機(jī)械狗,四足爬行機(jī)器人原理

本項(xiàng)目介紹的為四足機(jī)器人，與13號(hào)的雙足機(jī)器人還有15號(hào)的六足機(jī)器人一起，組成了PVC仿生類(lèi)機(jī)器人最典型的“雙足、四足、六足”項(xiàng)目組合。本項(xiàng)目機(jī)器人之所以稱(chēng)之為機(jī)械狗，主要是因?yàn)槠滠|干外型上與美國(guó)波士頓公司研制的BigDog運(yùn)輸機(jī)器人有點(diǎn)像，就是背上馱著東西的大狗機(jī)器人，不過(guò)比起B(yǎng)igDog的靈活矯捷，本項(xiàng)目機(jī)器人由于緩慢笨拙而只能說(shuō)是一只笨笨狗，呵呵。

本項(xiàng)目機(jī)器人也是分為采用常規(guī)電池的A版，以及采用太陽(yáng)能的B版，

一、基本原理

本項(xiàng)目的機(jī)器人，利用“擺動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”原理，把減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)腿邁步的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，再利用簡(jiǎn)單連桿結(jié)構(gòu)控制四條腿模擬動(dòng)物的步態(tài)規(guī)律進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)。

1、運(yùn)動(dòng)方式

本項(xiàng)目機(jī)器人是模仿?lián)碛兴臈l腿動(dòng)物的爬行運(yùn)動(dòng)，其各腿之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是完全不同的，這個(gè)規(guī)律我們稱(chēng)其為“步態(tài)”，要模仿四足動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，則首先就要了解這個(gè)“步態(tài)”。

以下是四足動(dòng)物爬行步態(tài)的分解，以前進(jìn)方向?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明：

1、靜止時(shí)四條腿都是同時(shí)著地;

2、前進(jìn)時(shí)，四條腿分為兩組交替運(yùn)動(dòng)，對(duì)角的兩腿為一組，即：左前腿和右后腿為一組，右前腿和左后腿為另一組;

3、第1組兩條腿(左前、右后)往前邁出，第2組兩條腿(右前、左后)靜止不動(dòng)但是關(guān)節(jié)往前彎曲以適應(yīng)這個(gè)軀體中心前移; 4、第1組兩條腿(左前、右后)邁出后靜止。

5、第2組兩條腿(右前、左后)往前邁出，第1組兩條腿(左前、右后)靜止不動(dòng)但是關(guān)節(jié)往前彎曲以適應(yīng)這個(gè)軀體中心前移; 6、兩組不斷交替……

如此循環(huán)往復(fù)，同一時(shí)間都保證有一組兩條腿著地以保持身體的平衡，并不斷往前進(jìn)。

這里可能有人會(huì)問(wèn)，僅靠?jī)蓷l腿是否可以保證身體的平衡呢?其實(shí)，如果前進(jìn)時(shí)保證一定的速度，雖然同時(shí)只有兩條腿著地，只能有一個(gè)很短暫的平衡，但是由于兩組的腿交替速度比較快，總體上也可以讓身體保持一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。

特別說(shuō)明：如果整體前進(jìn)的速度很慢，其中一組靜止著地的兩條腿是無(wú)法保持整個(gè)身體的平衡的，我們必須還要讓第三條腿也著地，即要利用三點(diǎn)確定一個(gè)平面——三條腿可以保持穩(wěn)定平衡的原理。在本項(xiàng)目中，由于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度很慢，兩組腿交替邁步的時(shí)候，后腿都是著地的，即使是往前邁步的一組，前面的腿是離地邁步的，而后面的腿還是接觸地面以“拖步”的方式邁步的。

2、驅(qū)動(dòng)機(jī)理

本項(xiàng)目機(jī)器人是采用四足爬行的方式運(yùn)動(dòng)，對(duì)于四足的驅(qū)動(dòng)力量也是有一定要求的，所以與前幾個(gè)仿生類(lèi)機(jī)器人項(xiàng)目一樣都是借助減速電機(jī)所具有的“低轉(zhuǎn)速、高扭矩”的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

