2025-5-6 新发表，增加了串联腿部的机构设计方案和更多的实机演示视频

一、前言

在RM的比赛之中，我经历了22、23、24三个赛季，24赛季成功进入国赛，我始终认为，RM发源自步兵，也自然将终结自步兵，步兵也是对抗赛环节中最为重要的中坚力量。在24赛季中上海交通大学的串联双轮足式步兵，凭借优秀的自适应能力和越障能力，同时兼具自救能力，使其称为“攻防一体的试验品”，笔者在退队之后，仍念念不忘。因为足式和轮足式机器人必然将成为具身智能的重要进化方向，同时笔者的研究生研究方向亦为具身智能，便决定将双轮足式串联机器人作为笔者的毕业设计，借鉴了上海交通大学在罗马车圈中对其串联轮足机器人的课程，作为拙略的模仿，加以笔者个人的一些设计理解，在此开源和各位RMer共同交流学习

二、开源文件

链接: https://pan.baidu.com/s/1XSkm14EVodf4KP6U5OEo9A?pwd=hyff 提取码: hyff

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三、技术说明

本开源为中南大学荷叶饭同学于RoboMaster2025赛季期间自研的无云台无发射机构的串联双轮足机器人，但全部按照RM设计规范进行设计和制作，只需增加裁判系统和发射机构即可成为标准步兵。

四、声明

1.本次开源作品，出自中南大学胡元峰。作品仅用于技术交流，未经作者允许，不得作任何商业用途。

2.转载须注明作品出处，对非法转载者，作者保留采用法律手段追究的权利。

3.本作品的声明以及其修改权、保护作品完整权及最终解释权均归荷叶饭同学所有。

4.本开源旨在让大家对串联轮足机器人有进一步的了解和认识，鉴于笔者设计思路有限，有许多考虑不周的细节希望同大家共同学习进步。

5.未尽事项及交流学习@中南大学荷叶饭同学

五、鸣谢

感谢上海交通大学在2024赛季末针对串联轮足机构进行的讲解，本次设计参考了诸多交龙战队的设计，不胜感激，特此鸣谢。

六、机械设计思路

6.1 机械结构的总体框架

本节基于设计目标开展WBR的机械结构设计。总体上，本机器人可以按结构分为腿部机构和机体两个主要组成部分，并通过髋部将机体和腿部进行结合，如图2-1所示：

双轮足串联机器人的结构框架

机械结构是WBR的基础硬件，根据设计目标，由于机器人的运动由腿部-轮部直接和地面接触，所以机器人最重要的部分是腿部机构以及髋部的轴系结构设计。在第1章的介绍中，传统的轮足式机器人分为串联和并联两种构型，但其共同特点为：髋部具有两个自由度。为了实现轮足式机器人所需要的腿部机构自由度的需要，许多研究中都对其腿部机构的设计有所创新。

6.2 腿部机构设计

对于轮足式机器人来说，腿部机构是最重要的部分，综合本次设计的需求，需要针对腿部机构进行分析，设计一种相较于传统的轮足式机器人自由度相同，但其活动范围更大的腿部机构。目前，针对腿部机构，可以将其拆解成两个关节：膝关节和髋关节，WBR的腿部均可等效为如上两个关节，这也是WBR腿部机构的两个自由度的来源。同时，根据其构型特征，可以将不同的腿部机构分为串联和并联两种类型。

并联机器人由多个支链和一个最终的执行末端相连接，形成封闭的运动链，各个支链共同驱动末端运动（针对WBR，其末端应为驱动轮毂）。虽然并联机构的精度和负载性能较好，但其工作空间较小，导致其灵活性较差。

串联机器人在串联和并联两种机构的自由度数目相同的情况下，其工作空间较大，虽然对机体以及驱动部分的负载要求较高，但其灵活性显著提升，对各种工况的适应性相较于并联机构有显著的提升。综合上述分析，串联式的腿部机构的灵活性较高，所以采用串联式的腿部机构。

