【天才设计】华为天才少年稚晖君自制电脑配件——硬萌机器人

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+ m6 _& r2 l  H5 N! W  N失踪人口回归了！华为「天才少年」稚晖君这次带来了一个又萌又硬的桌面小机器人ElectronBot。

. r/ x7 Z5 C0 n9 w还记得上次那个「全栈自研」的给葡萄缝针的钢铁侠机械臂Dummy吗？

近3个月没更的华为「天才少年」稚晖君带着他的最新视频来了！
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虽然跳票了一段时间，但他还是来了。网友纷纷表示：「失踪人口回归」。

3 k) j' X  o/ w. ?3 I. A) g这次的项目叫ElectronBot，是个支线项目。稚晖君表示，整体难度不高。

不如先看看整体效果如何？
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「电子」机器人如何造？
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在开始项目之前，稚晖君简单介绍了一下选择这个项目的动机。他戏称：「这是一个捡到一个鼠标垫，想配一台电脑的故事。」

9 {$ }& T6 O- d4 I4 g0 Z6 @众所周知，稚晖君热衷于收集各式各样的「屏幕」。这次，他不知道从哪搞来了一块圆形的LCD屏幕。

灵光乍现，稚晖君的DNA动了。
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简单的手表、挂件已经满足不了他了。他打算做一个新颖的、「又萌又硬」的机器人。
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他的灵感一部分来自于早些年很火的「Anki Vector」、丰田推出的对话机器人「Kirobo Mini」、索尼曾经推出的音乐蛋「Rolly」，还有外形酷似阿童木的迷你机器人「Robi」等等。

但是稚晖君却表示，这些机器人功能太单一，扩展性和开放性还不强。
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1 d5 f* B* A8 I+ e' f% O- b% S他打算自己设计一台桌面型的迷你机器人。
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9 q. A5 y/ J1 q上述的迷你机器人，受限于体积等因素，本身计算能力并不强。并且想要实现稍微智能点的交互，还得依赖手机的芯片。稚晖君锐评：「不够优雅，也不够实用。」

他想设计一款无需充电、随时待机、有强大计算能力的机器人。

他想到了一个办法，就是把这台机器人设计成一台电脑的配件。那么就可以获得电脑上的应用程序、拥有其强大的算力、还能时刻连着USB充着电。
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3 A; N) E% H- W+ C1 [4 L1 O2 ^有这等好事，机器人听了都直点头。
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' O0 r: c: o6 Z3 N因为LCD屏幕是圆形的，一台圆润可爱科幻风的机器人原型就新鲜出炉了。
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稚晖君表示，这是他第一次尝试用T-Spline曲面建模。成品机器人双臂可动，有两个自由度，身体和头部各有一个自由度。

而且稚晖君这人能处，有6个舵机他真塞。这可不简单，机身这么小，稚晖君想了很多有创意的传动方案。
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0 o$ Z# F# q7 t4 Z$ F' g7 F他希望机器人的手臂可以同时前后和左右旋转，而手臂的位置不足以塞下一个舵机，因此只能把舵机都装到肚子里去。

同时，稚晖君还希望手臂的两个角度可以进行反驱，所以弹簧扭簧这种东西就只能pass了。

4 E. L) l* @& {9 [: t8 Q/ g! }为了解决在狭小的机身中把动力从舵机传递到手臂，还要能实现动力双向传递的问题，他设计了一种独特的结构。
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手臂前后的运动由一个舵机通过齿轮啮合进行传动，而另一个正交方向的运动，则由另一个舵机，通过T型推杆进行传动。
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这机器人别看小，肚子里一点空间都没浪费，被稚晖君塞的满满的。真是强迫症的福音啊。

而机器人的底座则使用铝CNC进行加工。

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下一步，就该到电路设计环节了。
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稚晖君使用了Cortex-M4内核MCU——STM32F4。用于驱动屏幕和控制舵机以及USB通信。
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' H" _+ V3 T) c) |, r7 M$ ?; }由于芯片本身的USB功能只支持全速或是低速的USB，稚晖君在电路上添加了高速的USB-PHY芯片，成功将理论通信速率提高到了400Mbps。而最后实际的最高通信速率也有300Mbps。

