从零搭建双轮腿机器人：动态平衡控制完整指南-优快云博客

从零搭建双轮腿机器人：动态平衡控制完整指南

【免费下载链接】foc-wheel-legged-robot Open source materials for a novel structured legged robot, including mechanical design, electronic design, algorithm simulation, and software development. | 一个新型结构的轮腿机器人开源资料，包含机械设计、电子设计、算法仿真、软件开发等材料项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/fo/foc-wheel-legged-robot

双轮腿机器人作为近年来机器人领域的创新结构，融合了轮式移动的高效性与腿部机构的环境适应性，其核心技术在于动态平衡控制算法与机械结构的精妙配合。本文将系统解析这一开源项目的技术实现路径，从机械设计到算法部署的全流程，并探索其在科研与家庭服务场景的创新应用。

一、技术解析：双轮腿机器人设计的核心架构

1. 如何实现轮腿融合的机械结构设计

双轮腿机器人的机械设计采用模块化架构，主要包含驱动单元、平衡机构和承载框架三部分。SolidWorks设计文件显示，大腿与小腿的连杆结构通过4010电机驱动，配合2804电机控制轮子转向，形成独特的"轮-腿"复合运动系统。关键参数如下：

大腿长度：85mm
小腿长度：110mm
轮径：60mm
髋关节最大旋转角度：±45°

机械零件库包含从电机支架到轴承的完整组件，所有STL文件可直接用于3D打印，显著降低DIY门槛。

2. 动态平衡控制算法的关键实现

项目的核心算法模块采用LQR（线性二次调节器）控制策略，结合PID反馈调节实现动态平衡。MATLAB仿真文件matlab/lqr_k.m定义了系统状态矩阵，通过求解Riccati方程获得最优控制增益：

% 状态反馈增益矩阵
K = [ -1.2500   -0.8750    0.3125    0.1563;
       1.2500    0.8750    0.3125    0.1563 ];

ESP32控制板通过MPU6050获取姿态数据，在esp32-controller/software/src/leg_pos.c中实现实时逆运动学计算，将车身倾角转化为关节角度指令。

3. 软硬件集成的通信协议设计

系统采用分层通信架构：STM32电机驱动板与ESP32主控之间通过CAN总线通信，传输速率达1Mbps；ESP32与Android APP通过蓝牙低功耗（BLE）传输控制指令，延迟控制在50ms以内。关键通信帧格式定义在stm32-foc/software/USER/can.h中：

// CAN消息ID定义
#define CAN_ID_ANGLE_CMD 0x001  // 角度指令
#define CAN_ID_SENSOR_DATA 0x002 // 传感器数据
#define CAN_ID_SYSTEM_STATE 0x003 // 系统状态

二、核心优势：开源项目的差异化竞争力

1. 模块化设计的快速扩展技巧

项目采用插件式架构，各功能模块可独立开发与替换。例如图传模块linux-fpv/包含完整的ffmpeg配置脚本，通过简单修改ffserver.conf即可适配不同分辨率的摄像头：

# 视频流参数配置
Stream "live.mjpg" {
  Format mjpeg
  VideoSize 640x480
  VideoFrameRate 15
  VideoBitRate 500k
}

这种设计使开发者能专注于核心功能创新，而无需重复实现基础组件。

2. 无刷电机FOC控制的高效实现

STM32驱动板采用磁场定向控制（FOC）技术，在stm32-foc/software/USER/FOCMotor.c中实现电流环、速度环、位置环三环控制，电机效率提升至92%以上。FOC算法核心在于 Clarke 变换与 Park 变换，将三相电流转换为旋转坐标系下的直流量进行控制。

3. 跨平台开发的兼容性设计

项目支持多环境开发：STM32代码可在Keil或STM32CubeIDE中编译，ESP32支持Arduino IDE与PlatformIO，Android APP提供Android Studio工程与预编译APK。这种多平台支持极大降低了不同技术背景开发者的入门门槛。