大部分的串联机器人的构型为双杆构型，这种构型和哺乳动物的腿部构型基本一致，腿部包含两个关节，采用两个电机进行驱动，分别是髋部正摆关节和膝关节，如图2-3所示。同时为了减少关节转动时的惯量，会尽可能将质量集中在和机体直接相连的髋部，将驱动不同关节的电机集中安排，并通过合适的传动机构来驱动膝关节和髋关节。这一机构构型分别驱动不同的关节，同时模仿了动物腿部运动方式。然而，不可忽略的是其对整个机器人的空间利用率较低，且后续会影响系统的动力学模型，导致控制算法层面的复杂性提升。基于上述分析，本文的双轮足机器人采用新的构型设计。

仿生的腿部机构（MIT四足机器人）

新的构型设计同样基于串联机构设计，将膝关节和髋关节的驱动电机集中安排在髋部，但驱动不同关节的电机和髋关节轴系采用传动机构链接，分别放置在髋关节主要轴系的两侧，对称分布，使其对空间的利用率更高。由于负载的集中分布，膝关节的驱动电机并未直接和膝关节轴系链接，而是需要通过传动机构将电机的驱动力传递到膝关节，这里需要针对不同的传动机构进行选择。

分析腿部机构，由于其直接与地面进行物理交互，腿部各个关节均会产生较大的力矩，针对于膝关节的传动方式需要承载较大的力矩，同时连接要可靠稳定，基于这一需求，分析不同的传动机构的选择。目前在机器人关节位置广泛采用的传动方式主要有两种：

（1）同步带传动。主要由同步带和带轮组成，相较于V带等带传动方式，其表面具有等间距的齿形，依靠同步带齿和带轮齿之间的啮合来传递运动和力，其类似齿轮传动的原理，但又有带传动的特征，传动比稳定，效率高。除此之外，其传动是连续的，对于机器人关节来说可以有效提升活动范围，但机器人的空间要求紧凑，只能使用小尺寸的同步带和带轮，对应其能承受的负载较低。所以对于动态要求高的机器人来说，尤其是力矩较大的场合，当冲击或力矩超过同步带的额定负载时便会导致滑齿现象，使得关节角度数据产生偏差，影响腿部的控制效果。

（2）平行四边形四连杆传动。由四个刚性构件通过四个转动副连接而成，形成平行四边形的形状，即为四连杆机构的特殊形式，间隔的连杆长度相同，负载高，同时加工简单。平行四边形连杆保证了传动机构力矩的一致。根据轮足式机器人膝关节的特点，其本身不需要全周转动，平行四边形连杆传动在复杂情况和较大的力矩情况下的稳定性明显更优。

综合以上分析和比较，平行四边形连杆在占用空间较小的同时，拥有更大的负载能力，在膝关节受到外界冲击后能够保证稳定性，此外，连杆机构易于加工，便于维护，这样可以使WBR便于在任何复杂环境中部署。据此，膝关节的传动机构选择平行四边形连杆。

WBR的腿部机构设计

如图所示，机构简图中的固定端代表WBR的髋关节部分，左右两边的连杆分别采用两个髋部关节电机驱动（后文详细介绍）。较长的两根连杆作为WBR腿部的核心驱动部分，分别称为大腿和小腿，大腿和机体之间由髋关节轴系连接，大腿和小腿之间则由膝关节连接。膝关节采用平行四边形连杆的方式驱动，并经由左侧的短连杆将运动从驱动部分传递到膝关节。

为了使大腿的运动和平行四边形连杆的运动特性保持一致，经过连杆机构传递的运动需要和小连杆保持平行，故大腿连杆和平行四边形连杆需要保持平行。这一腿部连杆构型有许多优势，一是自由度高，活动范围大，同时能承受较大的力矩；二是针对于腿部机构的解算相对较为简单，可以被等效成并联形式的五连杆机构，降低了解算的难度。

6.3 髋关节传动机构设计

在2.3.2节中，已经设计了腿部的连杆机构，腿部机构和机体的连接关键部分是髋关节，由于驱动髋关节（大腿）和驱动膝关节（小腿）的运动和力矩都需要从电机处传递到髋关节轴系，需要针对此处的传动方式进行选择。为了节省髋部的结构空间，选择将两个关节电机并列对称放置，如图所示，关节电机和髋关节的驱动部分采用传动机构连接。

