一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意（文字版，可直接配合制圖）

1. 分層控制總體架構(gòu)

Bolt 采用典型的“非實(shí)時(shí)計(jì)算 + 實(shí)時(shí)控制 + 功率執(zhí)行”分層設(shè)計(jì)，其核心思想是：
Linux 側(cè)負(fù)責(zé)算法與系統(tǒng)調(diào)度，MCU 側(cè)負(fù)責(zé)確定性實(shí)時(shí)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)高頻閉環(huán)。

結(jié)構(gòu)層級(jí)說(shuō)明如下：

• ROS2 算法與應(yīng)用層

• 遙操作（Teleop）

• 步態(tài)規(guī)劃（Gait Planning）

• 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)（IK Solver）

• 環(huán)境與定位傳感節(jié)點(diǎn)（氣體、溫濕度、氧氣、VOC、IMU、相機(jī)、雷達(dá)等）

• 數(shù)據(jù)回傳與監(jiān)控

• 高層控制層：Raspberry Pi

• 運(yùn)行 ROS2 Humble

• 計(jì)算足端軌跡與關(guān)節(jié)目標(biāo)（角度/速度）

• 傳感器數(shù)據(jù)融合

• 無(wú)線通信與遠(yuǎn)程控制

• 不直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，僅輸出結(jié)構(gòu)化運(yùn)動(dòng)指令

• 實(shí)時(shí)控制層：Teensy 4.1

• 固定頻率執(zhí)行控制循環(huán)

• 接收關(guān)節(jié)目標(biāo)并施加安全約束

• 統(tǒng)一管理 12 個(gè)關(guān)節(jié)的控制邏輯

• 通過(guò) CAN 總線與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通信

• 電機(jī)控制層：MKS ODrive Mini

• BLDC FOC 控制

• 電流/速度/位置閉環(huán)

• 編碼器反饋

• 多軸并行、確定性執(zhí)行

• 執(zhí)行機(jī)構(gòu)層

• 12 × BLDC 電機(jī)

• 9:1 減速箱

• 四條腿，每腿三自由度（Abduction / Hip / Knee）

2. 模塊化載荷與任務(wù)閉環(huán)

Bolt 并非單一運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，而是“移動(dòng)偵察系統(tǒng)”：

• 機(jī)動(dòng)能力：由四足結(jié)構(gòu) + 實(shí)時(shí)控制保障穩(wěn)定站立、行走與跨障。

• 信息采集：ROS2 傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)發(fā)布?xì)怏w濃度、環(huán)境參數(shù)、視覺/深度等數(shù)據(jù)。

• 決策支持：操作端可實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在異常情況下觸發(fā)告警或停機(jī)。

二、實(shí)時(shí)控制代碼核心解析（Teensy 側(cè)）

Bolt 的 Teensy 程序是整個(gè)系統(tǒng)的“實(shí)時(shí)中樞”。其設(shè)計(jì)重點(diǎn)不在于復(fù)雜算法，而在于 穩(wěn)定、可控、易擴(kuò)展。

1. 模塊化對(duì)象設(shè)計(jì)

代碼在初始化階段即完成關(guān)鍵功能模塊的封裝：

• CAN 與 ODrive 控制對(duì)象
  統(tǒng)一管理 12 個(gè)電機(jī)軸，通過(guò) CAN 總線發(fā)送位置/模式指令。

• 遙控接收模塊（RC Receiver）
  將多通道 PWM 信號(hào)映射為行走、轉(zhuǎn)向、模式切換等控制輸入。

• LCD 本地交互模塊
  提供模式選擇、校準(zhǔn)提示與狀態(tài)確認(rèn)，避免誤操作。

• 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊（IK）
  根據(jù)腿部幾何參數(shù)，將足端 (x, y, z) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度。

工程意義：
Teensy 主循環(huán)只做調(diào)度與安全控制，而非混雜通信、UI 與數(shù)學(xué)計(jì)算，結(jié)構(gòu)清晰，便于后期維護(hù)。

