你是否曾看到機(jī)器人狗移動(dòng)時(shí)，心里想著：“它很酷，但……有點(diǎn)僵硬呢?” 那么你就會(huì)看到希沃德小狗機(jī)器人。它就與眾不同。它不僅緩慢移動(dòng)，還有一種平穩(wěn)、逼真的小跑姿態(tài)。它能夠瞬間轉(zhuǎn)向以追蹤物體，或者在指令下平穩(wěn)地坐下。在這樣一個(gè)桌面大小的平臺(tái)上，兼具穩(wěn)固的穩(wěn)定性與令人驚訝的靈活性，正是最先吸引我的地方。作為一名制造者，我立刻就想問(wèn)：這是怎么做到的?是什么機(jī)制讓這一切成為可能?

仔細(xì)研究這個(gè)項(xiàng)目(無(wú)論是從比喻意義上還是從實(shí)際操作意義上進(jìn)行研究，包括查閱相關(guān)文檔)，我發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有什么神奇的秘訣。其奧秘在于硬件、機(jī)械設(shè)計(jì)和軟件的完美結(jié)合——所有這些都易于獲取，并且是為動(dòng)手操作而設(shè)計(jì)的。以下是我從制造者的角度所做的分析。

肌肉：并非是那種僅供愛(ài)好者使用的伺服裝置

卸下腿部護(hù)套，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)其核心部件：高扭矩的不銹鋼齒輪伺服電機(jī)。共有八個(gè)這樣的電機(jī)。這些可不是那種入門級(jí)套件中常見(jiàn)的普通伺服電機(jī)。

專為懲罰而生：不銹鋼齒輪是第一個(gè)重要特征。這款機(jī)器人是為反復(fù)行走的沖擊以及搭載諸如可選的機(jī)械臂等附加裝置而設(shè)計(jì)的。這種耐用性意味著您可以大膽地進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，而無(wú)需一直擔(dān)心齒輪會(huì)損壞。

他們進(jìn)行回應(yīng)：這是關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)。這些是“智能”伺服裝置，具有反饋回路。它們會(huì)持續(xù)將位置、速度甚至溫度等數(shù)據(jù)傳回至樹莓派大腦。這種閉環(huán)控制對(duì)于穩(wěn)定性至關(guān)重要;該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行微調(diào)，確保每條腿都能達(dá)到精確的目標(biāo)角度，每一步也都精準(zhǔn)無(wú)誤。

以下是“小狗板”的教程內(nèi)容：包括源代碼、視頻教程以及各種實(shí)驗(yàn)案例等。

骨架：優(yōu)雅的力傳遞

這些伺服電機(jī)提供動(dòng)力，但腿部的連接結(jié)構(gòu)才是將簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成優(yōu)雅的多軸運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。這是一個(gè)由相互連接的桿件構(gòu)成的極其簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)。

?仿生效率：這種連接方式為腳部創(chuàng)造了一條自然的橢圓形運(yùn)動(dòng)軌跡——平穩(wěn)的抬起、向前推動(dòng)以及落腳。這種運(yùn)動(dòng)方式比原始的類似活塞的上下運(yùn)動(dòng)要節(jié)能且穩(wěn)定得多。這就是從慢跑到快步跑的區(qū)別所在。

?精心設(shè)計(jì)的杠桿結(jié)構(gòu)：其形狀并非偶然形成。它能將伺服器的力以最佳方式放大并導(dǎo)向地面。這為“小狗派”機(jī)器人提供了強(qiáng)大的起跳力，以增強(qiáng)其靈活性，并且形成了一個(gè)穩(wěn)定的底座，能夠在轉(zhuǎn)彎和應(yīng)對(duì)輕微地面不平的情況下保持穩(wěn)定而不傾倒。

大腦與神經(jīng)系統(tǒng)：奇跡發(fā)生之處

這就是創(chuàng)造樂(lè)趣真正開(kāi)始的地方。硬件奠定了基礎(chǔ)，但運(yùn)行著 ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))的樹莓派以及軟件算法則使其真正“活”了起來(lái)。

?逆運(yùn)動(dòng)學(xué)(IK)——真正的“關(guān)鍵秘訣”：你不會(huì)手動(dòng)設(shè)定八個(gè)伺服電機(jī)的角度來(lái)邁出一步。相反，你使用高級(jí)指令。向逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器下達(dá)指令：“將這只腳向前移動(dòng) 5 厘米，并向上移動(dòng) 2 厘米?！彼鼤?huì)立即計(jì)算出該條腿中所有三個(gè)伺服電機(jī)的精確角度，從而實(shí)現(xiàn)這一動(dòng)作。這種抽象方式對(duì)于開(kāi)發(fā)工作非常有用。

