3.5. 實作 - 雙足機構設計

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首先,目標仍然不是落地正確步行,而是用來觀察檢查步態的測試機構,需要左右雙足完備,在觀察時才能比較正缺判斷。
最後完成的大概外觀如下。


原本的機械構型,打算直接模仿DrGuero2001使用的KHR-3HV,不過在理解產生步態的code之後,假如只用KHR-3HV的腳部構型,在計算關節角度的計算部分需要大幅改寫,才能配合,這會花太多時間,而且步態的部分只是理解如何寫的,還不到完全了解。


所以最後改為參考KXR-L2,因為關節的組成,更佳接近DrGuero2001的ODE模擬範例,再加上我自己的調整,讓關節設計更加接近,這樣在學習code時能更加容易,不用去處理關節幾何的差異。也避免還沒足夠理解產生步態的code時,就要開始重寫計算公式。


原本的KXR-L2,使用的servo是KRS-3302 ICS,可以很簡單的組成雙自由度的關節,所以可以把尺寸做的相當緊湊。但是現在使用MG996R,只能做一些妥協,縮小尺寸的希望先放棄。
不過把雙軸的servo前後放置的概念,還是可拿來運用在髖關節與踝關節,讓兩個活動軸能交錯。



髖關節
設計為三個自由度,分別X軸大腿前後運動,Y軸大腿左右運動,Z軸大腿原地旋轉,與人體的關節接近。其中X與Y軸都直接對應ODE模擬範例中相同位置的joint,Z軸在ODE模擬範例中沒有使用到,但DrGuero2001展示影片中的KHR-3HV是有使用到的,讓機器人能做到自然的原地旋轉。因此也先把Z軸設計加上去,有需要時就有得測試。

X軸加Y軸,使用兩個servo結合在一起的模組解決,Y軸servo放在屁股位置,X軸servo隱藏於大腿空間。

額外的Z軸則把servo安置於腰部位置。


膝關節
最單純,只有一個自由度,Z軸向的小腿前後運動,但是確保可以向後彎曲90度而不會發生干涉。安排一個servo結構解決,可以隱藏於小腿空間。


踝關節
設計完兩個自由度,分別X軸腳掌前後擺動,Y軸腳掌左右擺動,不考慮Z軸。酸然真實的人體可以在Z軸向旋轉,但是拿來學習的範例沒有,因此不做這部分的設計,也避免機構變複雜。
X軸加Y軸,使用兩個servo結合在一起的模組解決,不過Y軸servo不模仿KXR-L2放在腳跟,移到前方腳掌位置,這樣在膝關節X軸度時,可以避免和髖關節的servo干涉。


腰部
腰部的結構,除了連接左右雙足之外,還要順便安裝PI/PCA9865/IMU,這邊的設計就比較單純,有空間就放。中央放PI,前方放IMU,後方放PCA9865,注意需要接線的方向,不要擋住必要接線位置,以及燈號可辨識。

為了能夠懸空固定測試,有部下方再增加一個固定機構,方便穿過鋁擠方管,進行懸空架設。

前面決定了主要設計,有了之前單足測試機構的列印經驗,設計零件細節時增加幾個原則。
1. 目標是無支撐列印,因此需要精密尺寸的孔,儘量垂直於列印方向,來避免需要支撐結構與清理。
2. 至於橫向的孔形狀,則在垂直往上的位置,增加45度的逃離斜面,來達成無支撐列印。
3. 儘量避免懸空結構,來避免列印時需產生額外支撐結構,不但增加列印時間,也增加整理列印完成零件的時間。
4. 因為外觀不要求,也不用太顧慮壽命與強度,使用0.3mm列印尺寸內部方型填滿的草稿列印模式即可,列印時間反而節省。
5. 假如如設計已經滿足需求,以及前列的幾項原則,就不必再進行外觀與細節的最佳化,要提醒自己。


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