本項目介紹的為四足機器人，與13號的雙足機器人還有15號的六足機器人一起，組成了PVC仿生類機器人最典型的“雙足、四足、六足”項目組合。本項目機器人之所以稱之為機械狗，主要是因為其軀干外型上與美國波士頓公司研制的BigDog運輸機器人有點像，就是背上馱著東西的大狗機器人，不過比起B(yǎng)igDog的靈活矯捷，本項目機器人由于緩慢笨拙而只能說是一只笨笨狗，呵呵。

本項目機器人也是分為采用常規(guī)電池的A版，以及采用太陽能的B版，

一、基本原理

本項目的機器人，利用“擺動曲柄滑塊機構(gòu)”原理，把減速電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為驅(qū)動腿邁步的往復(fù)擺動運動，再利用簡單連桿結(jié)構(gòu)控制四條腿模擬動物的步態(tài)規(guī)律進行爬行運動。

1、運動方式

本項目機器人是模仿?lián)碛兴臈l腿動物的爬行運動，其各腿之間協(xié)調(diào)運動的規(guī)律是完全不同的，這個規(guī)律我們稱其為“步態(tài)”，要模仿四足動物的運動，則首先就要了解這個“步態(tài)”。

以下是四足動物爬行步態(tài)的分解，以前進方向為例進行說明：

1、靜止時四條腿都是同時著地;

2、前進時，四條腿分為兩組交替運動，對角的兩腿為一組，即：左前腿和右后腿為一組，右前腿和左后腿為另一組;

3、第1組兩條腿(左前、右后)往前邁出，第2組兩條腿(右前、左后)靜止不動但是關(guān)節(jié)往前彎曲以適應(yīng)這個軀體中心前移; 4、第1組兩條腿(左前、右后)邁出后靜止。

5、第2組兩條腿(右前、左后)往前邁出，第1組兩條腿(左前、右后)靜止不動但是關(guān)節(jié)往前彎曲以適應(yīng)這個軀體中心前移; 6、兩組不斷交替……

如此循環(huán)往復(fù)，同一時間都保證有一組兩條腿著地以保持身體的平衡，并不斷往前進。

這里可能有人會問，僅靠兩條腿是否可以保證身體的平衡呢?其實，如果前進時保證一定的速度，雖然同時只有兩條腿著地，只能有一個很短暫的平衡，但是由于兩組的腿交替速度比較快，總體上也可以讓身體保持一個動態(tài)的平衡。

特別說明：如果整體前進的速度很慢，其中一組靜止著地的兩條腿是無法保持整個身體的平衡的，我們必須還要讓第三條腿也著地，即要利用三點確定一個平面——三條腿可以保持穩(wěn)定平衡的原理。在本項目中，由于機器人的運動速度很慢，兩組腿交替邁步的時候，后腿都是著地的，即使是往前邁步的一組，前面的腿是離地邁步的，而后面的腿還是接觸地面以“拖步”的方式邁步的。

2、驅(qū)動機理

本項目機器人是采用四足爬行的方式運動，對于四足的驅(qū)動力量也是有一定要求的，所以與前幾個仿生類機器人項目一樣都是借助減速電機所具有的“低轉(zhuǎn)速、高扭矩”的特性來實現(xiàn)的。

與PVC-Robot 11號、PVC-Robot 12號機器人驅(qū)動雙臂以及與PVC-Robot 13號驅(qū)動雙足類似，本項目機器人四足中的后面兩足是主動足，是由減速電機直接驅(qū)動的，而采用的減速電機同樣也必須要滿足兩個條件：　1、擁有足夠的動力，能夠支撐四足行走;

2、減速電機左右兩側(cè)同軸輸出。

為此，需要利用“蝸桿傳動機構(gòu)”對現(xiàn)有減速電機進行改造，相關(guān)方案在前面的項目中也已經(jīng)進行了詳細的闡述，這里不再重復(fù)，具體可以點擊這里：PVC-Robot 11號——減速機構(gòu)

本項目機器人實現(xiàn)四足爬行機械結(jié)構(gòu)，其實是和PVC-Robot 12號、PVC-Robot13號類似的“連桿機構(gòu)”——“擺動曲柄滑塊機構(gòu)”，只不過說這個在PVC-Robot 14號中這個連桿機構(gòu)驅(qū)動四足的后面兩足，然后再通過連桿帶動前兩足聯(lián)動。相關(guān)資料請參考：PVC-Robot 12號——驅(qū)動機理、PVC-Robot 13號——驅(qū)動機理

下面為擺動曲柄滑塊機構(gòu)應(yīng)用在本項目中的運動過程示意圖。

以下為兩種一樣的擺動曲柄滑塊機構(gòu)連桿，前者采用了離心圓盤作為轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，而后者則采用了曲柄作為轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，兩者本質(zhì)是一樣。為了加工方便，一般多用后面一種”曲柄“結(jié)構(gòu)(可省掉一個圓盤)。而在本項目中我們采用的也是后面的設(shè)計。