?在 ROS 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步態(tài)生成：在行走過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)使用此 IK 引擎來(lái)協(xié)調(diào)四條腿的動(dòng)作。步態(tài)規(guī)劃器(一個(gè) ROS 節(jié)點(diǎn))會(huì)持續(xù)計(jì)算著地模式，以在移動(dòng)或轉(zhuǎn)彎時(shí)保持平衡。想要實(shí)現(xiàn)自定義步態(tài)或調(diào)整小跑速度?您只需使用這些高級(jí)規(guī)劃器即可，而無(wú)需費(fèi)力處理原始伺服脈沖。

?ROS——“黏合劑”：ROS 是核心神經(jīng)系統(tǒng)。步態(tài)規(guī)劃器、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解器、伺服驅(qū)動(dòng)器以及傳感器輸入(攝像頭、激光雷達(dá))都能通過(guò) ROS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信。這種模塊化設(shè)計(jì)堪稱開(kāi)發(fā)者們的理想之選。更換導(dǎo)航算法或集成新傳感器都遵循著標(biāo)準(zhǔn)且詳盡的流程。

見(jiàn)證協(xié)同效應(yīng)的展現(xiàn)：

當(dāng)您通過(guò)控制器或自定義代碼發(fā)出“向左轉(zhuǎn)”的指令時(shí)：

?ROS 步態(tài)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)會(huì)調(diào)整腳步落點(diǎn)模式。

?IK 解算器每秒會(huì)為所有腿部重新計(jì)算數(shù)十次運(yùn)動(dòng)軌跡。

?精確的指令被傳送到智能伺服裝置上。

?伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)連桿，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。

?伺服反饋信號(hào)會(huì)返回確認(rèn)信息，從而形成閉環(huán)。

為何這對(duì)你所負(fù)責(zé)的項(xiàng)目至關(guān)重要

這種內(nèi)在的穩(wěn)定性并非僅僅用于酷炫的行走演示。正是這種穩(wěn)定性將“小狗板”從一款小巧的電子設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)實(shí)用的原型開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

?真正有效的 AI 視覺(jué)技術(shù)：不穩(wěn)定的平臺(tái)破壞了計(jì)算機(jī)視覺(jué)。PuppyPi 的穩(wěn)定性使其攝像頭能夠提供清晰的視頻流，從而能夠利用 OpenCV 和 MediaPipe 等庫(kù)進(jìn)行可靠的物體跟蹤、人臉檢測(cè)或手勢(shì)控制。

?一款真正的移動(dòng)操作器：可選的機(jī)械臂需要一個(gè)穩(wěn)固的底座才能發(fā)揮作用。這個(gè)平臺(tái)使您能夠真實(shí)地探索移動(dòng)式抓取放置和“取物”等場(chǎng)景。

?精確的測(cè)繪與導(dǎo)航：為 SLAM 系統(tǒng)添加可選的激光雷達(dá)之所以有效，是因?yàn)樵搨鞲衅鞑粫?huì)晃動(dòng)，從而為自主導(dǎo)航項(xiàng)目提供了清晰、精確的地圖。

結(jié)論

其“秘訣”在于整體性的、易于操作的工程設(shè)計(jì)。Hiwonder 小狗積木板憑借其堅(jiān)固耐用、基于反饋的硬件，結(jié)合仿生學(xué)原理，并通過(guò)基于 ROS 的開(kāi)放軟件系統(tǒng)將所有部件整合在一起而取得了成功。

對(duì)于黑客者社區(qū)而言，其價(jià)值顯而易見(jiàn)：這是一個(gè)平臺(tái)，您可以從高級(jí)的 ROS 應(yīng)用程序(導(dǎo)航、視覺(jué))開(kāi)始，然后根據(jù)自己的需求深入探索——甚至可以深入到調(diào)整步態(tài)算法和 IK 參數(shù)等層面。它省去了從零開(kāi)始構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定四足機(jī)器人所需數(shù)年的努力，讓您能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新的應(yīng)用層。

我的下一個(gè)項(xiàng)目是什么呢?利用這個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)平臺(tái)，借助 ROS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種基于視覺(jué)的“跟隨我”的功能，讓小狗電腦能夠在雜亂的環(huán)境中自主追蹤并跟隨一個(gè)人。它所提供的基礎(chǔ)使這樣的雄心勃勃的項(xiàng)目不僅成為可能，而且變得切實(shí)可行。

本文編譯自hackster.io