目錄
1、四肢朝向的選擇
2、電機布局形式的選擇
3、電機的選型及測試（非常重要）
4、結構優化
5、尺寸效應
6、其他
1、四肢朝向的選擇
機械狗的結構設計，第一個擺在我們面前的就說四肢的朝向問題，如下圖，我們是選擇獵豹的向前彎曲，還是角馬的向后彎曲呢？其實為了方便爬樓梯選擇了向后彎曲，也即角馬的骨骼形式。
不同動物的骨骼形式
2、電機布局形式的選擇
一般我們在設計四肢運動的時候，最先想到的就是在各個關節上直接加一個電機，如下圖的左邊所示，兩個關節處各加裝一個電機，但是，這樣當小腿在擺動的時候，慣性會非常大，可以想象如果在你的膝蓋住綁一個沙袋，在行走時就會非常的費勁，非常消耗能量，因此我們自然而然會想到將膝蓋處的電機移動到上端，通過一個同步帶和膝蓋相連，如右圖所示。
左圖：電機安裝在關節處，右圖：電機集中安裝在髖關節
除此之外還要考慮一個問題，如果機械狗摔倒后還要能夠翻身起來，我們自然而然會想到再增加一個自由度，也即還要增加一個傾斜電機，原因如下面視頻所示：
00:22
3、電機的選型及測試（非常重要）
一個機械狗動力強不強勁，電機起到至關重要的作用，機械狗的電機比較特殊，類似于公版電機T-Motor U8的型號，這款電機是廣泛應用于四旋翼的，需要很高的能量密度（不然就無法完成后空翻這樣的經典動作），因此機械狗的動力選擇的是無人機的無刷電機+行星齒輪組的形式，每個執行器都由一個定制的高耦合到單級6:1的行星齒輪減速機（背隙0.005rad/0.28°）。有效改善機器人的承載能力和低速效率，（至于這里減速比為什么選擇6，網上有不少討論，比如這篇文章MIT Mini Cheetah的關節驅動器為何選用減速比為6的單級內嵌式行星減速器？ - 知乎，我個人比較傾向于，MIT在設計驅動器的時候，使用了成熟的商用驅動器，也算是一種妥協，機械狗的整個重量，結構布局可能都會受驅動器的影響，后期的Cheetah 3系列就采用了自研的驅動電機。）
使用電機驅動一體化的一大優點是，不需要額外的機械結構和昂貴的傳感器就能做到力控。這是因為小減速箱的非線性誤差可以忽略不計，因此直接使用電機的電流環和相應的減速比，就能得到驅動器端的輸出扭矩。
以上的設計思路，就帶來了一個極其緊湊、輕量化的驅動器整體集成效果，當然缺點也很明顯，采用鏤空減重設計，防水防塵比較麻煩。
機械狗電機結構圖
使用到的相關齒輪箱和軸承的型號如下：
行星輪：Misumi GEFHB0.5-40-5-8-W3
太陽輪：Misumi GEABN0.5-20-8-K-4
環形齒輪: KHG SI0.5-100
滾動軸承: HK0408
下腿由通過的同步帶驅動和上腿相連，提供額外的1.15減速比。可以旋轉360度，
讓機器人任意改變膝蓋向前或向后的方向。而且同步帶可以有效的緩沖猛烈的沖擊，
具有很好的緩沖效果。髖關節可以連續旋轉，僅受連接膝關節執行器的電線長度影響。
允許機器人倒著操作，爬上障礙物，或者用腳在身體上方操縱。四條腿的總重量為2.7千克，
只有機器人質量的30%。每條腿的末端有一個由10毫米厚的60A聚氨酯橡膠制成的蓋子。
提供緩沖和抓地力。驅動器的參數：
電機設計完成后，如果加工組裝完成還需要對電機進行一系列的測試，包括：
1）、扭矩測試、功率測試、效率圖繪制，這里需要使用到扭矩測量儀。
2）、電流扭矩測試
左圖：扭矩/電流特性 右圖：扭矩常數/電流特性
3）、電角度校準（用于FOC算法調試）
另外電機采用的FOC控制，還要對電角度進行校準，FOC算法中一個重要的指標就是要知道電角度，電角度由磁編碼器獲得，由于電機摩擦和慣量的存在，實際運行時，它總是稍微滯后于參考角度，如下圖左上角；位置傳感器的偏心會引起低頻紋波，如下圖左下角；齒槽轉矩又會引起高頻紋波，如下圖右上角；消除這些誤差以后會建立一個表記錄下來，只要磁編碼器沒有重新拆裝，下次上電，表記錄的數值依然有效，這樣在程序運行的時候，可以通過查表來消除傳感器誤差。
磁編碼器誤差消除
4）、熱分析
除此之外由于機械狗頻繁的運動，還要對電機進行高溫測試，防止電機高溫消磁，高溫報警等。
高溫試驗
4、結構優化
現在機械狗的基本構型就有了，現在我們最關心的還是腿部，希望腿部的慣性盡量的小，這里我們需要對腿部的結構進行拓撲優化，滿足性能的同時，質量最小。需要用到有限元模擬軟件ANSYS進行拓撲優化，特別是對質量要求比較苛刻，構件材料比較昂貴，這種就體現出了有限元仿真的價值，可以減少不少試錯成本。
結構優化
5、尺寸效應
轉自知乎網友的一段話
在關節式機器人爆發運動能力這方面，尺寸越大的機器人對驅動器的功率輸出密度要求越高，技術實現也越困難。具體定量一點說：機器人尺寸假設擴大?�?倍，那么相應質量是?�3?量級的增長，而所需要驅動扭矩則是?�4?量級的增大。對于驅動器輸出性能而言（現有的永磁體+線圈式電機，扭矩是�2的增長，就是4次方的增長與2次方增長的區別），增大機器人尺寸簡直是噩夢，反之縮小機器人尺寸，能占很大的便宜。
6、其他
除上述分析以外，還有沖擊性能分析，軸承載荷校準等，這些這里不做具體分析，詳細可以見相關論文。
到此為止，一個完整的機械狗機械部分就有了雛形了。