為了機器人能夠讓兩組二足交替向前邁步行走，則“擺動曲柄滑塊機構(gòu)”的安裝也比較巧妙，為了直接驅(qū)動后面的兩足，我們用了左右兩套相同的連桿機構(gòu)，且為同軸的方式安裝(同一根轉(zhuǎn)動的軸)，但兩個連桿的鉸鏈結(jié)合部分的位置正好相反，即分別位于轉(zhuǎn)盤一條直徑線上的兩頭，也就是曲柄的位置正好相反，使得左右兩套連桿機構(gòu)在同一時間上運動的狀態(tài)剛好相反，比如：一個位于最左邊的位置的時候另一個正好位于最右邊的位置，一個位于最高的位置的時候另一個正好位于最低的位置。 　　另外，前足通過一個連桿和后足的曲柄相連，同時后足由限位桿控制住擺動的范圍。

3、電路原理

與之前的幾個仿生機器人項目一樣，本項目也是分為A版的常規(guī)電池版本和B版太陽能版本：A版電路是非常的簡單;B版采用與之前的2號到6號以及8號類似、與10號、12號、13號一模一樣的太陽能脈動充放電控制電路。PVC-Robot 14號-A版本項目A版機器人的電路原理比較簡單，就是直接一組電池連接一個電機，中間通過一個撥動開關(guān)來控制電路的通斷。PVC-Robot 14號-B版

本項目B版機器人的電路采用的還是那個經(jīng)典的太陽能脈動充放電控制電路，與10號、12號、13號一樣也是屬于改良型電路版本，即采用了額定電壓為5V的太陽能電池板，整個電路的標準太陽能充電電壓由原來的3V變?yōu)?V，

由此：1、為了充分利用電能，電路充電的電壓上限需要加大，即原來的一個LED發(fā)光二極管變?yōu)橛脙蓚€LED發(fā)光二極管，具體見下圖中串聯(lián)在一起使用的兩只LED發(fā)光二極管;

2、由于電路電壓較高，假如我們項目中使用了功耗比較小的電機，在光線較強的情況下，電路放電帶動電機轉(zhuǎn)動時，由于電機消耗的電流比較小，導(dǎo)致放電的速度還跟不上充電的速度，這樣就會導(dǎo)致電路用于處于一種“半導(dǎo)通”的死循環(huán)狀態(tài)無法正常運行下去，也就是出現(xiàn)了電機開始轉(zhuǎn)了一下之后就再也不轉(zhuǎn)了的情況。(更多相關(guān)內(nèi)容請參見：常見問題)

為了解決這個問題，我們可以考慮在電機兩側(cè)并聯(lián)一個47歐姆的小電阻(色環(huán)：黃紫黑金棕)，具體見下圖中電機兩側(cè)用虛線連接的電阻。當然這種情況并不是總會發(fā)生(如果采用功耗大一些的電機)，只是假如采用本博客對應(yīng)淘寶店提供的套件，出現(xiàn)這種情況的幾率要大一些。(更多相關(guān)內(nèi)容請參見：調(diào)試完善)

基本原理如下：

1)太陽能電池板給電解電容充電，電解電容兩端的電壓不斷上升;

2)當電路電壓達到2個串聯(lián)在一起的LED二極管的導(dǎo)通電壓(4V左右)時，LED二極管導(dǎo)通

3)三極管9015的基極從導(dǎo)通的LED二極管獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9015導(dǎo)通;

4)三極管9015導(dǎo)通后，又使三極管9014的基極獲得足夠的導(dǎo)通電壓，則三極管9014導(dǎo)通;

5)三極管9014導(dǎo)通后，電機獲得電流開始轉(zhuǎn)動;

6)電機轉(zhuǎn)動，消耗電解電容中存儲的電能，電路電壓下降;

7)當電路電壓下降到低于2個串聯(lián)在一起的LED二極管的導(dǎo)通電壓(4V左右)時，LED二極管截止;

8)雖然三極管9015的基極失去了來自LED的導(dǎo)通電壓，但是由于此時三極管9014已經(jīng)導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流除了提供給電機轉(zhuǎn)動之外，還通過電阻分流了一部分重新回到三極管9015的基極(形成一個循環(huán))，即三極管的基極還是有足夠的導(dǎo)通電壓; 　9)當電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動消耗電解電容的電能時，電路電壓進一步下降，則即便三極管9014導(dǎo)通后回流給三極管9015基極的電壓也無法保證三極管9015繼續(xù)導(dǎo)通(循環(huán)被破壞)，則兩個三極管都截止，電機停止轉(zhuǎn)動;

10)電解電容重新充電，繼續(xù)重復(fù)上面的各環(huán)節(jié)。

簡單的說，即：太陽能電池對電解電容充電，當充電量達到由LED二極管設(shè)置的充電上限后，則電路開始瞬間放電提供給電機轉(zhuǎn)動;雖然電機轉(zhuǎn)動消耗電能使電壓下降至低于LED二極管的下限，但是由于電路存在一個導(dǎo)通循環(huán)的機制，仍然會繼續(xù)放電讓電機轉(zhuǎn)動，能夠盡可能的把電解電容中存儲的電能都消耗掉;消耗完電解電容中的電能后，重新由太陽能電池對其進行充電……如此循環(huán)往復(fù)。 　　也可以這樣理解：太陽能電池對電解電容進行緩慢充電(太陽能電池的電流比較小)，充電達到上限后對電機進行瞬間放電(電機的電流比較大);放電停止的下限比較低，可以比較徹底的把充電的電量消耗完。

在PVC-Robot2號機器人的項目中已經(jīng)對該電路原理進行了更詳細的分析，這里不再重復(fù)。如果還有不清楚的，或者有興趣繼續(xù)了解的，可以點擊這里：PVC-Robot 2號 電路原理分析。