设计制造一个六足机器人

该项目是一款拥有 18 个自由度的六足机器人，专为在复杂环境中实现高稳定性移动而设计。它配备了一套定制的实时三维地形测绘系统，该系统使用 VL53L8CX 光学飞行时间(ToF)传感器。与传统的六足机器人不同，这种机器人能够通过一个 8x8 的矩阵感知地面的高程，并将其显示在专用的 TFT 显示屏上，以辅助导航和步态调整。

你为什么决定去做这件事呢?

大多数价格实惠的六足机器人只能执行预先设定好的步态序列，而且在崎岖地形上表现不佳。我想要突破个人自制机器人技术的局限，通过以下方式将两者结合起来：

高级运动学：能够同时控制 18 个伺服电机，从而实现流畅、自然的运动效果。

感官反馈：从简单的超声波传感器发展到真正的多区域深度图。

人机界面(HMI)：打造一个功能先进的三维仪表盘，使飞行员能够清晰地看到机器人所“观测”到的地形状况和障碍物情况。

它是如何运作的?

1. 物理架构(18 自由度)

该机器人每条腿使用三个伺服电机：

科萨：控制水平摆动。

股骨：控制升力。

胫骨：控制着伸展幅度和接触点。

这种设置使得机器人能够在身体向任何方向移动或原地旋转的同时保持其重心不变。

胫骨：控制着伸展范围和接触点。这种结构设计使机器人能够在任何方向移动身体或原地旋转的同时保持其重心不变。

2. “数字之眼”(VL53L8CX)

在机器人的前端放置着 VL53L8CX 光纤传感器。它以 8×8 的网格形式(共 64 个区域)扫描周围环境。每隔几毫秒，该传感器就会返回一组 64 个距离值。

3. 实时 3D 渲染与逻辑处理

该可视化的核心是一个运行在 ESP32 上的自定义渲染引擎，它将原始距离转换为“立体地形”图：

视角引擎：我实现了一种投影效果，地图向地平线方向延伸。距离越远的点，其在屏幕 Y 轴上的位置就越高，从而营造出一种自然的纵深感。

“立体”视觉效果：为了避免呈现“悬浮”的效果，代码会生成一个“前裙部”(裙摆)。这能够填补地面与障碍物顶部之间的空隙，从而使障碍物看起来像是立体的三维块状物体。

三区域色彩逻辑：为了使数据能够一目了然，我设计了一套渐变系统：

RED(危险区域)：高度在 30 厘米(约 300 毫米)以下的障碍物将以最亮的红色显示(高度 50 个像素)。

黄色(警告)：尺寸在 30 厘米至 100 厘米之间的物体会从橙色过渡到黄色。

綠色(安全模式)：任何超出 100 厘米(1 米)的物体都会被渲染成平坦的绿色地面。

4. 高级步态控制

“高级”步态控制系统利用这些深度数据来调整机器人的步幅。通过了解前方“地砖”(瓷砖)的高度，控制器能够动态地调整步高或身体间隙。

5. 即将推出的升级：“重型化”进化路线

虽然目前这款六足机器人已经具备完整的功能，但我正朝着“专业版”方向发展，以提升其稳定性、负载能力和地形导航能力。

1. 大脑升级：从 MPU6050 到 BNO085

目前的 MPU6050 已经很不错了，但其传感器融合功能的实现仍需依靠 ESP32 来完成所有繁重的工作。

变化：更换为 BNO085(9 轴惯性测量单元)。

变化：更换为 BNO085(9 轴惯性测量单元)。

优点：BNO085 拥有内置的 ARM Cortex-M0 处理器，能够执行“希尔克里德实验室 SH-2”算法。它能提供稳定无偏差的四元数和欧拉角，这对于在机器人行走时保持 TFT 显示屏上的 3D 地图的稳定性至关重要。

2. 功率升级：高扭矩伺服电机(20 千克至 40 千克)

在步态的“支撑”阶段，胫骨和股骨关节承受着最大的压力。

变化内容：将所有标准的蒂比亚伺服器全部更换为高扭矩版本(扭矩范围在 20 千克至 40 千克之间)。

优点：标准型伺服电机通常难以应对长腿带来的杠杆效应。而使用 40 千克的伺服电机后，机器人能够承载更重的负载(比如更大的电池或额外的传感器)，并且即使仅用三条腿站立(三足步态)也能保持“挺拔”的姿态。

3. 机械设计改造：提升高度与伸展范围

为了充分发挥这些新型高扭矩伺服电机的作用，我正在重新设计腿部的结构。

变化内容：增加胫骨和股骨两部分的长度(高度)。

优点：* 更大的通过范围：该机器人将能够跨越更大的障碍物(凹槽)。

增强型工作区：加长的腿部设计能提供更大的“支撑面积”，从而显著提高在斜坡上的稳定性。

视觉效果：更高的六足机器人拥有更迅猛、更具自然流畅性的动作范围，这使得“高级步态控制”在展示时显得更加令人赞叹。

本文编译自hackster.io