三、实施步骤：双轮腿机器人的搭建流程

1. 机械结构的快速组装指南

核心技术点： 关键部件的公差控制

3D打印所有塑料件（推荐使用PLA+材料，层厚0.2mm）
按solidworks/总装.SLDASM装配顺序组装机械结构
重点调整髋关节轴承预紧力，确保转动顺畅无间隙
安装电机时使用定位销保证同轴度

🛠️ 组装提示：关节电机支架与大腿连接件建议使用M3×8mm螺丝，并添加螺纹胶防止松动。

2. 控制系统的烧录与调试

核心技术点： 传感器校准与PID参数整定

烧录STM32驱动固件：

# 通过ST-Link烧录
openocd -f interface/stlink.cfg -f target/stm32f1x.cfg -c "program output/foc.bin 0x08000000 verify reset exit"

校准MPU6050传感器：
- 保持机器人水平放置
- 发送AT指令AT+CALIB=IMU
- 等待3秒完成校准

调整平衡PID参数（位于esp32-controller/software/src/PID.c）：

// 平衡环PID参数
PID_Params balance_pid = {
  .kp = 8.5f,
  .ki = 0.12f,
  .kd = 0.08f,
  .imax = 100.0f
};

3. 系统联调与性能优化

核心技术点： 动态响应优化

启动顺序：先接通STM32驱动板电源，再启动ESP32主控
使用Android APP进行基础功能测试：
- 检查关节运动范围
- 测试前进/后退/转向功能
- 验证急停响应时间（应<100ms）
性能优化方向：
- 通过debug.h启用数据日志功能
- 分析esp32-controller/software/src/debug.c输出的姿态数据
- 调整leg_spd.c中的速度前馈系数

四、创新应用：开源项目的拓展场景

1. 教育科研实验平台的搭建

该机器人可改造为自动控制原理教学实验平台，学生可通过修改matlab/sys_sim.slx中的控制参数，直观观察系统动态响应变化。推荐实验项目：

阶跃响应测试（修改sys_calc.m中的输入信号）
抗干扰性能实验（添加不同频率的扰动信号）
控制算法对比（实现PID与LQR控制效果对比）

系统支持ROS接口扩展，可通过linux-fpv/python/ctrl-proxy.py将传感器数据发布为ROS话题，便于进行更高级的控制算法研究。

2. 家庭服务机器人的改造方案

通过扩展以下模块，可将项目改造为简易家庭服务机器人：

加装超声波传感器（HC-SR04）实现避障，连接至ESP32的GPIO14/15引脚
在android/app/src/main/java/com/中扩展APP功能，添加语音控制界面
利用linux-fpv模块实现人脸识别，结合OpenCV进行简单的环境交互

改造后的机器人可完成自主导航、物品递送等基础服务任务，硬件成本增加不超过200元。

3. 灾后救援侦查机器人的应用

项目的机械结构特性使其特别适合崎岖地形侦查：

轮腿复合结构可跨越15cm高度障碍物
跌落缓冲设计（leg_pos.c中的冲击吸收算法）可承受0.5m高度跌落
可选配的图传模块支持100米范围内实时影像传输

通过增加气体传感器模块，可用于灾后有毒气体检测，为救援决策提供关键数据支持。

结语

FOC双轮腿机器人项目展示了开源硬件的强大创新潜力，其模块化设计与详尽文档降低了复杂机器人系统的入门门槛。无论是教育实验、家庭服务还是科研探索，这个项目都提供了坚实的技术基础。随着社区贡献的增加，我们期待看到更多创新应用场景的实现！

🔧 开源地址：项目完整代码与文档可通过以下命令获取：

git clone https://gitcode.com/gh_mirrors/fo/foc-wheel-legged-robot

欢迎加入项目Discord社区，与全球开发者共同优化这一令人兴奋的机器人平台！

创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考