2. 標(biāo)定數(shù)據(jù)：offset 與 dir 的關(guān)鍵作用

每條腿、每個(gè)關(guān)節(jié)都存在機(jī)械與裝配差異。代碼通過(guò)兩組數(shù)組解決這一現(xiàn)實(shí)問題：

• offset（關(guān)節(jié)零位偏置）

• 將理論關(guān)節(jié)角對(duì)齊到實(shí)際機(jī)械零位。

• 不同腿、不同關(guān)節(jié)可獨(dú)立配置。

• dir（方向系數(shù) ±1）

• 統(tǒng)一不同電機(jī)安裝方向?qū)е碌恼?fù)號(hào)差異。

• 確保“同一動(dòng)作指令”在四條腿上語(yǔ)義一致。

結(jié)論：
這兩張表是四足機(jī)器人“能否穩(wěn)定站起來(lái)”的關(guān)鍵，比算法本身更重要。

3. 從足端坐標(biāo)到電機(jī)位置：核心控制鏈

實(shí)時(shí)控制的核心邏輯可概括為四步：

1. 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算
   輸入足端坐標(biāo)，得到每個(gè)關(guān)節(jié)的理論角度（deg）。

2. 零位與方向修正
   使用 offset 與 dir 將理論角度映射到實(shí)際機(jī)械坐標(biāo)系。

3. 單位換算

• 角度 → 轉(zhuǎn)數(shù)

• 乘以減速比（9:1）

• 得到電機(jī)軸的目標(biāo)位置

4. 下發(fā)至 ODrive

• 每條腿 3 個(gè)軸

• 總計(jì) 12 軸并行更新

這種設(shè)計(jì)使得：

• 上層算法只關(guān)心“腿往哪放”；

• 下層驅(qū)動(dòng)只關(guān)心“電機(jī)轉(zhuǎn)多少”。

4. 步態(tài)生成方式：關(guān)鍵幀序列法

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)采用 足端關(guān)鍵幀 + 時(shí)間延遲 的方式生成步態(tài)：

• 抬腳 → 前擺 → 落腳 → 重心轉(zhuǎn)移

• 通過(guò)多次調(diào)用位置更新函數(shù)并插入延時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)律

• 支持前進(jìn)、后退、左右平移與組合動(dòng)作

工程評(píng)價(jià)：

• 優(yōu)點(diǎn)：

• 邏輯直觀

• 便于調(diào)試與標(biāo)定

• 適合原型驗(yàn)證階段

• 局限：

• 依賴延時(shí)函數(shù)，占用主循環(huán)

• 難以擴(kuò)展到高速或復(fù)雜地形

5. 遙控與狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)：面向真實(shí)場(chǎng)景的安全邏輯

程序并未直接“通電即動(dòng)”，而是引入明確的狀態(tài)機(jī)：

• 待機(jī)狀態(tài)：僅顯示信息，不使能電機(jī)

• 模式選擇：通過(guò)遙控通道切換功能

• 確認(rèn)機(jī)制：短按切換、長(zhǎng)按確認(rèn)

• 分腿校準(zhǔn)：每次只校準(zhǔn)一條腿，降低風(fēng)險(xiǎn)

這種設(shè)計(jì)顯著降低了在狹小空間或調(diào)試階段的誤操作風(fēng)險(xiǎn)，是工程化實(shí)現(xiàn)的重要體現(xiàn)。

6. Teleop（遙操作）模式的初始化邏輯

在進(jìn)入行走前，程序會(huì)：

1. 依次使能 12 個(gè)電機(jī)軸

2. 統(tǒng)一配置控制模式（位置/速度環(huán)）

3. 按關(guān)節(jié)類型設(shè)置參數(shù)（而非逐軸單獨(dú)調(diào)參）

4. 進(jìn)入持續(xù)遙控循環(huán)，根據(jù)搖桿實(shí)時(shí)觸發(fā)步態(tài)

這種“集中初始化 + 統(tǒng)一參數(shù)模板”的方式，大幅提升了系統(tǒng)一致性和可維護(hù)性。

三、工程總結(jié)

Bolt 的價(jià)值并不只在于“四足會(huì)走”，而在于其 清晰的系統(tǒng)分層、務(wù)實(shí)的實(shí)時(shí)控制策略以及面向真實(shí)應(yīng)用的安全設(shè)計(jì)：

• Raspberry Pi 專注算法與通信

• Teensy 專注確定性控制

• ODrive 專注高性能電機(jī)閉環(huán)

• 標(biāo)定與狀態(tài)機(jī)保障系統(tǒng)可控

這一架構(gòu)為后續(xù)引入力控、更高級(jí)步態(tài)規(guī)劃或?qū)W習(xí)算法打下了扎實(shí)基礎(chǔ)，也具備向工業(yè)級(jí)應(yīng)用演進(jìn)的潛力。