机械狗,四足爬行机器人原理

本项目介绍的为四足机器人，与13号的双足机器人还有15号的六足机器人一起，组成了PVC仿生类机器人最典型的“双足、四足、六足”项目组合。本项目机器人之所以称之为机械狗，主要是因为其躯干外型上与美国波士顿公司研制的BigDog运输机器人有点像，就是背上驮着东西的大狗机器人，不过比起BigDog的灵活矫捷，本项目机器人由于缓慢笨拙而只能说是一只笨笨狗，呵呵。

本项目机器人也是分为采用常规电池的A版，以及采用太阳能的B版，

一、基本原理

本项目的机器人，利用“摆动曲柄滑块机构”原理，把减速电机的旋转运动转换为驱动腿迈步的往复摆动运动，再利用简单连杆结构控制四条腿模拟动物的步态规律进行爬行运动。

1、运动方式

本项目机器人是模仿拥有四条腿动物的爬行运动，其各腿之间协调运动的规律是完全不同的，这个规律我们称其为“步态”，要模仿四足动物的运动，则首先就要了解这个“步态”。

以下是四足动物爬行步态的分解，以前进方向为例进行说明：

1、静止时四条腿都是同时着地;

2、前进时，四条腿分为两组交替运动，对角的两腿为一组，即：左前腿和右后腿为一组，右前腿和左后腿为另一组;

3、第1组两条腿(左前、右后)往前迈出，第2组两条腿(右前、左后)静止不动但是关节往前弯曲以适应这个躯体中心前移; 4、第1组两条腿(左前、右后)迈出后静止。

5、第2组两条腿(右前、左后)往前迈出，第1组两条腿(左前、右后)静止不动但是关节往前弯曲以适应这个躯体中心前移; 6、两组不断交替……

如此循环往复，同一时间都保证有一组两条腿着地以保持身体的平衡，并不断往前进。

这里可能有人会问，仅靠两条腿是否可以保证身体的平衡呢?其实，如果前进时保证一定的速度，虽然同时只有两条腿着地，只能有一个很短暂的平衡，但是由于两组的腿交替速度比较快，总体上也可以让身体保持一个动态的平衡。

特别说明：如果整体前进的速度很慢，其中一组静止着地的两条腿是无法保持整个身体的平衡的，我们必须还要让第三条腿也着地，即要利用三点确定一个平面——三条腿可以保持稳定平衡的原理。在本项目中，由于机器人的运动速度很慢，两组腿交替迈步的时候，后腿都是着地的，即使是往前迈步的一组，前面的腿是离地迈步的，而后面的腿还是接触地面以“拖步”的方式迈步的。

2、驱动机理

本项目机器人是采用四足爬行的方式运动，对于四足的驱动力量也是有一定要求的，所以与前几个仿生类机器人项目一样都是借助减速电机所具有的“低转速、高扭矩”的特性来实现的。

与PVC-Robot 11号、PVC-Robot 12号机器人驱动双臂以及与PVC-Robot 13号驱动双足类似，本项目机器人四足中的后面两足是主动足，是由减速电机直接驱动的，而采用的减速电机同样也必须要满足两个条件：　1、拥有足够的动力，能够支撑四足行走;

2、减速电机左右两侧同轴输出。

为此，需要利用“蜗杆传动机构”对现有减速电机进行改造，相关方案在前面的项目中也已经进行了详细的阐述，这里不再重复，具体可以点击这里：PVC-Robot 11号——减速机构

本项目机器人实现四足爬行机械结构，其实是和PVC-Robot 12号、PVC-Robot13号类似的“连杆机构”——“摆动曲柄滑块机构”，只不过说这个在PVC-Robot 14号中这个连杆机构驱动四足的后面两足，然后再通过连杆带动前两足联动。相关资料请参考：PVC-Robot 12号——驱动机理、PVC-Robot 13号——驱动机理

下面为摆动曲柄滑块机构应用在本项目中的运动过程示意图。

以下为两种一样的摆动曲柄滑块机构连杆，前者采用了离心圆盘作为转动结构，而后者则采用了曲柄作为转动结构，两者本质是一样。为了加工方便，一般多用后面一种”曲柄“结构(可省掉一个圆盘)。而在本项目中我们采用的也是后面的设计。

