[机器人-2]：开源MIT Min cheetah机械狗设计(二)：机械结构设计

1、四肢朝向的选择

2、电机布局形式的选择

3、电机的选型及测试（非常重要）

4、结构优化

5、尺寸效应

6、其他

1、四肢朝向的选择

机械狗的结构设计，第一个摆在我们面前的就说四肢的朝向问题，如下图，我们是选择猎豹的向前弯曲，还是角马的向后弯曲呢？其实为了方便爬楼梯选择了向后弯曲，也即角马的骨骼形式。

不同动物的骨骼形式

2、电机布局形式的选择

一般我们在设计四肢运动的时候，最先想到的就是在各个关节上直接加一个电机，如下图的左边所示，两个关节处各加装一个电机，但是，这样当小腿在摆动的时候，惯性会非常大，可以想象如果在你的膝盖住绑一个沙袋，在行走时就会非常的费劲，非常消耗能量，因此我们自然而然会想到将膝盖处的电机移动到上端，通过一个同步带和膝盖相连，如右图所示。

左图：电机安装在关节处，右图：电机集中安装在髋关节

除此之外还要考虑一个问题，如果机械狗摔倒后还要能够翻身起来，我们自然而然会想到再增加一个自由度，也即还要增加一个倾斜电机，原因如下面视频所示：

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3、电机的选型及测试（非常重要）

一个机械狗动力强不强劲，电机起到至关重要的作用，机械狗的电机比较特殊，类似于公版电机T-Motor U8的型号，这款电机是广泛应用于四旋翼的，需要很高的能量密度（不然就无法完成后空翻这样的经典动作），因此机械狗的动力选择的是无人机的无刷电机+行星齿轮组的形式，每个执行器都由一个定制的高耦合到单级6:1的行星齿轮减速机（背隙0.005rad/0.28°）。有效改善机器人的承载能力和低速效率，（至于这里减速比为什么选择6，网上有不少讨论，比如这篇文章MIT Mini Cheetah的关节驱动器为何选用减速比为6的单级内嵌式行星减速器？ - 知乎，我个人比较倾向于，MIT在设计驱动器的时候，使用了成熟的商用驱动器，也算是一种妥协，机械狗的整个重量，结构布局可能都会受驱动器的影响，后期的Cheetah 3系列就采用了自研的驱动电机。）

使用电机驱动一体化的一大优点是，不需要额外的机械结构和昂贵的传感器就能做到力控。这是因为小减速箱的非线性误差可以忽略不计，因此直接使用电机的电流环和相应的减速比，就能得到驱动器端的输出扭矩。

以上的设计思路，就带来了一个极其紧凑、轻量化的驱动器整体集成效果，当然缺点也很明显，采用镂空减重设计，防水防尘比较麻烦。

机械狗电机结构图

使用到的相关齿轮箱和轴承的型号如下：

行星轮：Misumi GEFHB0.5-40-5-8-W3

太阳轮：Misumi GEABN0.5-20-8-K-4

环形齿轮: KHG SI0.5-100

滚动轴承: HK0408

下腿由通过的同步带驱动和上腿相连，提供额外的1.15减速比。可以旋转360度，
让机器人任意改变膝盖向前或向后的方向。而且同步带可以有效的缓冲猛烈的冲击，
具有很好的缓冲效果。髋关节可以连续旋转，仅受连接膝关节执行器的电线长度影响。
允许机器人倒着操作，爬上障碍物，或者用脚在身体上方操纵。四条腿的总重量为2.7千克，
只有机器人质量的30%。每条腿的末端有一个由10毫米厚的60A聚氨酯橡胶制成的盖子。
提供缓冲和抓地力。

驱动器的参数：

电机设计完成后，如果加工组装完成还需要对电机进行一系列的测试，包括：

1）、扭矩测试、功率测试、效率图绘制，这里需要使用到扭矩测量仪。

2）、电流扭矩测试

左图：扭矩/电流特性右图：扭矩常数/电流特性

3）、电角度校准（用于FOC算法调试）

另外电机采用的FOC控制，还要对电角度进行校准，FOC算法中一个重要的指标就是要知道电角度，电角度由磁编码器获得，由于电机摩擦和惯量的存在，实际运行时，它总是稍微滞后于参考角度，如下图左上角；位置传感器的偏心会引起低频纹波，如下图左下角；齿槽转矩又会引起高频纹波，如下图右上角；消除这些误差以后会建立一个表记录下来，只要磁编码器没有重新拆装，下次上电，表记录的数值依然有效，这样在程序运行的时候，可以通过查表来消除传感器误差。

磁编码器误差消除

4）、热分析

除此之外由于机械狗频繁的运动，还要对电机进行高温测试，防止电机高温消磁，高温报警等。

高温试验

4、结构优化

现在机械狗的基本构型就有了，现在我们最关心的还是腿部，希望腿部的惯性尽量的小，这里我们需要对腿部的结构进行拓扑优化，满足性能的同时，质量最小。需要用到有限元模拟软件ANSYS进行拓扑优化，特别是对质量要求比较苛刻，构件材料比较昂贵，这种就体现出了有限元仿真的价值，可以减少不少试错成本。

结构优化

5、尺寸效应

转自知乎网友的一段话

在关节式机器人爆发运动能力这方面，尺寸越大的机器人对驱动器的功率输出密度要求越高，技术实现也越困难。具体定量一点说：机器人尺寸假设扩大 � 倍，那么相应质量是 �3 量级的增长，而所需要驱动扭矩则是 �4 量级的增大。对于驱动器输出性能而言（现有的永磁体+线圈式电机，扭矩是�2的增长，就是4次方的增长与2次方增长的区别），增大机器人尺寸简直是噩梦，反之缩小机器人尺寸，能占很大的便宜。