與PVC-Robot 11號(hào)、PVC-Robot 12號(hào)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)雙臂以及與PVC-Robot 13號(hào)驅(qū)動(dòng)雙足類(lèi)似，本項(xiàng)目機(jī)器人四足中的后面兩足是主動(dòng)足，是由減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的，而采用的減速電機(jī)同樣也必須要滿足兩個(gè)條件：　1、擁有足夠的動(dòng)力，能夠支撐四足行走;

2、減速電機(jī)左右兩側(cè)同軸輸出。

為此，需要利用“蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)”對(duì)現(xiàn)有減速電機(jī)進(jìn)行改造，相關(guān)方案在前面的項(xiàng)目中也已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，這里不再重復(fù)，具體可以點(diǎn)擊這里：PVC-Robot 11號(hào)——減速機(jī)構(gòu)

本項(xiàng)目機(jī)器人實(shí)現(xiàn)四足爬行機(jī)械結(jié)構(gòu)，其實(shí)是和PVC-Robot 12號(hào)、PVC-Robot13號(hào)類(lèi)似的“連桿機(jī)構(gòu)”——“擺動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”，只不過(guò)說(shuō)這個(gè)在PVC-Robot 14號(hào)中這個(gè)連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)四足的后面兩足，然后再通過(guò)連桿帶動(dòng)前兩足聯(lián)動(dòng)。相關(guān)資料請(qǐng)參考：PVC-Robot 12號(hào)——驅(qū)動(dòng)機(jī)理、PVC-Robot 13號(hào)——驅(qū)動(dòng)機(jī)理

下面為擺動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用在本項(xiàng)目中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖。

以下為兩種一樣的擺動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿，前者采用了離心圓盤(pán)作為轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，而后者則采用了曲柄作為轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩者本質(zhì)是一樣。為了加工方便，一般多用后面一種”曲柄“結(jié)構(gòu)(可省掉一個(gè)圓盤(pán))。而在本項(xiàng)目中我們采用的也是后面的設(shè)計(jì)。

為了機(jī)器人能夠讓兩組二足交替向前邁步行走，則“擺動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)”的安裝也比較巧妙，為了直接驅(qū)動(dòng)后面的兩足，我們用了左右兩套相同的連桿機(jī)構(gòu)，且為同軸的方式安裝(同一根轉(zhuǎn)動(dòng)的軸)，但兩個(gè)連桿的鉸鏈結(jié)合部分的位置正好相反，即分別位于轉(zhuǎn)盤(pán)一條直徑線上的兩頭，也就是曲柄的位置正好相反，使得左右兩套連桿機(jī)構(gòu)在同一時(shí)間上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)剛好相反，比如：一個(gè)位于最左邊的位置的時(shí)候另一個(gè)正好位于最右邊的位置，一個(gè)位于最高的位置的時(shí)候另一個(gè)正好位于最低的位置。 　　另外，前足通過(guò)一個(gè)連桿和后足的曲柄相連，同時(shí)后足由限位桿控制住擺動(dòng)的范圍。

3、電路原理

與之前的幾個(gè)仿生機(jī)器人項(xiàng)目一樣，本項(xiàng)目也是分為A版的常規(guī)電池版本和B版太陽(yáng)能版本：A版電路是非常的簡(jiǎn)單;B版采用與之前的2號(hào)到6號(hào)以及8號(hào)類(lèi)似、與10號(hào)、12號(hào)、13號(hào)一模一樣的太陽(yáng)能脈動(dòng)充放電控制電路。PVC-Robot 14號(hào)-A版本項(xiàng)目A版機(jī)器人的電路原理比較簡(jiǎn)單，就是直接一組電池連接一個(gè)電機(jī)，中間通過(guò)一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路的通斷。PVC-Robot 14號(hào)-B版

本項(xiàng)目B版機(jī)器人的電路采用的還是那個(gè)經(jīng)典的太陽(yáng)能脈動(dòng)充放電控制電路，與10號(hào)、12號(hào)、13號(hào)一樣也是屬于改良型電路版本，即采用了額定電壓為5V的太陽(yáng)能電池板，整個(gè)電路的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能充電電壓由原來(lái)的3V變?yōu)?V，

由此：1、為了充分利用電能，電路充電的電壓上限需要加大，即原來(lái)的一個(gè)LED發(fā)光二極管變?yōu)橛脙蓚€(gè)LED發(fā)光二極管，具體見(jiàn)下圖中串聯(lián)在一起使用的兩只LED發(fā)光二極管;