为了机器人能够让两组二足交替向前迈步行走，则“摆动曲柄滑块机构”的安装也比较巧妙，为了直接驱动后面的两足，我们用了左右两套相同的连杆机构，且为同轴的方式安装(同一根转动的轴)，但两个连杆的铰链结合部分的位置正好相反，即分别位于转盘一条直径线上的两头，也就是曲柄的位置正好相反，使得左右两套连杆机构在同一时间上运动的状态刚好相反，比如：一个位于最左边的位置的时候另一个正好位于最右边的位置，一个位于最高的位置的时候另一个正好位于最低的位置。 　　另外，前足通过一个连杆和后足的曲柄相连，同时后足由限位杆控制住摆动的范围。

3、电路原理

与之前的几个仿生机器人项目一样，本项目也是分为A版的常规电池版本和B版太阳能版本：A版电路是非常的简单;B版采用与之前的2号到6号以及8号类似、与10号、12号、13号一模一样的太阳能脉动充放电控制电路。PVC-Robot 14号-A版本项目A版机器人的电路原理比较简单，就是直接一组电池连接一个电机，中间通过一个拨动开关来控制电路的通断。PVC-Robot 14号-B版

本项目B版机器人的电路采用的还是那个经典的太阳能脉动充放电控制电路，与10号、12号、13号一样也是属于改良型电路版本，即采用了额定电压为5V的太阳能电池板，整个电路的标准太阳能充电电压由原来的3V变为5V，

由此：1、为了充分利用电能，电路充电的电压上限需要加大，即原来的一个LED发光二极管变为用两个LED发光二极管，具体见下图中串联在一起使用的两只LED发光二极管;

2、由于电路电压较高，假如我们项目中使用了功耗比较小的电机，在光线较强的情况下，电路放电带动电机转动时，由于电机消耗的电流比较小，导致放电的速度还跟不上充电的速度，这样就会导致电路用于处于一种“半导通”的死循环状态无法正常运行下去，也就是出现了电机开始转了一下之后就再也不转了的情况。(更多相关内容请参见：常见问题)

为了解决这个问题，我们可以考虑在电机两侧并联一个47欧姆的小电阻(色环：黄紫黑金棕)，具体见下图中电机两侧用虚线连接的电阻。当然这种情况并不是总会发生(如果采用功耗大一些的电机)，只是假如采用本博客对应淘宝店提供的套件，出现这种情况的几率要大一些。(更多相关内容请参见：调试完善)

基本原理如下：

1)太阳能电池板给电解电容充电，电解电容两端的电压不断上升;

2)当电路电压达到2个串联在一起的LED二极管的导通电压(4V左右)时，LED二极管导通

3)三极管9015的基极从导通的LED二极管获得足够的导通电压，则三极管9015导通;

4)三极管9015导通后，又使三极管9014的基极获得足够的导通电压，则三极管9014导通;

5)三极管9014导通后，电机获得电流开始转动;

6)电机转动，消耗电解电容中存储的电能，电路电压下降;

7)当电路电压下降到低于2个串联在一起的LED二极管的导通电压(4V左右)时，LED二极管截止;

8)虽然三极管9015的基极失去了来自LED的导通电压，但是由于此时三极管9014已经导通，导通后的电流除了提供给电机转动之外，还通过电阻分流了一部分重新回到三极管9015的基极(形成一个循环)，即三极管的基极还是有足够的导通电压; 　9)当电机继续转动消耗电解电容的电能时，电路电压进一步下降，则即便三极管9014导通后回流给三极管9015基极的电压也无法保证三极管9015继续导通(循环被破坏)，则两个三极管都截止，电机停止转动;

10)电解电容重新充电，继续重复上面的各环节。

简单的说，即：太阳能电池对电解电容充电，当充电量达到由LED二极管设置的充电上限后，则电路开始瞬间放电提供给电机转动;虽然电机转动消耗电能使电压下降至低于LED二极管的下限，但是由于电路存在一个导通循环的机制，仍然会继续放电让电机转动，能够尽可能的把电解电容中存储的电能都消耗掉;消耗完电解电容中的电能后，重新由太阳能电池对其进行充电……如此循环往复。 　　也可以这样理解：太阳能电池对电解电容进行缓慢充电(太阳能电池的电流比较小)，充电达到上限后对电机进行瞬间放电(电机的电流比较大);放电停止的下限比较低，可以比较彻底的把充电的电量消耗完。

在PVC-Robot2号机器人的项目中已经对该电路原理进行了更详细的分析，这里不再重复。如果还有不清楚的，或者有兴趣继续了解的，可以点击这里：PVC-Robot 2号 电路原理分析。