機器狗是怎麼動起來的?這個up主花三個月自製硬核「機器人心臟...

2020-12-07 36kr

編者按：本文來自微信公眾號「大數據文摘」（ID:BigDataDigest），作者：牛婉楊，36氪經授權發布。

還記得今年3月火遍b站的技術宅稚暉君嗎？他的一則自製迷你電視的視頻在b站有著397萬的播放量，更是超越眾多二次元視頻榮登全站排行榜第5名。

為什麼這則視頻這麼火？因為這個電視相當「硬核」，內行外行看了都覺得厲害的那種。

其實這是個長成電視模樣的迷你Linux電腦，連個滑鼠就能用！而且它還集人臉識別、語音助手等AI技術於一體，可以檢測到人臉，還能用語音喚醒，充當一個迷你的語音助手。

稚暉君，一位自稱野生鋼鐵俠的AI算法工程師，他自己也做過不少機器人項目。前不久，他帶著新的作品來了，他自製了一款FOC（Field-Oriented Control）驅動器。

這塊驅動器的厲害之處就在於，是稚暉君獨自一人耗時三個月製成，軟硬體通通由他一人開發。而且這塊驅動器有「機器人心臟」之稱，就連業界在製作機器人的時候也常會用到此方法來做驅動，比如MIT Mini Cheetah四足機器人的驅動單元中就用到了FOC製作的基礎部件。

不僅如此，這塊驅動器還被稚暉君稱為「全能開發板」，除了應用在機器人領域，還能用來模擬各種物理效果！

話不多說，一起來看看。

驅動器變身全功能開發板，理論上能承載「機械外骨骼」

稚暉君表示，這個驅動器可以驅動市面上幾乎所有類型的無刷電機，而且可以添加很多自定義功能。

這就是驅動器的全貌~ 帶有CAN、USB、I2C等通信接口，單路最大驅動電流超過100A。除此之外，還有一塊小小的OLED屏幕，解析度為128x80。

迷你版雙通道無刷電機驅動器

這塊板子能幹嘛呢？它可以同時驅動兩個無刷電機和兩個舵機。有點難懂？來看下面的例子。

比如通過控制電機1（下方），電機0（上方）也能隨之驅動：

上面這個是最基礎的，稍微調整一下，還可以變成單向驅動的棘輪。如下圖所示，電機0可以跟隨電機1在順時針方向同步旋轉，而電機0卻無法逆時針迴轉，它只能做單向間歇運動。

看了這麼多，那這兩個電機有什麼用途？接下來就要展示這個板子最酷的成果了——模擬機器人零件之間的協作，展示一下機器人是怎麼動起來的。

現在這兩個電機彼此之間是沒有感應的，也就是說，當其中一方受到阻力，另一方是不知道的，顯然這樣是做不成機器人的。所以需要做一些調整，讓其中一方感受到力的反饋。

於是，稚暉君又在固件裡面新建了一個用戶APP，把電機1的位置同步到電機0，同時把電機0的力矩縮小5倍之後同步給電機1。從下圖中可以看到，電機1收到電機0的反饋後能明顯感到阻力~

所謂的機械戰甲、機械外骨骼就是人用肢體動作控制機器人外殼做出一模一樣的動作。看到稚暉君展示的效果，是不是覺得有內味兒了~

稚暉君做了這樣一個驅動器，明顯是要搞事情啊！沒錯，這塊板子就是稚暉君為後面的一個機器人項目準備的零件之一，這塊板子將作為「機器人的心臟」。他之前還開發了一款夸克核心版，將作為這個機器人項目的「大腦」。

左手「心臟」，右手「大腦」

讓我們小小的期待一下稚暉君的這個機器人項目吧~

話說回來，再看看稚暉君是怎麼做成這塊板子的吧。

花費三個月，經歷數次失敗，終於做出這塊「機器人的心臟」

稚暉君感嘆道，這是他在所有設計中，做的最曲折的一塊板子，花了將近3個月的時間。因為這個是電流達到幾十安的大功率器件，焊好的板子不能有一點bug，否則就廢掉了。

稚暉君做廢的板子~

一次次的失敗也讓稚暉君感到十分沮喪，但他並沒有放棄，經過軟硬體幾十次的修復，終於成功的做出了這款FOC矢量控制驅動器~

稚暉君表示，這款驅動器的硬體設計參考了VESC和ODrive，在此基礎上他進行了一些改進，也添加了很多功能。改進後的板子長這樣👇

迷你版雙通道無刷電機驅動器

別看板子這麼小，接口可真不少，帶有CAN、USB、I2C等通信接口，單路最大驅動電流超過100A。除此之外，還有一塊小小的OLED屏幕，解析度為128x80。

最重要的是，這款驅動器還帶有兩路可配置的PWM輸出，也就是說這個板子可以同時驅動兩個無刷電機和兩個舵機。

這塊板子只是稚暉君的其中一種設計，他還設計了一種分立疊板式的驅動器。分立式設計的好處就是可以把控制電路和驅動電路分離，如果想換成更大功率的電機，替換下面的驅動電路的可以了。

但他也表示，自己還是喜歡第一種的一體式設計。

除了機器人領域，這塊驅動器還可以用來模擬各種物理效果

稚暉君稱，這款驅動器的電路設計其實不算很複雜，其核心在於FOC算法和固件代碼的實現。

FOC（Field-Oriented Control），直譯是磁場定向控制，也被稱作矢量控制（VC，Vector Control），是目前無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）高效控制的最優方法之一。FOC旨在通過精確地控制磁場大小與方向，使得電機的運動轉矩平穩、噪聲小、效率高，並且具有高速的動態響應。

FOC算法可以對無刷電機進行力矩、速度和位置三個閉環控制，FOC驅動器可以驅動無刷電機在極地的轉速下保持力矩，而且超高轉速也完全能hold住。這也是無刷電機被廣泛用於機器人項目的重要原因。

更多關於FOC算法以及相關理論實現，可以在稚暉君的博客看到👇

http://pengzhihui.xyz/2020/07/02/foc/#more

最後，再來感受一下稚暉君口中的這塊「全能驅動器」。之所以全能，是因為除了機器人領域，力矩控制還可以用來模擬各種物理效果。

比如，可以將這個無刷電機模擬成各種旋鈕的效果！

可以把它調整為帶彈簧的旋鈕：

如果設置一定的阻尼，彈簧就可以這樣慢慢回彈：

還能變成多檔開關的效果：

最後，還可以讓它放飛自我：

看到這裡，有沒有覺得很酷呢~

在視頻最後，稚暉君表示在這個「機器人心臟」上還有一個腦洞，文摘菌也小小的期待一下，下期視頻見~

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