末端和地面之间，像顺从的脚（情况3）。当转子中所有的动能传递到弹簧位移中的使能时，齿轮传动中的峰值力矩就会发生变化。此时，弹簧的位移角θ，如果忽略系统中的阻尼，能量是守恒的：情况1：12J1ω2图3.1：情况1：执行机构输入情况2：12J1ω2n2情况3：12ω2J1n2θ1=ωnJθ2=ωnJθ3=ωJ1输入齿轮上的峰值扭矩：τ1=Kθ1τ2=Kθ2n=τ3=Kθ3我们已经看到，在所有情况下，冲击力都随冲击速度ω、转子惯性的平方根J1和刚度的平方根K而变化。图3.2：情况2：执行机构输入图3.3：情况3：末端执行机构输入如果选择的刚度使固有频率（从而使开环转矩带宽）相等，则峰值转矩都是相同的。这可能是一个直观的结果，但却是一个有用的结果。通过对碰撞速度的了解，机器人应该能够承受必要的力控制带宽，可以设计机器人的腿，调整执行器部件的尺寸，以便执行器能够承受这些碰撞。如果部件的尺寸和刚度选择使得最大容许冲击力的速度高于执行器的最大输出速度，则通过有意地包括执行器内的柔顺性，可以使执行器具有“完美”的被动冲击鲁棒性。然而，即使在这种情况下，也会有一些执行机构无法承受的冲击速度，这可能是由机器人外部的东西引起的。通过将执行器限位部件的最大允许扭矩插入2.13（在这种情况下，行星齿轮箱中的太阳齿轮），并确定最大允许碰撞速度，我们可以确定机器人的腿必须有多僵硬才能满足最大扭矩，开环带宽可能有多大。对于该执行器，太阳齿轮上的允许扭矩为11牛米。齿轮比n=6，转子惯量J1=0.000072km2，最大作动器速度40rads-1，全速碰撞的最大允许固有频率为101Hz。尽管该转矩带宽实际上是相当合理的，并且对于腿式运动来说肯定是足够的，但是如果最大碰撞速度受到限制，则可以获得更高的带宽：在所有可能的情况下，使用这些执行器的机器人将不会经历与刚性物体的最大速度碰撞。这些数字给出了33个合理的置信度，即执行器将在没有执行器内任何合规性的情况下很好地处理碰撞，因为连杆、其他传动元件和机器人脚的刚度可能会使固有频率低于这些值。值得指出的是，变速器所能承受的峰值力明显大于电动机所能产生的峰值力，大约是峰值力的4倍。这意味着，对于硬冲击，使用电机主动“跑开”冲击，以减少变速器上的负载，几乎没有效果，只会减少约14的冲击力。如果变速器的尺寸仅与发动机的性能匹配，那么给定最大冲击速度的可实现带宽将低得多。3.2通心轴的有限元分析3.2.1Soildworks2019简介SolidWorks是达索系统（DassaultSystemes）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。3.2.2Soildworks2019Simulation插件介绍以及通心轴有限元分析从SolidWorks2009开始，其著名的FEA软件COSMOSWorks改名为SolidWorksSimulation。其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到SolidWorks的设计过程中。SolidWorksSimulation的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问。主要分析功能：a)系统及部件级分析b)多领域的全面分析c)面向设计者的多场耦合d)特殊行业及领域的需求e)高级分析需求对腿部小径通心轴进行计算校核，现以SolidWorks进行受力分析（图3.4），分析结果与计算吻合，出现最大应力在端点截面上，但未超过许可应力，故通心轴的设计是符合本课题的。图3.4通心轴分析图3.3同步轮及同步带节线长的计算同步带轮中心距以及同步带节线长计算：L'=2C+1.57D其中，L’近似皮带节线长，C

两轴的中心距，Dp大带轮的节径，dp小带轮节径。中心距的确定：C=B+B2-2DB=L-1.57Dp+dp其中，L为皮带节线长度。在实际实践中，该计算公式计算得出的节线长会略长于你所需要的节线长，因为同步轮的使用是允许有大概1~2mm的可调范围，为了使这种不允许调节重心距的条件下使得同步带可以张紧，建议在公式计算完节线长后，往下取整一个节线长单位即可。4.整体方案的确定以及优化4.1同步轮及同步带节线长的计算图4.1：3508无刷电机外形尺寸图表4.1：电机额定状态下的参数表由于经费问题，我就采用实验室常用的3508无刷电机，做四足机器人的驱动电机，但是由于3508无刷电机是不带绝对位置编码器的，所以就要解决四足机器人的初始化问题，有可能需要添加霍尔传感器或是采用其他方式。波士顿大学的方案采用的是一个具有绝对位置编码器的无减速结构的电机，带动16：48齿数比的同步轮组。3508原本就自带了一组行星减速箱，减速比为19:1。减速箱就无形增加了结构的重量。在结构上，由于电机型号与尺寸的限制，我无法将其设计得像波士顿Doggo的结构那样紧凑，只能优化其他方面接近Doggo的结构。我结合了内部筝形结构的四足机器人的电机放置方式，在单腿结构中将两个电机反方向安装，就能在空间上极大地压缩结构，并且能使得输出轴距离比电机同方向安装的方式减少了一个同步轮的厚度，这样就能有效地提高电机的输出效率。在测试版单条腿的测试其中的负重测试里，暴露了两个非常致命的问题，第一是同步轮容易出现虚位，是由紧定螺丝滑脱导致的；第二是轴的刚性不够强，同轴装配的结构非常多，这就导致越到测试后期，两个电机呈现不一样的情况，其中一个电机同步带非常紧，导致该电机更容易发烫。