四足机器人运动控制系统设计：从建模到实现的完整指南

四足机器人运动控制系统设计：从建模到实现的完整指南

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_53773901/article/details/146329509

本文介绍了一个基于STM32、SolidWorks和Proteus的蜘蛛式四足机器人开发项目，详细描述了从系统设计到实现的全过程。项目目标是通过低成本的硬件实现四足机器人的运动控制，并通过蓝牙遥控实现基本动作控制。

项目背景与目标

为什么选择四足机器人？

• 应用场景：复杂地形探索、救援、娱乐等
• 技术挑战：多舵机协同控制、实时性、机械结构可靠性
• 项目目标：
• 使用STM32实现低成本运动控制
• 通过SolidWorks设计机械结构
• 用Proteus验证电路设计
• 实现波动步态、蓝牙遥控、招手等动作

系统总体设计

硬件与软件架构

• 硬件架构：

• 主控：STM32F4（实时控制核心）

• 执行机构：12个舵机（4足×3关节）

• 通信模块：蓝牙HC-05（手机APP遥控）

• 传感器：IMU（可选，用于姿态平衡）

• 软件架构：

• STM32固件开发（C语言）

• 蓝牙指令解析与舵机控制算法

功能模块划分

硬件设计与实现

机械结构设计（SolidWorks实战）

• 设计亮点：
• 蜘蛛式四足布局：每个足部3个舵机（髋、膝、踝关节）
• 运动仿真验证：SolidWorks运动仿真验证关节运动轨迹
• 3D打印验证：关键部件（如足部支架）3D打印并组装

电路设计与仿真（Proteus实战）

• 电路设计流程：
  1. 舵机驱动电路：PWM信号输出与电源管理
  2. 蓝牙模块电路：STM32与HC-05的串口通信接口
  3. 仿真验证：
• Proteus仿真舵机响应（PWM波形测试）
• 蓝牙指令传输延迟（目标＜100ms）

硬件集成与调试

• 关键步骤：
• 机械结构组装（舵机安装与3D打印件配合）
• 电路焊接与通信测试（STM32与舵机/蓝牙模块联调）

运动控制算法设计

波动步态算法实现

• 核心原理：四足交替运动，相位差90°
• 参数设计：
• 步频：1Hz（每秒1步）
• 关节角度计算：正弦函数生成平滑运动轨迹
• 舵机控制：
• PID控制：抑制舵机抖动
• PWM信号生成：STM32定时器输出12路PWM

功能动作实现

• 招手动作：单足关节序列运动（如腕关节摆动）
• 移动控制：
• 前后移动：重心偏移与步幅调整
• 左右移动：侧向步态相位差优化

蓝牙遥控指令

• 指令集设计：
• F：前进
• B：后退
• L：左转
• R：右转
• H：招手动作
• S：停止

仿真与测试

仿真验证

• Proteus电路仿真：
• 舵机驱动电路稳定性（电压波动≤5%）
• 蓝牙指令传输延迟实测：90ms（达标！）
• MATLAB运动仿真：
• 步态轨迹验证（四足协调运动）
• 动力学分析：重心稳定性优化

实际测试

• 机械结构测试：
• 舵机运动范围与SolidWorks模型一致性验证
• 承重测试（最大负载1kg）
• 系统性能：
• 波动步态稳定性：连续运动5分钟无故障
• 蓝牙响应时间：实测200ms（优化空间！）

项目亮点与展望

项目成果

• 成功实现：
• 波动步态运动（视频演示见文末）
• 蓝牙遥控招手、移动功能
• SolidWorks与Proteus协同设计降低开发风险

未来升级方向

• 技术升级：
• 加入IMU实现动态平衡
• 替换高扭矩舵机提升复杂地形适应性
• 应用场景扩展：
• 结合摄像头实现障碍物避障
• 开发手机APP图形化界面

参考资源

• 工具文档：
• SolidWorks操作手册
• Proteus仿真教程
• STM32开发指南（STM32中文社区）
• 算法参考：
• 波动步态研究论文（IEEE Xplore）
• PID控制参数整定方法

附录（可选）

• SolidWorks装配图：四足机器人3D模型截图
• Proteus仿真：PWM信号与蓝牙指令传输示例
• 测试视频链接：四足机器人仿真测试

通过这个项目，开发者可以深入了解如何使用SolidWorks进行机械设计，如何利用Proteus进行电路仿真，以及如何在STM32平台上实现四足机器人的运动控制。这些技能对于机器人爱好者和工程师来说都非常有价值。