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关于XDog采用无刷电机直驱的因果链

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我本人在2013年底-2016年初,在上海大学硕士期间研发了XDog小型纯电驱动的四足机器人。当时比较开创性的使用外转子无刷电机直驱的动力方式,从而机器人实现了直接力控,并且大大简化了机械复杂度及成本(经费有限...),整机大部分零部件都是碳纤维板和3D打印

  我本人在2013年底-2016年初,在上海大学硕士期间研发了XDog小型纯电驱动的四足机器人。当时比较开创性的使用外转子无刷电机直驱的动力方式,从而机器人实现了直接力控,并且大大简化了机械复杂度及成本(经费有限...),整机大部分零部件都是碳纤维板和3D打印机拼装而成,只有极少的个别铝合金件。

  16年4月毕业后,由于上海大学数据库的原因,关于XDog的毕业论文,并不能在知网检索到,故在此手动上传一份供大家参考,希望对大家有所帮助(写的比较简略粗陋,仅供参考)。

  1. 小时候就比较痴迷科技,手工类的绘画、雕塑,机电类的航模、电子电路、涡喷,化学类的充电电池等都玩的比较多。其中记得对电机一直很有兴趣,比如小学时重新绕制四驱赛车的直流电机的绕组(可能是一时兴起拆了原来的绕线,然后拆下的线并联后重新绕制,发现电机的转速可以快很多...)、小学或初中时用铁皮、漆包线和磁铁手工制作过一只直流电机。

  2. 大一那会,搞了个最廉价舵机做的双足机器人,对传统舵机的被控性能感到绝望,完全不适合用于机器人控制。

  3. 后来看机器人的理论书籍,发现所有的理论控制基础,都是从力/力矩出发展开的。但现实中实际用的机电系统,大多直接工作在位置环,比如步进电机、舵机、机床、工业机械臂。初步萌发了搞个纯力矩源玩玩的想法。13年初本科毕设完成了一个简单的BLDC控制器,但依旧不是很理想的力矩源。

  4. 13年硕士开始,课题支持有机会搞四足机器人。从为能实现较好的控制效果的层面考虑,进一步想搞个纯力矩源,还尝试过使用硬件运放恒流电路,来实现对直流电机的恒电流(力矩)控制。但最终由于电刷换向等原因,还是不够理想,力矩也不够大。在此段时间,发现了国外的无刷云台,意识到部分航模用的无刷电机也能够使用伺服电机的矢量控制(常规的伺服电机太过笨重,一直没考虑使用)。

  5. 然后,就从淘宝陆续买了差不多10款左右的不同航模用无刷电机,分别观测了各自的特性,比如:齿槽转矩、逆感应电动势等。当时出于扭矩密度大、齿槽转矩低、价格合适等层面考虑选用了如下这款电机(这款是公版无刷电机,生产的厂家挺多,但品质有差异)。

  6. 选电机的过程中,出于我自己对控制的需求(力控为主),以及成本/尺寸紧凑等因素的考虑,开始自己设计PMSM电机驱动器。

  7. 14年那会,发现采用大扭力内转子无刷电机(带减速器)的MIT 猎豹机器人奔跑效果很不错(但由于那时的MIT 猎豹主打奔跑速度,几乎只有8个主要运动自由度,腿部侧摆关节使用的是Dynamixel舵机,所以13年那会,并没有留意到)。之后,就更让我坚定了我用12个无刷电机直驱,来实现那时几乎只有波士顿动力的机器人能实现的全向的灵活运动能力。

  8. 后来陆续发现,和XDog同款的这款电机(大家选的KV值有所差异),国外机器人学界也有不少人使用。比如:Minitaur、MIT mini Cheetah 等

  PS: 当时由于经费及加工设备的限制,XDog没有减速器,但依旧能实现简单的小跳。

  
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