開始折騰六足~
其實(shí)六足也不算一個(gè)新鮮的項(xiàng)目了，網(wǎng)上的六足項(xiàng)目也是多如牛毛，不過千篇一律，似乎缺乏了點(diǎn)創(chuàng)新。。
這個(gè)項(xiàng)目的靈感來源于前段時(shí)間做的雕刻機(jī)，雕刻機(jī)其實(shí)就是把步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲桿轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，以此控制刀具和工件的移動(dòng)
之后一直想把這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用到什么地方去，于是乎就產(chǎn)生了這么一個(gè)項(xiàng)目
上圖
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上面的效果圖僅僅是個(gè)原型，用于分析結(jié)構(gòu)。。最終的效果可能會(huì)有差別
這個(gè)設(shè)計(jì)完全拋棄了舵機(jī)，采用空心杯伸縮桿+減速電機(jī)的方案來作為機(jī)器人的動(dòng)力，不過原理還是和舵機(jī)相同，電機(jī)+減速+角度反饋
大家多提意見~
對(duì)這個(gè)項(xiàng)目感興趣的同學(xué)，可以進(jìn)群討論，集思廣益~
分析一下舵機(jī)方案和螺桿驅(qū)動(dòng)方案的優(yōu)劣
舵機(jī)方案：
舵機(jī)一體化程度高，使用簡單，應(yīng)用也成熟，配合舵機(jī)控制器使用非常方便
但是舵機(jī)形狀比較單一，體積也比較大，速度比較慢，響應(yīng)頻率也低，控制頻率50Hz
螺桿驅(qū)動(dòng)方案：
螺桿減速驅(qū)動(dòng)的方案在電機(jī)的選擇方面就比較靈活，可以根據(jù)不同的情況選擇不同型號(hào)的電機(jī)
響應(yīng)頻率高，最簡單的PWM+AD就能控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，其實(shí)相當(dāng)于將舵機(jī)拆開來使用
當(dāng)然，螺桿方案最大的優(yōu)點(diǎn)，就是它具有自鎖功能，不用像普通模擬舵機(jī)那樣要持續(xù)不斷的發(fā)送角度信號(hào)，消耗的能量更少
用螺桿驅(qū)動(dòng)，會(huì)面臨這么幾個(gè)問題：
1、選擇合適的電機(jī)，電機(jī)要滿足轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、重量、體積、電壓、電流等要求
2、要重新設(shè)計(jì)電機(jī)角度反饋電路和控制電路、控制程序
占坑
討論機(jī)械結(jié)構(gòu)
分析了一整天機(jī)械結(jié)構(gòu)，話說用這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人非常非常少見。。
搜遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只發(fā)現(xiàn)立陶宛一個(gè)老兄用過，再一看日期，那也是3年前的了，并且之后一直沒有更新（估計(jì)沒成功）。。。那位立陶宛老兄地址（。。。囧 原來以為他是德國的）
很納悶他為啥3年不更新了。。但是經(jīng)過一天的分析后終于發(fā)現(xiàn)了原因，稍后道來。。
做一個(gè)六足機(jī)器人，最重要的就是腿部的設(shè)計(jì)，腿部設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，就是電機(jī)的選擇，如電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)，所以我們就先拿一條腿開始分析：
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上面兩幅圖展示了腿中部的運(yùn)動(dòng)情況，即：螺桿運(yùn)動(dòng)一個(gè)總行程L，機(jī)器人重心變化H，據(jù)此可以求出電機(jī)的參數(shù)
條件：
機(jī)器人自重500g，負(fù)重500g，總共1kg
電池8.4v航模鋰電池
所用螺桿φ5mm，螺距p=1mm
假設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中腿角度隨螺桿均勻變化，拉力不變，忽略各種摩擦力
根據(jù)公式MgH=TN*2π
此公式的含義：物體上升一段距離H所需的能量=電機(jī)旋轉(zhuǎn)N圈做的功
M=333g（六足運(yùn)動(dòng)中3條腿著地，1kg/3=333g)
H=76-29=47mm
N=電機(jī)轉(zhuǎn)過圈數(shù)=L/p=20
*注意：計(jì)算功的一定要將角速度轉(zhuǎn)換成弧度制，rpm*2π/60=rad/s
T為所求電機(jī)轉(zhuǎn)矩
∴T=3.3N*47/1000m/20/6.28=0.00123Nm=12.3gcm
12.3gcm就是這個(gè)電機(jī)所需要的最大額定轉(zhuǎn)矩
同理可求得機(jī)器人無負(fù)載的時(shí)候所需的額定轉(zhuǎn)矩=6.17gcm
如果希望機(jī)器人上升的速度能達(dá)到4.7cm/s,那電機(jī)的轉(zhuǎn)速要滿足 ω=20rps=1200rpm
上面的計(jì)算忽略了摩擦力，也假定轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所需拉力恒定，實(shí)際上拉力方向和腿轉(zhuǎn)動(dòng)方向所成的角度是變化的，因此要留1倍的余量