WBR的髋部结构示意图

根据所需要的机构，此处的传动机构的选择有如下两种方式：

（1）齿轮传动。齿轮传动的优势在于传动比准确，传动效率高，但针对WBR的款关节来说，驱动电机和髋关节轴系的距离较远，采用齿轮传动会使单个齿轮的直径较大，对于空间的利用率较低，同时会使整个髋部较为冗余，不便减重和后续的调整等。

（2）链传动。链传动和齿轮传动的传动效率基本一致，但链传动较齿轮传动来说具有一定的过载能力，同时其可以实现两轴中心距离较远的传动，通过调整链条的参数可以调整传动的力矩，链轮的大小较于齿轮更小，机构更为干净。

综合来看，髋部机构的传动选择链传动更为合适，针对本WBR的设计，选用链条规格为滚子链08A（9速自行车链条），传动比，两链轮轮齿数均选择，查询国家标准，08A链条节距，链轮的分度圆直径为：

可得，由于WBR髋部没有足够的冗余空间防止链传动的张紧机构，故选择略大的初定中心距，设置为，据此计算链长节数：

式中的轮齿系数，可得，实际链条节数需要圆整为整数，并取偶数以避免过渡链节，圆整后的链条节数，计算传动的理论中心距：

由于此处的传动比为1，所以式中的，计算得到的理论中心距为，据此给予链条一定的垂度，可以得到实际中心距，即，驱动关节电机和髋关节轴系的中心距设计为105mm，链轮的轮齿数为20，最终的设计方案如图所示。

WBR的髋部传动机构图

6.4 关节轴系设计

关节是组成WBR腿部的重要部分，在轮足式机器人当中，髋关节和膝关节作为连接连杆的主要关节，其承担了腿部机构大部分力矩，同时，髋关节还作为整个腿部动力的来源，对于轴系的安排和设计非常重要，下面针对两个关节分别进行设计。

（1）膝关节。膝关节是大腿和小腿的连接部分，同时是平行四边形连杆的其中一个运动点。大腿和小腿是WBR的核心支撑部分，既负责将运动传递给轮毂，又承担大部分力矩，所以膝关节需要承受来自两个方向的载荷，分别是轴向载荷和径向载荷。其中，径向载荷来自腿部连杆本身的重量以及大小腿相对运动带来的动载荷，轴向载荷则来自机体本身的压力和两腿之间的压力，所以膝关节的设计需要综合考虑多个方向的载荷承受能力。

为了尽可能降低设计难度并节约成本，采用一种广泛应用于自行车转向轴系中的设计——碗组。其由碗组轴承，碗组碗，碗组盖等组成一个完整的轴系，碗组轴承是一个特殊的轴承，如图所示，其两侧相对的位置分别有一个45°的倒角构成，其目的和角接触球轴承的作用类似，均为承受轴向载荷，但其优势在于，承受较大载荷的同时，尺寸较小，同时能保证回转的平稳性，成本较低，易于设计。如图所示为自行车前臂回转碗组轴系，参考这一轴系设计，对WBR的膝关节进行设计。

碗组轴承和自行车的碗组轴系

受此启发，针对WBR的膝关节位置，将其拆解成类似自行车的上下碗组部分，根据腿部尺寸，将碗组套碗固定在大腿上，并在大腿和小腿相对的面留有凹陷槽使碗组套碗的外轮廓面和大腿表面重合。采用一个大尺寸的钢制垫片隔离碗组轴承和小腿面。为了使小腿和大腿之间能保证稳定的同轴相对转动，小腿处安装一个过盈配合的碗组轴（紧迫环），同时，此轴和碗组轴承内圈形成过渡配合，并在另一侧安装一个限位盖，此限位盖和碗组轴之间采用粗牙螺纹锁紧，使整个轴系无轴向窜动。整体方案如图所示。

WBR的膝关节轴系设计

（2）髋关节。髋关节承担了WBR腿部的大部分力矩，同时还有非常重要的运动分离的作用——即小腿的驱动部分和大腿的驱动部分既要同轴转动又要相互隔离、互不干扰，同时还要将前文提到的链传动的机构进行融合。这里采用多组深沟球轴承、推力滚针轴承的复合轴系，使其能够承受来自各个方向的力矩。同时还要考虑整个腿部机构和机体的连接。

