写在最前

最早看到这个项目已经是大半年前了，一直蠢蠢欲动，直到八月份看了这篇推送——用树莓派 DIY 波士顿机器狗，帮你省下 50 万：教程开源，人人皆可上手，才真正下定决心——做一个自己的机器狗。

这次选择的硬件方案是 来自 Nahuel Taibo 的 modifications v2.1；参考的软件方案是来自 来自 mike4192 的 spotMicro。

需要的材料清单：

  • 树莓派/stm32 控制器
  • 一台 3D 打印机/直接购买 3D 打印服务
  • PDI-HV5523MG 舵机 × 12（当时一次性下单 12 个，被店家追着问了不少，现在商品图上好像已经加上“机器人专用”了）
  • 法兰球轴承 F625ZZ × 8
  • M3 螺丝（各种长度）
  • 2S/3S 电池
  • 5V 降压电路（LM2596/MP2482）
  • PCA9685 舵机驱动板
  • LCD 显示器（可选）
  • 防滑贴/减震垫（可选）
  • 迷你路由器（可选）

本文包括树莓派上手、电路设计、3D 打印、SpotMicro 功能复现，希望对你有帮助。

3D 打印与组装

机器狗的机械结构部分参考了 来自 Nahuel Taibo 的 modifications v2.1，作者主要是修改了几个连接，加了身体的强度。在 Gitlab 逛逛会发现这个社区里有很多爱好者在分享自己的经验，“Open Source, Open Mind”。

下载到所有零件的 STL 文件后，只要自己切片一下就可以开始打了。原版是黄黑配色，这次做的是黑白的，可以提前在 KeyShot 里渲染一下，看看效果图选颜色。整个打印工作从 Nov.20th 开始，断断续续一直到 Dec.6th 基本完成，期间走了不少弯路，关于调平、支撑、翘边之类的，下次整理整理。

组装任务相对就简单了，基本就是各种长度的 M3 螺丝。需要注意的是舵机安装的时候要上电确认一下关节活动空间，这时候如果有一个带旋钮的舵机测试板会很有帮助。

电路设计

电路部分，主要就是降压稳压的功能，需要注意的问题是树莓派要求的功率不小，用普通的 5V1A 适配器供电时都会提示供电不足。这次的电路拓扑图如下：

电路拓扑图

关于为什么功率电路和控制器芯片不用同一个降压模块，解释是：主要是电机是一个感性的负载，电机在转动的时候会有反向冲击感应电动势，这对于 mcu 芯片来说是绝对不行的。 来自：请教个树莓派的供电问题

树莓派

树莓派是一个基于 Linux 的单片机电脑，可玩性很高，这次将使用树莓派 3B 作为机器狗控制器。

初次上手，先玩了玩树莓派官方推荐的 Raspbian 系统。（这一步也可以跳过）

参考教程 如何给树莓派安装操作系统 以及 树莓派系列教程 1：人生若只如初见。在 官网 下载 NOOBS 离线安装版，可以先下种子，方便加速。启动后会显示 NOOBS 的界面，进行系统安装。

Raspbian 系统可以安装 xrdp 服务，在局域网下使用 Win10 的“远程桌面连接”访问。注意在远程桌面模式好像不能关机，只能在命令行里输入sudo poweroff来安全关机。

由于 mike4192 的这个仓库 是建立在 Linux 上的 ROS Kinetic 环境中的，所以要从官方的树莓派专用系统 Raspbian 转到支持 ROS 的 Ubuntu 系统。预安装了 ROS 的镜像可以在 ubiquity robotics 找到，然后使用 Etcher 工具直接将镜像写入 SD 卡就可以启动了。

系统搞定之后就是git clone以及 ROS 编译。注意编译的时候要把 I2C 驱动板连上，否则会提示error: ‘i2c_smbus_read_byte_data’ was not declared in this scope

舵机校准

连接好所有供电以及树莓派和驱动板之间的 I2C 线缆后，可以感受到狗狗已经跃跃欲试了。接下来一步是舵机校准，这里可以参考作者给出的“servo_calibration.md”文件，找个平台把狗夹起来，调整每一个舵机的偏移量，完成一个“servo_calibration_spreadsheet.ods”表格，把数据写入配置文件，完成。 nano ~/catkin_ws/src/spot_micro_motion_cmd/config/spot_micro_motion_cmd.yaml

功能复现

到此安装完成，可以开始动了，具体操作直接看作者代码注释就好。

需要注意直接rosrun可能会找不到可执行文件，因为脚本是 Python 写的，这时候需要chmod +x给一下权限。

这里简单汇总一下常用命令：

# 启动驱动板
rosrun i2cpwm_board i2cpwm_board
# 舵机控制
rosrun servo_move_keyboard servoMoveKeyboard.py
# 修改配置文件
nano ~/catkin_ws/src/spot_micro_motion_cmd/config/spot_micro_motion_cmd.yaml
# 机器人进程
roslaunch spot_micro_motion_cmd spot_micro_motion_cmd.launch
# 遥控
rosrun spot_micro_keyboard_command spotMicroKeyboardMove.py

改进与提升

原作者模型中的足底也是直接用的打印件，测试之后发现效果一般，后来找到一种防滑贴，裁剪改造了一下，效果不错。

之前的调试一直都是在室内局域网下完成的，为了扩展一下场景，让狗跑得更自由，可以在身上背一个迷你路由器。这次选的是一款能用 USB 供电的路由器，只要绑定一下树莓派的 MAC 地址和 IP，连接到局域网的设备就都能 SSH 访问它了。路由器和树莓派可以用有线连接，这样树莓派的无线网卡可以同时连接到互联网，互不冲突。

受限于舵机性能，这只四足机器狗可能更偏玩具属性，但确实激发了自己对四足的兴趣。

其他一些参考资料：

逆运动学参考论文：Sen, Muhammed Arif & Bakircioglu, Veli & Kalyoncu, Mete. (2017). Inverse Kinematic Analysis Of A Quadruped Robot. International Journal of Scientific & Technology Research. 6.

Spot Micro AI 社区：https://gitlab.com/custom_robots/spotmicroai

四足机器人的变革与机遇——宇树科技：https://www.bilibili.com/video/BV1BV411h7MZ

菠萝狗–一个低成本大型全套四足机器人软硬件开源项目：https://github.com/ToanTech/py-apple-quadruped-robot