通常来说，四足机器人的价格都是万元起跳。
即便是消费级的四足机器人，虽然价格稍有亲民，但基本上也是万元左右徘徊。
不过，最近国外有位网友玩出了新花样，他尝试用全新的结构方式，自己动手打造了一款高性价比的开源机器狗。
那么，这位网友到底是如何设计并制作出这款开源机器狗的呢？
接下来，和机器人大讲堂一起来一探究竟！
▍结构与驱动设计
受BreakingTaps的滚动接触接头视频和Aaed Musa的绞盘驱动视频启发，该网友在设计四足机器狗时选择了滚动接触关节和绞盘驱动结构。
模仿真实生物关节工作方式的滚动接触关节设计，在机器人领域中并不常见。它摒弃了传统轴承的固定旋转点，而是在旋转中心不断变化的表面上滚动。这种设计增加了肌腱在相同角度变化时需要移动的长度，从而提供了机械优势。这种优势使得机器狗在运动时能够更加流畅、自然。
绞盘驱动之所以被选用，是因为它与滚动接触关节形成了完美匹配，两者均借助绳索来模拟真实生物体的肌腱与关节构造。绞盘驱动机制使得机器狗能够灵活地正向或反向驱动其关节。具体而言，绞盘通过绳索与滚动接触关节紧密相连，通过精准调控绞盘的旋转方向与速度，可以实现对关节动作的高精度控制。这一设计不仅大幅提升了机器狗的运动灵活性，更为其执行复杂动作奠定了坚实基础。
▍动力方案选择
在动力选择方面，大多数自制开源四足机器人使用的是无刷电机、步进电机或伺服电机。
步进电机价格高、效率低且力重比不理想；伺服电机则噪音大、易损耗，且当扭矩需求较高时同样不便宜。无刷直流电机虽具备高效能和大功率，但价格极为高昂，并需配备复杂的高级电路进行控制。
具体而言，单个关节的电机成本在40至100美元之间，而如O驱动等电机控制器的费用更是高达90至250美元。由于无刷直流电机并非位置电机，若需实现旋转角度的精确控制和保持，还需依赖非开源的复杂控制器。考虑到每条腿通常配备三到四个电机，且每个电机均需独立控制器，因此，单条腿的成本至少约为500美元，这极大拉高了四足机器人的制作成本。
对此，这位网友为了控制成本，选择了便宜的直流电机搭配行星齿轮组作为替代方案。
直流电机价格实惠（在阿里巴巴上约16-18美元每个），通过简单施加电压即可驱动旋转。尽管它们在效率和位置精度上不及无刷直流电机、步进电机或伺服电机，但与行星齿轮箱和PID控制结合后，成为了一种高性价比的折中选择。
为实现角度瞄准和控制，网友采用了结合Arduino Pro Mini、电位计和电机控制器的定制电路板，形成闭环控制系统，实现持续调整电机功率以精确达到并保持目标角度。这种方法虽听起来复杂，但实际操作较无刷直流电机更为简便。
值得一提的是，网友设计的机器狗每个关节均独立配备了控制器板，实现了各自的PID循环控制及角度定位。这些控制器板由24V电源供电，同时为保证稳定性，在I2c通信失效时，板子能自动进入安全模式。电源与信号传输方面，采用双连接器I2c总线串联各板，虽Arduino由独立电源供电，但保留5v线路以便未来扩展I2c设备。鉴于I2c通信距离限制，设计中加入了增强芯片以确保长达4米的稳定通信。
目前，除了已深入设计的膝关节外，髋关节、髋屈肌关节及踝关节的开发也在同步推进。其中，髋关节将沿用膝关节的电路板设计，而髋屈肌关节与踝关节则采用适应其复杂结构的定制板，功能保持一致。
网友已通过JLCPBC预组装服务测试了两版电路板，成本效益显著：第一版5块板仅花费28美元，第二版为30美元。预计整个机器狗构建需8块此类板及8块另一种风格的板，总成本约120美元，远低于采用O驱动时每电机80美元的成本。
