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Gizmo: Physical Computing小型产品的设计与应用
R-Hex Robot

本项目旨在基于RHex架构设计一款迷你六足机器人的底盘与运动系统，其特点是每条腿仅由一个旋转驱动器控制。目标是打造一个机械结构简单但运动能力强的机器人，能够执行多种复杂的运动任务，如行走、奔跑、爬楼梯以及穿越复杂地形。参与该项目的学生将获得机器人开发的实践经验，重点提升能效优化、耐用性以及地形适应能力，同时确保机器人在紧凑的物理尺寸下具备出色的机动性。

- 车体长度 ≤ 165 mm

- 车体高度 ≤ 40 mm

- 车体宽度 ≤ 100 mm

- 腿长 ≤ 50 mm

- 腿半径≤ 35 mm

- 空重 ≤ 300 g

- 开销 ≤ 100 GBP (excl. tooling & assembly costs)

- 转弯半径 ≤ 165 mm

- 承重 ≥ 300 g

- 速度 ≥ 0.5 m/s

- 跌落高度≥ 300 mm

- 跃障高度 ≥ 200 mm high

- 电子元件尺寸 45 x 20 x 10 mm (excl. battery)

- 防水防尘

行走结构设计

当它们处于这种运动模式时，可以在保持稳定性的同时保持高速运动，这与昆虫不同。昆虫的前后摆动运动被轮（腿）的旋转运动所取代，但仍然保持每次有三条腿同时接触地面。将这一思想应用于R-Hex设计时，六条腿被分为两组（分别标记为黄色和红色），并可分别控制。然而，腿部的旋转并非完全反相，总有三条腿接触地面，因此存在两种不同速度的旋转模式。

图2：腿部组的顶视图和侧视图。
图1：昆虫的运动方式。

当机器人处于静止状态时，六条腿的位置相同。当机器人开始向前移动时，假设黄色腿首先接触地面，并且六条腿都逆时针旋转，红色腿需要进行大约300°的旋转，而黄色腿仅旋转约60°且仍保持接触地面。这意味着红色腿的角速度远大于黄色腿。当黄色腿离开地面后，红色腿接触地面并减速，而黄色腿加速，并不断重复这一循环，以推动机器人向前移动。

转向结构设计

参见图示，红色和黄色腿处于起始位置，机器人决定向左转弯。
参见图示，左侧的红色腿开始顺时针旋转，旋转角度较小，同时，右侧的红色腿以相同的角速度逆时针旋转。两侧的黄色腿则沿相同方向旋转，但速度要快得多。
参见图示，在此阶段，红色腿继续摆动，直到离开地面。同时，黄色腿接触地面，以防止机器人倾斜。黄色腿的速度会急剧下降，但仍保持相同的旋转方向。
参见图示，当红色腿离开地面后，它们会加速并重新接触地面，而此时黄色腿离开地面。
通过不断重复这一过程，机器人可以在不同的转弯半径下实现旋转。

传动结构设计

在连接两侧腿部的方式上，有多种选择，例如皮带传动、链条传动和齿轮传动。经过多种传动方案的设计对比，最终决定使用交叉万向节（Cardan Joint）与齿轮进行连接，主要原因如下：

能够适应较大角度偏移，两轴之间的角度可达45°，适应性强。
具有较大的承载能力，能够承受较高的扭矩。
传动效率高，万向节的能量转换效率可达98%。
运行平稳，噪音低，确保机器人运动的稳定性。
相比皮带和链条，万向节和齿轮的结构更紧凑，能够节省更多空间。
皮带和链条容易磨损且更换较为困难，而万向节和齿轮更耐用且维护成本更低。

跃障机制

攀爬机制借鉴了波士顿动力机器人的设计，并结合了我设计的腿部控制逻辑。由于中腿与前后腿可以分别旋转，但前后腿必须同步，因此基于该机制可以实现一种特殊的攀爬（跳跃）过程，共分为9个步骤（详见附录A）。其中主要包括以下8个步骤：

电机选型

考虑到腿部的运动，步进电机是最佳选择。步进电机是一种开环控制元件，能够将电脉冲信号转换为角位移或线性位移，这意味着可以轻松控制旋转角度和转速，从而实现腿部在接近地面和离开地面时的速度变化。然而，高转速可能导致扭矩下降，因此可能需要一个减速齿轮箱来增加扭矩。综合考虑底盘内部空间和最大重量，永磁步进电机是最佳选择。它比普通步进电机更小、更轻。根据可应用的最大转速和电机可提供的最大转速，最终选择了SMW35 – G48步进电机。