考虑链传动机构的空间，两个链轮同轴，需要将小连杆的驱动链轮以及驱动轴从大腿的驱动链轮中间穿过，且保持良好的同轴度。为了使链轮转动更加平稳，两链轮之间采用推力滚针轴承隔离，并且在大腿和小连杆之间也采用推力滚针轴承和深沟球轴承的配合，用以隔离转动，同时保证平稳性。髋关节需要承受较大的力矩，所以同时还需要考虑整个机构在机架上的固定问题。此处采用RU42交叉滚子轴承，将其外圈和髋关节机架固定，内圈则通过碳纤维连接件和腿部的驱动链轮相连接，如图所示。

WBR的髋关节设计

整个腿部机构的末端执行器相当于WBR的轮毂部分，轮毂部分同样由一个驱动电机构成，驱动电机的通信和供电线路需要沿腿部穿过髋关节中心，和机体内部的供电相连接。由于线路数目较少，同时需要将线路从髋关节中心穿入机体，此处选用中空电滑环作为桥接。电滑环是一种电气设备，其核心功能是实现电力和信号在旋转部件和固定部件之间的稳定传输，尤其是针对需要周转的轴系，能够使机构正常运动的同时保证线路的稳定，采用电刷，导电环等部件构成。WBR髋关节的电滑环选用默伏龙2042-6线中空滑环（如图所示），其安装于髋关节最外侧便于线路布置，同时将一根贯穿整个髋关节轴系的中空轴穿入，固定在髋部机架上。

WBR的髋关节中空导电滑环

该设计方案保证了大腿和小腿连杆的转动隔离，同时辅助轴系让整个髋关节的转动更加平稳，采用交叉滚子轴承使整个腿部机构固定在髋部机架上，使其能够承受径向和轴向载荷，保证连接的稳定性和转动的平稳性。

6.5 机架和总体设计

本设计的核心是腿部机构的设计，机架的目的是将腿部机构和机体本身连接，并承担WBR的大部分质量和力矩。机架采用铝合金和碳纤维作为主要材料构建，主要目的是为WBR提供较高强度的载荷，同时尽可能为WBR整体减重。

髋部机架使用铝合金一体化CNC件直接连接，将髋关节轴系，关节驱动电机同时固定，保证轴系的稳定，同时将关节驱动电机固定保证链传动机构在同一个平面内。对于此CNC机加工件，按照其受力结构给予一定程度的轻量化减重设计，保证支撑强度的同时尽可能减轻重量，如图所示。

WBR的髋关节组成

中心机架的作用更为明确，将两侧髋关节和腿部机构连接在一起，同时，放置供电电源，核心控制单元，以及转向yaw轴等部分。采用铝合金和碳纤维板构建，并用螺栓做固定连接。中心的铝架使用“井”字形构型，提升整体稳定性。铝架采用空心铝方管，并在非主要承力区域使用圆形镂空作为轻量化设计，并将髋部机架连接在铝方末端。

为了防止两侧的腿部机构出现“外八”，即运动过程中腿部向外倾斜，导致运动稳定性下降，两侧的髋部机架需要和中心机架产生多个连接。在髋部机架上方采用碳纤维将两侧的腿部机构作连接，同时作为WBR的yaw轴驱动部分的支撑构件。机体前后两个方向下端分别安装四个导向轮，其目的在于防止WBR断电落地或着倾倒时对机体造成损伤，同时辅助WBR通过崎岖和非结构化的地形。电源和控制单元放置在整个机架中，并用碳纤维板和铝方管将整个机架封闭。最终的构型如图所示。

WBR的整体构型组成

七、视频演示

位置控制模式：

力矩控制模式：

通过崎岖环境：

台阶：

唐氏小混剪：

这是国服牢步兵电控飞升前留下的枪谱_哔哩哔哩_bilibili

此处手动@wude2024，感谢国服牢步兵电控最后的枪谱助力飞升