从机器人的身体理解它的行为

Microduck 为什么能够站立、转向和行走？答案不是某一个零件，而是一条完整链路：机械结构规定可动方式，电机施加力，传感器测量状态，计算机运行控制器，供电与通信让所有部分持续协作。

本科生导读 · 从可见部件走向完整系统

1 · 身体与关节：什么能够运动？

机器人的躯干、头部、大腿、小腿和脚可以看作一组刚体。刚体内部的点彼此距离不变；关节则规定两个刚体之间允许怎样相对运动。Microduck 的腿是一条运动链：髋关节运动会带动它下方的大腿、小腿和脚，膝关节只带动小腿和脚。

一个关节角并不能单独说明脚在哪里。脚的位置取决于它上游所有关节角、连杆长度以及坐标系定义。所谓正向运动学，就是从已知关节角逐级计算末端位置。三维页面演示的是这种几何关系；它不计算重力、碰撞或平衡。

以二维的单根连杆为例，长度为 L，转角为 q，末端相对关节的位置是 x=L cos(q)、y=L sin(q)。真实腿有多个三维关节，因此要连续组合多个旋转和平移，但基本思想相同。

检查理解髋关节转动时，为什么脚也会动？因为脚位于髋关节的下游，而不是因为脚自己接到了同一条命令。

舵机把电机、齿轮、位置传感器和底层控制器组合在一起。上层软件发送目标位置；舵机反复比较目标位置与实测位置，并调节电流。齿轮提高可用转矩，但也带来摩擦、间隙、速度限制和温升。

多个舵机可以共享一条通信总线。每个舵机有地址，因此计算机能够发送目标并读取位置、速度或状态。共享总线减少布线，却意味着带宽、更新顺序和通信错误会影响整台机器人。

策略通常以较低频率产生关节目标；舵机内部的位置环以更高频率追踪目标。策略决定“下一步想要什么姿态”，底层环决定“怎样驱动电机接近该姿态”。仿真若把电机假设得过快或过强，训练出的动作就可能无法在实体机上复现。

检查理解发送 20° 目标并不保证电机立即到达 20°。负载、电压、速度上限、通信延迟和保护限制都会改变实际响应。

关节编码器测量关节位置，并可由连续读数估计速度。惯性测量单元（IMU）通常包含陀螺仪和加速度计：陀螺仪测量角速度，加速度计测量包括重力影响在内的比力。控制器可以把重力方向投影到机身坐标系，用它判断身体是否倾斜。

每个观测都必须带着三个问题阅读：它在哪个坐标系中？单位是什么？对应哪个时刻？传感器噪声、偏置、安装误差与时间延迟都会让读数偏离理想值。滤波可以降低噪声，但也会增加延迟。

机器人没有直接测量“我是否稳定”的传感器。控制器只能把 IMU、关节状态和历史动作组合起来估计当前情况。摄像头可以提供图像，但本课程的行走策略并不因此自动使用视觉。

检查理解同一个三维向量若分别用世界坐标系和机身坐标系表示，三个数字通常不同；使用前必须确认坐标系。

板载计算机负责读取观测、构造神经网络输入、执行策略、缩放输出、检查安全条件并发送关节目标。三维装配模型显示 Raspberry Pi Zero 2 W，但这只说明所选模型版本；不同实体版本可能使用不同计算平台。

若控制频率是 50 Hz，每一轮只有 20 ms。读取传感器、预处理、神经网络推理、安全检查和通信都必须在下一截止时间前完成。平均速度足够快还不够；偶发的长延迟也会破坏节奏。因此应记录每轮延迟分布与超时，而不是只报告平均值。

检查理解模型文件能够加载，只能证明格式兼容；还必须验证输入顺序、归一化、输出顺序、运行频率和数值范围。

电池向计算机、传感器和舵机供能。行走时多个关节可能同时需要峰值电流，电压会随电量、内阻和负载变化。若电压下降，电机响应可能变慢，计算机也可能重启。电池状态因此会影响“相同命令”是否产生相同行为。

接口不仅是插头，还包括电压范围、信号协议、地址、单位、刷新率和故障处理规则。安全设计应限制关节目标变化和允许范围，监测通信、姿态、电流与温度，并保留人可控制的停止方式。

运动是整条链路的结果：结构约束运动，电机产生力，传感器提供不完美的测量，计算机按时做决定，供电决定可用能力。任何一层发生变化，都可能改变最终步态。