作品名稱：四足仿生機器人
學校名稱：蘭州工業學院
參賽隊伍：天韻隊
參賽學生：杜開偉 戴陽 王碩國
指導老師：古妮娜 張麗娟
一、制作背景
四足機器人是由機械設計和加工、仿生學、人工 智能和計算機控制等多種學科所形成的綜合應用，屬于機器人制作的熱點方向，也是未來機器人重點發展方向之一。在培養具有“創新精神人才”的時代，四足機器人是培養學生創新意識的載體，也是工業化和信息化深度融合及機械設計基礎、機械控制、等多門學科融合的載體。
在對現存的四足機器人基礎上，建立機器人腿部的D．H模型，得到合適的桿長、參數，并采用SolidWorks建立機器人模型，進行運動仿真，檢驗運動步態。將機器人模型制作成實物，并采用控制芯片將腿部關節輸出角度寫入到機器人舵機控制器中，控制機器人運動，最終與仿真結果一致。
二、項目簡介
本項目涉及一種四足機器人的制作，特別涉及一種高性能四足蜘蛛機器人。包括機體、電池、后肢底座、后臂舵機等，所述的電池設置在機體上，后肢底座通過軸與機體連接，后肢底座連接后臂舵機，后臂連接后臂舵機和后爪舵機，后爪舵機連接后爪，所述的前肢底座通過軸連接機體，前臂舵機和前肢底座連接，前臂連接前爪舵機和前臂舵機，前爪舵機連接前爪。本設計克服了機器人行動緩慢，不能在復雜地帶行走的弊端。
在眾多種類的仿生機器人中，仿生蜘蛛機器人靈活度高、動作簡單，使其在工業、軍事、航空和緊急救災等領域得到廣泛應用。很多學者參與了仿生蜘蛛機器人的研究，開發出了六足爬行機器人。相對與六足機器人，四足爬行機器人控制方便、能耗低、制造工藝簡單、設計成本低，并且可以完成六足機器人的大部分動作。
本項目設計了一種基于 ESP8266 的四足爬行機器人，模仿蜘蛛爬行的姿態，可以實現爬行、掉頭等步態。比輪式機器人有更強的地面環境適應能力， 其立足點分散，接觸面積小，使其可以在行進途中 選擇最優支撐點。在工業、軍事、服務業等具有廣泛的應用場景。
三、設計硬件
硬件電路分為六個模塊，主要模塊包含 ESP 主控模塊、穩壓模塊、 舵機擴展模塊、下載接口以及供電模塊。
1、ESP 主控模塊
因為機器人系統的高度集成化并且可與上位機交互，所以并沒有設計手動復位電路。主控模塊主要由濾波電路和單片機電路組成。核心芯片選用ESP8266，其工作溫度范圍 -20℃ ~ 85℃，性能穩定，適應各種操作環境。該芯片內置超低功耗 Tensilica L106 32-bitRISC 處理器，深度睡眠保持電流 10μA，關斷電流小于 5μA，主頻支持 80MHz 和 160MHz，其工作電壓3V~3.6V。設計選用ESP8266 的主要原因是其具有射頻模塊：2.5GHz 接收和發射器。其自帶的 Wi-Fi 射頻和基帶支持 802.11b 和 802.11g，速度為 72.2Mbps。內置兩個 Wi-Fi 接口和 TSP，支持 Beacon 自動檢測。內了 TCP/IP 協議棧、TR 開關、LNA、balun、功率放大器等。因為 ESP8266 自帶的 Wi-Fi 模塊使得整個系統同上位機進行傳遞信息方法不在局于有線連接。
2、穩壓模塊
ESP8266 工作電壓為 3V~3.6V，因此選用了NCP1117ST33T3G 進行穩壓。該穩壓模塊壓差典型值 1.07V/0.8a，輸出電壓 3.3V，靜態電流 10mA，最大輸入電壓 20V，輸出電流 1A，滿足系統要求。
3、舵機擴展模塊
舵機擴展電路采用 PCA9685 來將數字信號轉換為 12 個伺服電機的 PWM 控制信號，通過 II與 ESP8266 進行通信，具有四個可編程的 IIC總線地址，其最高支持 16 路 PWM 輸出，每路信號輸出均具備 12 位分辨率。具有上電復位和軟件復位功能，因此不必額外設計手動復位電路，減少了電路設計的難度。并且具備快速模式（I2C 總線速率提升到 1MHz），SDA 端口 30mA 的驅動能力可以使其滿足 12 個伺服電機同時工作。
4、伺服電機
系統采用 SG92R 伺服電機作為驅動機器人的主要動力。其工作扭矩 2.5kg/cm 重量為 15g，使用溫度-30℃ ~ 60℃。轉動角度 180°，工作電流 0.02A，屬于數碼舵機類。相比于 SG90 重0.2g，但是其扭矩，死區鎖定，減速組等遠遠優于SG90，因此機器人系統采用了 SG92R。
5、下載接口
系統采用 USB 轉 UART 來進行程序的燒錄。系統剛設計焊接完成時，芯片里面是沒有程序的，需要對芯片中燒錄進初始程序，因此下載接口必不可少。
6、供電模塊
設計系統時考慮到遠程遙控和近距離運行情況，采用了DC 直流插座供電和鋰電池供電模式，在近距離運行時可以采用插座供電，在遠距離運行時可采用鋰電池供電。
四、骨架設計
機器人骨架設計參考了蜘蛛的爬行姿態，通過對蜘蛛的仿生 研究設計了具有 12 個自由度的四足爬行機器人。相對于六足爬行機器人，四足爬行機器人能耗更低，并且設計簡單，不需要級聯 PCA9685（PCA9685 只能控制 16 個舵機，六足機器人一共 18 個舵機需要級聯另外一塊 PCA9685）。機械骨架一共需要 15 個零件，如果用傳統方法制作模具不光耗時長，制造成本也會急劇升高，因此，本項目采用了 3D 打印技術，如圖2.2系列所示，不需要機械加工也不需要設計模具，可以同時打印不同的零件，大大縮短了爬行器人的研發周期，降低了設計成本，減少了材料的浪費。并且使用 3D 打印出來的機器人零件在保證機械強度的同時，機械骨架重量也減輕了 60% 左右，降低了機器人整體的能耗，增大了負荷重量。