这个速度远高于UART、I^{2}C、SPI等短总线。这也给后续的软件开发提供了更多可能性。
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& ~/ f! o' r, m# K% D主控板的设计相对就比较简单了，两层PCB就搞定了。这样体积就做到了最小，和屏幕的面积保持了一致。


, c% X' G& J# F' S机器人的身体内部也有一个传感器的板子，包括一个摄像头，还有一个红外手势传感器。
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还有一块驱动板。因为市面上的舵机只能接收pwm信号，进行角度控制。


这就有问题了。
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1 V( |& R5 M% s2 h9 ~6 _+ z, H在这种情况下我们只能发送指令，让舵机运动，却不能接收指令，从而知道它的运动状态。同时，想要让舵机进行反驱，就必须能让舵机随时进行输出力矩的切换。


2 q3 ?  A+ g" N, H传统舵机虽然做不到这一点，却难不倒心灵手巧智商高的稚晖君。他对市面上的传统3g舵机魔改了一通，设计了一个迷你的舵机驱动器。
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( M  E/ q1 Z" p/ M* o这个小驱动器支持I^{2}C总线通信，PID闭环控制，位置回传，还能设置最大的输出力矩，断电储存参数等等。


$ o/ F  u  T1 U4 E! U7 b- r' M2 b这样一来，原本6个普普通通的舵机，被稚晖君巧手一点，就成了6个热乎乎的智能舵机。
/ o# A; H, c" |' F( C; {  e+ @6 `到这里，所有的硬件该有的都有了，也就该组装了。

看完稚晖君的组装过程，小编不得不感叹一句，谁说理工男是直男，只是他没对你细腻而已。
整个组装过程一般人真搞不定。
5 B! y) p1 `7 M- J9 I! p稚晖君给自己设计的小机器人起名叫Electron（电子）。Electron通过USB线和计算机相连，作为计算机的配件。
; f3 D: N3 Z8 c. l. Z$ H& [* V- A( X换句话说，机器人叫「电子」，那通过USB连接的计算机就是「电子」的「脑子」，简称...
! v8 [+ \' M6 r1 U2 g/ o/ y; o& G「电脑」！？
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如果只是将其当成一个播放器的话，这个机器人和之前提到的那些没有太大区别。
4 _# i8 A) a! g毕竟，稚晖君设计它的初心就是想把它作为一个工具机器人兼电脑配件，让其能发挥一些更加实用的功能。
他给电子开发了一套完整的、多层次的开放SDK。
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最上层是Electron Studio，属于纯图形化的交互。
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如果想用自己写的程序控制电子的话，稚晖君还提供了Electron Player库。只通过及其简单的代码，便可链接和控制机器人，还可以设置播放内容。


如果还想以更硬核的方式进行二次开发，稚晖君还提供了更底层的Electron LowLevel库。

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对此，稚晖君还做了一个范例，通过调节机器人右手实现控制电脑音量和亮度。
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利用机器人机身搭载的摄像头和红外手持传感器，开发了通过AI算法识别手势的程序。
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当摆出不同手势类型，就可以打开预先设定好的程序，或者切换桌面。
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! R! \! S  W+ i/ L( v' G最有意思的一个应用是，稚晖君基于OpenPose开发了一个程序，用于单目的人体关键点检测。
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0 v7 u# d% n& U: j- @+ @9 H1 o如果有2台机器人的话，就可以视频了，而且你还可以通过手势控制机器人运动。

稚晖君还给这个应用起了一个特别的名字「量子纠缠」。
  D" {& n! W; T最后，稚晖君还顺便给电子做了一个收纳盒，太精巧了。

代码开源
8 g+ i- }( e" Z3 d, G' V视频末，稚晖君附上了软硬件开源地址：
https://github.com/peng-zhihui/ElectronBot
3 Y8 E* S" U+ s- \/ a0 M才刚刚发布没几个小时，都已经有90个star，还有6个fork了。
1 G2 c+ ^3 }. l3 \2 G) l" i不得不说，天才少年的实力太强了。

具体使用说明，稚晖君表示自己会稍晚点补充，先补个觉。

包括此前他做的可以自动驾驶的自行车、机器臂等等，每个项目都会耗费很大精力，再加上稚晖君也有自己的本职工作。