一、制作背景

四足机器人是由机械设计和加工、仿生学、人工 智能和计算机控制等多种学科所形成的综合应用，属于机器人制作的热点方向，也是未来机器人重点发展方向之一。在培养具有“创新精神人才”的时代，四足机器人是培养学生创新意识的载体，也是工业化和信息化深度融合及机械设计基础、机械控制、等多门学科融合的载体。

在对现存的四足机器人基础上，建立机器人腿部的D．H模型，得到合适的杆长、参数，并采用SolidWorks建立机器人模型，进行运动仿真，检验运动步态。将机器人模型制作成实物，并采用控制芯片将腿部关节输出角度写入到机器人舵机控制器中，控制机器人运动，最终与仿真结果一致。

二、项目简介

本项目涉及一种四足机器人的制作，特别涉及一种高性能四足蜘蛛机器人。包括机体、电池、后肢底座、后臂舵机等，所述的电池设置在机体上，后肢底座通过轴与机体连接，后肢底座连接后臂舵机，后臂连接后臂舵机和后爪舵机，后爪舵机连接后爪，所述的前肢底座通过轴连接机体，前臂舵机和前肢底座连接，前臂连接前爪舵机和前臂舵机，前爪舵机连接前爪。本设计克服了机器人行动缓慢，不能在复杂地带行走的弊端。

在众多种类的仿生机器人中，仿生蜘蛛机器人灵活度高、动作简单，使其在工业、军事、航空和紧急救灾等领域得到广泛应用。很多学者参与了仿生蜘蛛机器人的研究，开发出了六足爬行机器人。相对与六足机器人，四足爬行机器人控制方便、能耗低、制造工艺简单、设计成本低，并且可以完成六足机器人的大部分动作。

本项目设计了一种基于 ESP8266 的四足爬行机器人，模仿蜘蛛爬行的姿态，可以实现爬行、掉头等步态。比轮式机器人有更强的地面环境适应能力， 其立足点分散，接触面积小，使其可以在行进途中 选择最优支撑点。在工业、军事、服务业等具有广泛的应用场景。

三、设计硬件

硬件电路分为六个模块，主要模块包含 ESP 主控模块、稳压模块、 舵机扩展模块、下载接口以及供电模块。

1、ESP 主控模块

因为机器人系统的高度集成化并且可与上位机交互，所以并没有设计手动复位电路。主控模块主要由滤波电路和单片机电路组成。核心芯片选用ESP8266，其工作温度范围 -20℃ ~ 85℃，性能稳定，适应各种操作环境。该芯片内置超低功耗 Tensilica L106 32-bitRISC 处理器，深度睡眠保持电流 10μA，关断电流小于 5μA，主频支持 80MHz 和 160MHz，其工作电压3V~3.6V。设计选用ESP8266 的主要原因是其具有射频模块：2.5GHz 接收和发射器。其自带的 Wi-Fi 射频和基带支持 802.11b 和 802.11g，速度为 72.2Mbps。内置两个 Wi-Fi 接口和 TSP，支持 Beacon 自动检测。内了 TCP/IP 协议栈、TR 开关、LNA、balun、功率放大器等。因为 ESP8266 自带的 Wi-Fi 模块使得整个系统同上位机进行传递信息方法不在局于有线连接。

2、稳压模块

ESP8266 工作电压为 3V~3.6V，因此选用了NCP1117ST33T3G 进行稳压。该稳压模块压差典型值 1.07V/0.8a，输出电压 3.3V，静态电流 10mA，最大输入电压 20V，输出电流 1A，满足系统要求。

3、舵机扩展模块

舵机扩展电路采用 PCA9685 来将数字信号转换为 12 个伺服电机的 PWM 控制信号，通过 II与 ESP8266 进行通信，具有四个可编程的 IIC总线地址，其最高支持 16 路 PWM 输出，每路信号输出均具备 12 位分辨率。具有上电复位和软件复位功能，因此不必额外设计手动复位电路，减少了电路设计的难度。并且具备快速模式（I2C 总线速率提升到 1MHz），SDA 端口 30mA 的驱动能力可以使其满足 12 个伺服电机同时工作。

4、伺服电机

系统采用 SG92R 伺服电机作为驱动机器人的主要动力。其工作扭矩 2.5kg/cm 重量为 15g，使用温度-30℃ ~ 60℃。转动角度 180°，工作电流 0.02A，属于数码舵机类。相比于 SG90 重0.2g，但是其扭矩，死区锁定，减速组等远远优于SG90，因此机器人系统采用了 SG92R。

5、下载接口

系统采用 USB 转 UART 来进行程序的烧录。系统刚设计焊接完成时，芯片里面是没有程序的，需要对芯片中烧录进初始程序，因此下载接口必不可少。

6、供电模块

设计系统时考虑到远程遥控和近距离运行情况，采用了DC 直流插座供电和锂电池供电模式，在近距离运行时可以采用插座供电，在远距离运行时可采用锂电池供电。

四、骨架设计

机器人骨架设计参考了蜘蛛的爬行姿态，通过对蜘蛛的仿生 研究设计了具有 12 个自由度的四足爬行机器人。相对于六足爬行机器人，四足爬行机器人能耗更低，并且设计简单，不需要级联 PCA9685（PCA9685 只能控制 16 个舵机，六足机器人一共 18 个舵机需要级联另外一块 PCA9685）。机械骨架一共需要 15 个零件，如果用传统方法制作模具不光耗时长，制造成本也会急剧升高，因此，本项目采用了 3D 打印技术，如图2.2系列所示，不需要机械加工也不需要设计模具，可以同时打印不同的零件，大大缩短了爬行器人的研发周期，降低了设计成本，减少了材料的浪费。并且使用 3D 打印出来的机器人零件在保证机械强度的同时，机械骨架重量也减轻了 60% 左右，降低了机器人整体的能耗，增大了负荷重量。