【毕业设计】履带四足复合机器人

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：

1. 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；
   

   
   

   
   

2. 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）
   

   
   

   
   

   
   

   
   

3. 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：

1. 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。
   

   
   

2. 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）
   

   
   

3. 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