2、由于電路電壓較高，假如我們項(xiàng)目中使用了功耗比較小的電機(jī)，在光線較強(qiáng)的情況下，電路放電帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于電機(jī)消耗的電流比較小，導(dǎo)致放電的速度還跟不上充電的速度，這樣就會(huì)導(dǎo)致電路用于處于一種“半導(dǎo)通”的死循環(huán)狀態(tài)無(wú)法正常運(yùn)行下去，也就是出現(xiàn)了電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)了一下之后就再也不轉(zhuǎn)了的情況。(更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)：常見(jiàn)問(wèn)題)

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以考慮在電機(jī)兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)47歐姆的小電阻(色環(huán)：黃紫黑金棕)，具體見(jiàn)下圖中電機(jī)兩側(cè)用虛線連接的電阻。當(dāng)然這種情況并不是總會(huì)發(fā)生(如果采用功耗大一些的電機(jī))，只是假如采用本博客對(duì)應(yīng)淘寶店提供的套件，出現(xiàn)這種情況的幾率要大一些。(更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)：調(diào)試完善)

基本原理如下：

1)太陽(yáng)能電池板給電解電容充電，電解電容兩端的電壓不斷上升;

2)當(dāng)電路電壓達(dá)到2個(gè)串聯(lián)在一起的LED二極管的導(dǎo)通電壓(4V左右)時(shí)，LED二極管導(dǎo)通

3)三極管9015的基極從導(dǎo)通的LED二極管獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9015導(dǎo)通;

4)三極管9015導(dǎo)通后，又使三極管9014的基極獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9014導(dǎo)通;

5)三極管9014導(dǎo)通后，電機(jī)獲得電流開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng);

6)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，消耗電解電容中存儲(chǔ)的電能，電路電壓下降;

7)當(dāng)電路電壓下降到低于2個(gè)串聯(lián)在一起的LED二極管的導(dǎo)通電壓(4V左右)時(shí)，LED二極管截止;

8)雖然三極管9015的基極失去了來(lái)自LED的導(dǎo)通電壓，但是由于此時(shí)三極管9014已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流除了提供給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之外，還通過(guò)電阻分流了一部分重新回到三極管9015的基極(形成一個(gè)循環(huán))，即三極管的基極還是有足夠的導(dǎo)通電壓; 　9)當(dāng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)消耗電解電容的電能時(shí)，電路電壓進(jìn)一步下降，則即便三極管9014導(dǎo)通后回流給三極管9015基極的電壓也無(wú)法保證三極管9015繼續(xù)導(dǎo)通(循環(huán)被破壞)，則兩個(gè)三極管都截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng);

10)電解電容重新充電，繼續(xù)重復(fù)上面的各環(huán)節(jié)。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，即：太陽(yáng)能電池對(duì)電解電容充電，當(dāng)充電量達(dá)到由LED二極管設(shè)置的充電上限后，則電路開(kāi)始瞬間放電提供給電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);雖然電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)消耗電能使電壓下降至低于LED二極管的下限，但是由于電路存在一個(gè)導(dǎo)通循環(huán)的機(jī)制，仍然會(huì)繼續(xù)放電讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠盡可能的把電解電容中存儲(chǔ)的電能都消耗掉;消耗完電解電容中的電能后，重新由太陽(yáng)能電池對(duì)其進(jìn)行充電……如此循環(huán)往復(fù)。 　　也可以這樣理解：太陽(yáng)能電池對(duì)電解電容進(jìn)行緩慢充電(太陽(yáng)能電池的電流比較小)，充電達(dá)到上限后對(duì)電機(jī)進(jìn)行瞬間放電(電機(jī)的電流比較大);放電停止的下限比較低，可以比較徹底的把充電的電量消耗完。

在PVC-Robot2號(hào)機(jī)器人的項(xiàng)目中已經(jīng)對(duì)該電路原理進(jìn)行了更詳細(xì)的分析，這里不再重復(fù)。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續(xù)了解的，可以點(diǎn)擊這里：PVC-Robot 2號(hào) 電路原理分析。