▍脚部、髋关节和踝关节设计
脚部设计是机器狗行走稳定性和抓地力的关键。
在这款开源机器狗中，网友以精确模拟犬类脚部的关节运动范围和位置为目标，致力于设计出高度仿真、功能完备的（大型）犬类脚部模型。
为实现这一目标，网友设定了以下组装需求：确保脚趾能独立活动；踝关节能灵活前后滚动，并具备一定的左右运动能力，以应对地形变化和髋部角度的调整；设计可拆卸的TPU 3D打印脚趾豆，便于磨损后更换，并提升抓地力；同时，在合适位置安装传感器（瞬时按钮），用于感知地面接触情况。
在设计过程中，网友从狗在沙滩上的脚印图片出发，通过精细描摹和拉伸，获得了精确的狗脚印形状。脚趾通过3D打印的柔顺机构式弹簧与脚相连，实现前后弯曲。考虑到实际应用中的耐用性，计划用TPU绑带替换弹簧，以避免拉伸或断裂。
连接脚趾的黄色条是3D打印的板簧，通过调整其弯曲点的厚度和半径，可以精确调控弹簧刚度和运动范围。脚趾上的弹簧设计用于向地面施加力，而踝关节两侧的板簧则用于限制球关节的左右运动。为了增加左右运动范围，网友计划调整这些弹簧的半径，同时保持其端点位置不变。此外，还考虑用僵硬的橡皮筋取代踝关节前方的板簧，以保持球关节的完整性。
在爪子与脚趾的连接方式上，网友通过平行板簧挠曲来实现连接，这样可以使爪子偏转，延长TPU脚趾与地面的接触时间。同时，在平行板簧之间放置瞬时按钮，将爪子延伸得比脚趾更低，从而利用爪子作为柔顺的地面接触传感器。另一种地面接触传感方案是将按钮放置在脚趾和脚跟内部，并利用柔性的TPU覆盖层来按压按钮。
经过不断的尝试和调整，网友已经打印出了PLA材质的脚和TPU材质的脚趾垫。虽然脚的外观和活动方式都符合预期，但仍存在一些问题需要解决。例如，脚趾过于灵活，无法向地面施加足够的力量。为了解决这个问题，网友计划使用更大的弹簧，并重新定位弹簧安装点。
在髋关节的设计上，网友经过深思熟虑后，决定采用标准的卷筒驱动方式，并增加了一个额外的电机来实现左右运动。这种设计方式既简洁又实用，能够满足犬类行走和保持平衡的需求。
而在踝关节的设计上，网友选择了基本的轴承关节与卷筒驱动方式。虽然滚动接触关节在某些情况下可能更适合小型机器人安装，但由于其运动方式与真实狗踝关节的解剖运动不匹配，因此并未采用。
▍膝关节运动、I2C 和代码测试
在项目的推进过程中，网友遇到了诸多挑战。例如，I2c通信问题、电位器校准难题以及电机控制器的调试等多个方面。
在测试过程中，网友发现I2c通信存在不稳定的情况。经过反复排查和调试，最终发现是通信线路布局不合理导致的。通过优化线路布局和增加通信稳定性措施，成功地解决了这个问题。
电位器校准难题也是一个比较棘手的问题。由于电位器的精度和稳定性对机器狗的运动控制至关重要，因此网友花费了大量时间和精力进行校准和测试。通过反复尝试和不断优化校准方法，最终实现了对电位器的精确校准和稳定控制。
电机控制器的调试也是一个重要的环节。由于直流电机的性能受多种因素影响，如电压、电流、负载等，因此需要对电机控制器进行精细的调试。通过反复测试和调整控制参数，网友成功地实现了对电机的精确控制和稳定运行。
目前，机器狗的膝关节电机控制器和PID算法表现良好，已经展现出了强大的承重能力和稳定的运动性能，初步测试显示其提升能力远超预期。
未来，网友将继续对机器狗进行测试和优化，以进一步提高其性能和稳定性。