所以根據(jù)上面的參數(shù)就能很輕松的選擇所需電機(jī)：
工作電壓8.4v，重量10-15g，額定轉(zhuǎn)矩12.3gcm-24.6gcm，額定轉(zhuǎn)速1200rpm
正好，目前tb上賣的很火的微型減速電機(jī)n20有諸多減速比，完全符合要求
經(jīng)過一番折騰確定了腿部中間的那個(gè)電機(jī)，同理再分析腿下部的電機(jī)：
可以發(fā)現(xiàn)H=22mm，L=9.2mm，比值和上述的電機(jī)很接近，省略公式，計(jì)算得：
額定轉(zhuǎn)矩：12.8-25.7gcm
額定轉(zhuǎn)速：1200rpm
經(jīng)過這么一番分析后，可以發(fā)現(xiàn)那位老外為什么不成功了，因?yàn)樗每招谋姍C(jī)作為動(dòng)力（MADE IN CHINA），這也是我一開始的想法，為了減輕重量
直徑7mm長度14mm的空心杯參數(shù)：電壓3.7v，額定電流200ma，額定轉(zhuǎn)速30,000rpm，tb上大多數(shù)的空心杯都沒給出轉(zhuǎn)矩，網(wǎng)上搜了半天也很難找到，于是自己粗略算了一下，這種型號(hào)的空心杯轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是1.2gcm，
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是不是小的可憐？？
另外，我猜測，爛大街的輝盛9g舵機(jī)里的電機(jī)和爛大街的n20減速電機(jī)所用的電機(jī)應(yīng)該是一樣的
總結(jié)上面的一段分析，大家在給自己的機(jī)器人（不管什么類型的機(jī)器人）選擇電機(jī)的時(shí)候，完全可以先用功和能的觀點(diǎn)簡單判斷一款電機(jī)符不符合要求
最簡單的辦法，就拿上面的例子來說，某款n20，9v，負(fù)載電流60ma，負(fù)載力矩22gcm，負(fù)載轉(zhuǎn)速890rpm：
機(jī)器人所需功率<電機(jī)輸出功率<電機(jī)總功率
機(jī)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
電機(jī)總功率： P=9*0.06=0.54W
直流有刷電機(jī)效率一般比較低，就算50%吧
0.54W*50%=0.27W>0.156W
粗略一算，這款電機(jī)符合要求！
再算一下它的輸出功率：
電機(jī)輸出功率： P=T*ω=22*890*2π/60*0.0000981=0.2W (一定要帶上單位，W對(duì)應(yīng)Nm，gcm要轉(zhuǎn)換成Nm）
0.2W也大于0.15W，實(shí)際效率37%。。。
假如我們用的是空心杯，那它的總功率：
P=3.7v*0.2a=0.74W，假設(shè)輸出效率50%，則P=0.37w，理論計(jì)算出來用空心杯也是可行的，不過要經(jīng)過減速，而且同等體積的空心杯力矩會(huì)比鐵心的差。。
附上鏈接：
MTU的一篇關(guān)于電機(jī)的詳細(xì)文章
力矩轉(zhuǎn)換表
*注意：上面的分析方法、計(jì)算結(jié)果可能有錯(cuò)誤，歡迎指正！
以上的分析忽略了加速度，最后的結(jié)果導(dǎo)致偏小，由于模型比較復(fù)雜，現(xiàn)在改為solidworks進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析
未完待續(xù)。。 |
姿態(tài)5.jpg
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姿態(tài)6.jpg
討論硬件
硬件方面，最主要解決的問題，就是角度反饋和電機(jī)驅(qū)動(dòng)
角度反饋計(jì)劃采用AD讀取電位器阻值變化，這也是大多數(shù)舵機(jī)里的角度反饋元件
電機(jī)驅(qū)動(dòng)再討論，因?yàn)殡姍C(jī)電流很小，60ma~200ma，考慮三極管H橋或者ULN2003？？
再采用mega8或168作為MCU
通過串口或ISP或其他方式接收命令，統(tǒng)一接口
兼容控制其他舵機(jī)六足的命令
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度取決于電位器的質(zhì)量和AD的精度
電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度取決于電流大小，以及AD讀取速度、程序處理速度 討論控制程序
這里控制程序可以分為上位機(jī)和下位機(jī)來討論，由于硬件接口和普通舵機(jī)控制器相同，所以其他舵機(jī)控制上位機(jī)應(yīng)該能很好的修改移植
先說說下位機(jī)程序
下位機(jī)接受的命令看起來可以是這樣子：#C1P60C2P90
解釋起來就是1號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)到60°，2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)到90°
至于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的算法，可以采用分段PID
先實(shí)現(xiàn)最基本的，再改進(jìn)
如加上腳底觸碰開關(guān)，加上陀螺儀和加速度傳感器進(jìn)行姿態(tài)反饋
現(xiàn)在在設(shè)計(jì)和分析結(jié)構(gòu)
現(xiàn)在沒法弄，很多零件要cnc加工
回校后做條腿驗(yàn)證一下
還要設(shè)計(jì)控制電路，程序
工作量也不小了。。。
歡迎一起討論改進(jìn)~
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