兩個(gè)大學(xué)生打造的四足機(jī)器貓，STM32、樹(shù)莓派等核心硬件平臺(tái)大公開(kāi)

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介紹
SmallKat 是伍斯特理工學(xué)院的兩位學(xué)生（Keion Bisland 和 Xavier Little）在 Kevin Harrington 編寫(xiě)的框架代碼下設(shè)計(jì)和制作的四足機(jī)器貓平臺(tái)，它采用 3D 打印，是一種低成本、開(kāi)源的 16 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。該平臺(tái)的目的是為了教育 / 研究提供一個(gè)完全開(kāi)源的四足運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，它同時(shí)面向高端玩具市場(chǎng)。和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品相比，該平臺(tái)使用業(yè)余的伺服系統(tǒng)和普通的電子器件，可以使得它的整體價(jià)格維持在一個(gè)非常低的水平上。
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SmallKat 有三種尺寸：微型、小型和 XL。其中，微型尺寸最小，重約一磅，和一只小貓咪的大小相當(dāng)，重量相近。小型版本是目前提供的產(chǎn)品，它有兩種不同的實(shí)現(xiàn)方案。XL 版本則是一個(gè)研究性的平臺(tái)，它是伍斯特理工學(xué)院 MQP 項(xiàng)目的產(chǎn)物。

詳細(xì)信息
在簡(jiǎn)單版本的解決方案中，該電子平臺(tái)構(gòu)建在單個(gè) ESP32 系統(tǒng)級(jí)芯片上，搭載了 16 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)開(kāi)關(guān)模式的去電池電路和一個(gè) BNO055 慣性測(cè)量單元。該平臺(tái)使用了現(xiàn)成的零部件和印刷組件，所以很容易組裝。它使用 EPS32 芯片內(nèi)置的 WiFi 模塊上傳傳感器數(shù)據(jù)并下傳伺服位置信息。這種在線配置方式使得它非常容易開(kāi)發(fā)，因?yàn)榭梢詮母浇?PC 上運(yùn)行運(yùn)動(dòng)學(xué) / 步行步態(tài)編碼。它的運(yùn)動(dòng)學(xué)模式可以即時(shí)切換，步行步態(tài) / 身體的控制也很容易靈活控制，無(wú)需重新啟動(dòng) SmallKats 上的控制器，從而支持快速開(kāi)發(fā)。一旦算法最終確定了，我們將把它發(fā)布到 Git 上，它就可以加載第二種離線方式的配置，從而在其硬件的強(qiáng)實(shí)時(shí)循環(huán)中運(yùn)行。該簡(jiǎn)單版本平臺(tái)的缺點(diǎn)是，它要求房間里的 WiFi 信號(hào)必須保持穩(wěn)定。

第二種高級(jí)解決方案使用與 Wifi 版本相同的控制代碼，除此之外，它還會(huì)加載一個(gè)內(nèi)核，并在機(jī)器人板載的樹(shù)莓派上運(yùn)行它。該配置使用 STM32 連接到 BNO055 慣性測(cè)量單元和伺服驅(qū)動(dòng)器上，并通過(guò) HID 將它們直接橋接到板載樹(shù)莓派上。這種解決方案的第一個(gè)版本使用了 Teensy，但是我們希望可以提供完全開(kāi)源的軟件棧，所以切換到了自己開(kāi)發(fā)的 STM32 板子上。相比于上文的簡(jiǎn)單版解決方案，第二種方案更加昂貴，在整個(gè)開(kāi)發(fā)循環(huán)中，需要將代碼推送到 git 服務(wù)器上，并重新啟動(dòng)機(jī)器人控制軟件棧以加載新的代碼。這些權(quán)衡表明，研究人員可能同時(shí)需要這兩種解決方案，所以我們提供了兩種版本。此外，玩具市場(chǎng)只對(duì)完全獨(dú)立的電子產(chǎn)品感興趣，因?yàn)樗恍枰浇?PC 機(jī)來(lái)啟動(dòng)就能運(yùn)行。

這個(gè)機(jī)器貓有個(gè)有趣的防摔倒功能。慣性測(cè)量單元會(huì)生成一個(gè)重力矢量，可以用它進(jìn)行計(jì)算，以判斷 SmallKat 是否翻倒。當(dāng)它偏離軸線到了一定程度，平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器將旋轉(zhuǎn)頭部和尾部以施加反科里奧利力，從而預(yù)防它摔倒。
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