你是否曾看到機器人狗移動時，心里想著：“它很酷，但……有點僵硬呢?” 那么你就會看到希沃德小狗機器人。它就與眾不同。它不僅緩慢移動，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。在這樣一個桌面大小的平臺上，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：這是怎么做到的?是什么機制讓這一切成為可能?

仔細研究這個項目(無論是從比喻意義上還是從實際操作意義上進行研究，包括查閱相關(guān)文檔)，我發(fā)現(xiàn)并沒有什么神奇的秘訣。其奧秘在于硬件、機械設(shè)計和軟件的完美結(jié)合——所有這些都易于獲取，并且是為動手操作而設(shè)計的。以下是我從制造者的角度所做的分析。

肌肉：并非是那種僅供愛好者使用的伺服裝置

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

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

他們進行回應(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)控制對于穩(wěn)定性至關(guān)重要;該系統(tǒng)能夠?qū)崟r進行微調(diào)，確保每條腿都能達到精確的目標角度，每一步也都精準無誤。

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驗案例等。

骨架：優(yōu)雅的力傳遞

這些伺服電機提供動力，但腿部的連接結(jié)構(gòu)才是將簡單的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成優(yōu)雅的多軸運動的關(guān)鍵。這是一個由相互連接的桿件構(gòu)成的極其簡潔的系統(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動軌跡——平穩(wěn)的抬起、向前推動以及落腳。這種運動方式比原始的類似活塞的上下運動要節(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”機器人提供了強大的起跳力，以增強其靈活性，并且形成了一個穩(wěn)定的底座，能夠在轉(zhuǎn)彎和應(yīng)對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)造樂趣真正開始的地方。硬件奠定了基礎(chǔ)，但運行著 ROS(機器人操作系統(tǒng))的樹莓派以及軟件算法則使其真正“活”了起來。

?逆運動學(xué)(IK)——真正的“關(guān)鍵秘訣”：你不會手動設(shè)定八個伺服電機的角度來邁出一步。相反，你使用高級指令。向逆運動學(xué)求解器下達指令：“將這只腳向前移動 5 厘米，并向上移動 2 厘米。”它會立即計算出該條腿中所有三個伺服電機的精確角度，從而實現(xiàn)這一動作。這種抽象方式對于開發(fā)工作非常有用。

?在 ROS 環(huán)境中實現(xiàn)動態(tài)步態(tài)生成：在行走過程中，系統(tǒng)會實時使用此 IK 引擎來協(xié)調(diào)四條腿的動作。步態(tài)規(guī)劃器(一個 ROS 節(jié)點)會持續(xù)計算著地模式，以在移動或轉(zhuǎn)彎時保持平衡。想要實現(xiàn)自定義步態(tài)或調(diào)整小跑速度?您只需使用這些高級規(guī)劃器即可，而無需費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、逆運動學(xué)求解器、伺服驅(qū)動器以及傳感器輸入(攝像頭、激光雷達)都能通過 ROS 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫通信。這種模塊化設(shè)計堪稱開發(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準且詳盡的流程。

見證協(xié)同效應(yīng)的展現(xiàn)：

當您通過控制器或自定義代碼發(fā)出“向左轉(zhuǎn)”的指令時：

?ROS 步態(tài)規(guī)劃節(jié)點會調(diào)整腳步落點模式。

?IK 解算器每秒會為所有腿部重新計算數(shù)十次運動軌跡。

?精確的指令被傳送到智能伺服裝置上。

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

?伺服反饋信號會返回確認信息，從而形成閉環(huán)。

為何這對你所負責的項目至關(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€實用的原型開發(fā)平臺。

?真正有效的 AI 視覺技術(shù)：不穩(wěn)定的平臺破壞了計算機視覺。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 等庫進行可靠的物體跟蹤、人臉檢測或手勢控制。

?一款真正的移動操作器：可選的機械臂需要一個穩(wěn)固的底座才能發(fā)揮作用。這個平臺使您能夠真實地探索移動式抓取放置和“取物”等場景。

?精確的測繪與導(dǎo)航：為 SLAM 系統(tǒng)添加可選的激光雷達之所以有效，是因為該傳感器不會晃動，從而為自主導(dǎo)航項目提供了清晰、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。Hiwonder 小狗積木板憑借其堅固耐用、基于反饋的硬件，結(jié)合仿生學(xué)原理，并通過基于 ROS 的開放軟件系統(tǒng)將所有部件整合在一起而取得了成功。

對于黑客者社區(qū)而言，其價值顯而易見：這是一個平臺，您可以從高級的 ROS 應(yīng)用程序(導(dǎo)航、視覺)開始，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。它省去了從零開始構(gòu)建一個穩(wěn)定四足機器人所需數(shù)年的努力，讓您能夠?qū)Ｗ⒂趧?chuàng)新的應(yīng)用層。

我的下一個項目是什么呢?利用這個穩(wěn)定的基礎(chǔ)平臺，借助 ROS 技術(shù)實現(xiàn)一種基于視覺的“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人。它所提供的基礎(chǔ)使這樣的雄心勃勃的項目不僅成為可能，而且變得切實可行。

本文編譯自hackster.io