解决第一个问题首先是我把同步轮的圆孔改成了D型孔，由原来的一颗紧定螺丝变成两颗120°分布的两颗紧定螺丝并且改用尖头的紧定螺丝。为了减轻重量，我对同步轮做了镂空的减重处理。第二个问题我在后面的设计里，用了一个调心轴承解决，并且通心轴结构比测试版的同心轴壁厚更厚，轴承选型轴承的滚动体直径更大，这样能在一定程度上面缓解这个问题。4.2整体机构具体方案实物展示及二次优化方案4.2.1第一版的优化方案（已做出实物）：图4.2：测试版单腿通心轴结构图4.3：第一版优化单腿通心轴结构腿部结构波士顿大学采用的是铝合金，用加工中心加工，所以其一条腿的造价很高，尤其是它的端部是要与轴承配合的，加工精度要求高，为了降低成本，这种处理方式肯定是不能采用的，所以我用了板件代替铝合金。测试单层板腿部结构在负重测试的时候，板件形式的腿部结构就出现容易弯曲形变的现象，但是并不明显，所以我在优化腿部结构的时候就把加固腿部结构也作为优化的重点之一，我在原来的基础上，用了双层板结构（图2.10），两层板之间用铜柱连接，用来加固腿部的结构。第一版的腿部优化结构结果并不如人意，由于碳板它只有在平行于碳板板面上面的力的抗弯性能才比较好，垂直于板面的力很容易使其形变。形变会导致无法用陀螺仪修正动作，因为碳板的弯曲形变是弹性形变，它弹性形变有一部分时间有波动起伏，陀螺仪的数据不稳定，没办法用陀螺仪去做反馈。同步轮我采用了D型孔和双紧定螺丝的方式使其获得更好的传动效率，然后带宽缩小为8mm,进一步降低重量，再加上同步轮镂空，进一步减轻重量。图4.4：第一版双层板腿部结构图4.5：第一版优化结构实物图4.2.2第二版的优化方案：针对第一版优化方案所出现的问题，我又开始构想第二版优化方案，首先是整体的重量偏重，我在做外框搭建的时候碳管用的壁厚太保守，用到了2mm的壁厚的碳管，第二版的话，可以尝试用1.5mm或者是1mm壁厚的碳管。身体部分承载电路板和电池的碳板用了3mm壁厚的碳板，可以用2mm壁厚的，然后镂空可以再大胆一点。驱动部分的外层碳板用的是4mm厚，在第二版优化也可以将其改成3mm的碳板。而且需要将其外形尺寸缩小，否则容易与腿部结构发生干涉。其次是调心轴承太大太重，在调心轴承的选型上还需要再斟酌。其次是腿部结构，双层板结构还是会发生形变，我就打算用十字交错嵌合的方式加固单层板结构。而且腿部结构与最外层的碳板发生的干涉，导致运动有盲点，电控无法尝试后空翻的步态。所以得加长筝形的上半部分，以避开外层碳板。最后是同步轮的虚位问题还是比较突出，无论是D型孔还是双紧定螺丝，都没有办法起到比较好的固定作用。所以我打算用碳板做同步轮，然后用一个胀紧套作为连轴，这样能有效地提高接触面的摩擦力，而且能使得同步轮的重量和造价降低。但是由于采用了胀紧套，胀紧套的材质为铁，质量比较大，我只能继续对同步轮进行减重，我将同步轮在铝合金镂空的基础上再进一步镂空，带宽改成6mm。图4.6：第二版优化驱动结构图图4.7：第二版优化碳板同步轮结构图5.三维建模图展示本设计采用Solidwords进行三维建模，之所以Solidworks能获得设计师深爱，因为它简单容易上手，功能模块多和操作技术快捷，不仅如此，它还能够提供不同的设计方案去减少设计过程中的错误，提高产品的设计质量。图5.1设计的四足机器人三维模型图5.1设计的四足机器人第一版优化版实物图6.总结对于四足机器人的这个毕设题目，我首先想要感谢的是毅恒团队的全体成员，因为我是加入毅恒团队之后才有了今天比较成熟的设计还有萌生出设计四足机器人的想法。其次是要感谢我在机械道路上给予我比较大帮助的父亲，他是我机械一途上面的引路人。我的许多机械上面的问题大多都是他解答的。然后要感谢我毕设课题的导师，李兵老师，他的严谨治学的态度，在很大程度上面，提升了我毕设的质量，而且还增长了我的见识，不断地完善我的毕设。最后是感谢在这次毕设上面帮助过我的各个朋友，他们在我求学、设计的过程中，经常鞭策我，使我对自己的设计要求越来越高。没有以上各位，就没有今天的我。非常感谢大家这几年的照顾和包容。这次毕设上面，我很多问题都是我第一次遇到，也让我意识到了我在机械的求学路上还有许多东西需要学习和精进。也希望，我能在机械这个行业越走越远。参考文献[1]余跃庆.机构与机器人动力学研究[M].北京：科学出版社，2015.[2]刘辛军，谢福贵，汪劲松.并联机器人机构学基础[M].北京：高等教育出版社，2018.[3]郑浩峻，张秀丽.足式机器人生物控制方法与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.[4]李贻斌，荣学文，李彬.液压驱动四足仿生机器人理论、技术与实现[M].北京：科学出版社，2018.[5]柳善增.少自由度并联机器人机构动力学[M].北京：科学出版社，2015.[6]罗庆生，罗霄.仿生四足机器人技术[M].北京：北京理工大学出版社，2016.[7]王兴兴.新型电驱式四足机器人研制与测试[D].上海.上海大学2015.[8]BenjaminG.Katz.ALowCostModularActuatorforDynamicRobots[D].MassachusettsInstituteofTechnology，2018.[9]MarcoHutter,ChristianGehring,MichaelBloesch,MarkAHoepflinger,CD