开发机器人时，如何通过Python控制RobStride电机

与其它类型的软件工程相比，机器人领域的一个显著区别在于硬件和物理世界是开发的核心问题。尽管理解机器人运行所涉及的物理原理和机械结构极为复杂，值得撰写多部专著，但本文的重点将放在RobStride系列电机上，简要介绍如何使用它们，以便在AI热潮推动下开始涉足硬件领域的众多软件工程师，能够借助这些出色的执行器有一个坚实的学习起点。我撰写本文的核心原因在于，我发现目前关于这些电机脚本的文档存在不足(或在某些情况下完全缺失，链接已失效)，因此希望本文能为他人节省时间和麻烦。

那么首先，什么是RobStride电机?这些是现代机器人中使用的一种特定电机系列，例如Seeed Studio ReBot或开源的HuggingFace LeRobot Humanoid。虽然其他小型机器人项目中常见的电机，如SO-ARM101中的Feetech电机，通常为齿轮伺服电机或步进电机，

但RobStride系列电机采用的是准直驱(QDD)执行器，其核心结构为高扭矩无刷直流(BLDC)外转子，搭配行星减速齿轮和双高分辨率磁编码器。换言之，电机内部完全静止不动，而核心机械机构通过电信号控制外部外壳围绕中心平稳旋转，利用磁场力的平滑切换产生旋转效果。

设置

本文中，我将使用RobStride O0电机，因为这是其中一款体积较小、价格较便宜的型号。这类电机需要48伏电压才能正常工作，因此我的示例接线使用了一块小型电动自行车电池，以及从LeRobot Humanoid项目中提取的SavvyCAN USB转CAN FD转换器来为电机供电，并通过Linux笔记本电脑与之通信(其他操作系统可能也能运行，但在我Mac上使用时出现了一些问题，而Linux系统则一切顺利)。

关于接线，电池会提供一根火线和一根地线，分别连接到电机。地线还需要分出两路，分别连接至CAN转换器。转换器本身也有高低电平数据线，需连接到电机。最终，你的接线配置应如下所示：

关于CAN总线终端电阻的硬件说明：CAN总线网络在两端都需要安装120欧姆的终端电阻，以防止信号反射。大多数USB转CAN适配器(例如我所使用的SavvyCAN适配器)默认已启用内置的终端电阻。但是，如果您使用的是不同的CAN接口，并且遇到数据包丢失或帧错误，请检查您的适配器或电机是否需要开启终端电阻。

RobStride 模式

当您首次从包装中取出RobStride电机时，它将默认设置为RobStride私有模式，但同时也支持MIT和CANopen模式。这些模式在数据包的帧结构、反馈触发方式以及电机驱动器上执行的底层循环方面各有不同。

私有模式是一种专有协议，可在初始台架测试时使用，当需要重新配置为默认系统，或计划采用原生的位置/速度曲线命令而非纯扭矩前馈控制时使用。该模式采用29位扩展帧ID。MIT模式则使用11位标准CAN帧格式，专为快速、轻量化的数据包传输而优化。它不采用独立的位置或速度环路，而是提供一种低延迟控制方式，通过一个紧凑的循环同时接收五个参数：目标位置、目标速度、位置刚度、速度阻尼和前馈扭矩。这是LeRobot人形机器人项目及其他机器人项目所使用的默认模式。最后还有CANopen模式，该模式适用于多种现有的工业设备架构，有助于实现多厂商间的互操作性。本文将重点介绍MIT模式。

初步测试

在介绍了RobStride电机系列的一些基本概念之后，现在让我们进入更有趣的部分：实际使用执行器。

在您的 Linux 电脑上，您需要确保已安装 can-utils 软件包，以便与电机进行通信。

安装该工具包后，您应设置 can0 接口使用 1 Mbps 的波特率，并处于“开启”(on)模式。需要注意的是，除非在系统网络配置中保存，否则 Linux 每次重启时都会重置此接口。

接下来，我们开启对实时 CAN 总线的嗅探功能。

由于默认的电机配置为私有模式，ID 为 127，因此我假设您拥有相同的值。如果您已经更改了模式或 ID，则您已具备基础条件，可以跳过本部分直接查看是否有新内容需要了解。

在第二个终端窗口中，尝试向电机发送 ping 命令，查看是否能在嗅探器终端窗口中收到响应。

您应该会收到一个 29 位的响应，其中仲裁 ID(ArbID)为 0x00007FFD，包含一个 64 位的 MCU UID。

如果上述操作成功，说明所有设置均已正确完成，现在可以继续进行后续操作。

发现扫描器

在测试 LeRobot 人形机器人时，我遇到的第一个问题是：用于定位电机并检查其 ID 的脚本仅在私有模式下有效。因此，一旦我切换到 MIT 模式，该电机就会对默认提供的脚本不可见(不过最近我已经重写并发布了这个脚本到代码仓库中，所以如果你正在尝试运行这个项目，现在应该不会再有问题了 :))。此脚本可以帮助你识别连接到设备的任何模式/ID 配置下的电机，以验证其通信是否正常。同时，你也需要确保安装 Python 包 'can'。

更改协议

现在你已经可以找到电机的模式和 ID 信息，接下来就是切换这些模式。假设你当前处于私有模式，可以使用以下脚本来将电机切换为 MIT 模式。需要注意的是，在更改模式以及更改所有 ID 以确保正确存储到电机闪存中时，都需要重新上电(拔掉电源后重新插上)。

结果：

如果你想从 MIT 模式切换回私有模式，可以使用更简单的脚本完成：

结果：

MIT 电机控制(摆动测试)

使用传统伺服电机时，通过高机械阻抗(高刚度)来控制它。你指令设备移动到角度θ，如果前方有障碍物，控制器会增加功率以强行推动其通过。

而采用准直接驱动电机时，低速比齿轮使轴易于反向驱动，这意味着除非被高主动扭矩所抵消，否则外部力可以物理地推压并旋转电机。我们不再强制设定固定位置，而是通过阻抗控制，让电机表现出如同连接在减震器上的虚拟机械弹簧一般的行为。与直接命令硬性位置不同，我们只需告诉电机目标弹簧锚点的位置(p_target)、弹簧的刚度(Kp)以及需要施加的减震量(Kd)。

这可以用以下方程表示：

其中，Kp * (p_target - p_actual) 表示一种虚拟刚度(弹簧)，其作用是根据物理学中的胡克定律向目标方向拉伸;Kd * (v_target - v_actual) 表示一种虚拟阻尼/减震器，用于抵抗速度的快速变化并抑制振荡;而 torque_ff(前馈扭矩)则代表为抵消外部载荷(如重力)所需的基本力，且无需依赖位置误差来建立扭矩。

我们可以利用这些信息，为电机设置自定义的摆动测试，通过设定 p_target(time) = amplitude × sin(angular_frequency × time) 和 v_target(time) = angular_frequency × amplitude × cos(angular_frequency × time)，从而定义运动的形状、幅度和速度。

运行此脚本时，请确保电机处于安全位置或被固定。如果电机尚未归零，它将迅速移动到零位以开始摆动测试。

运行后，您应看到电机先返回零位，然后在-90度至90度之间摆动，最后再次回到零位。

将 MIT 模式电机设置为机械零点(校准)

在之前的代码片段中，你可能已经注意到电机快速跳转到零位。为了避免这种情况，或在新组装的机器人上设置默认的零点，你可以手动将电机的当前位置设为新的零值。这通常是校准机器人时的第一步之一，以便更好地控制设备在运行过程中最大和最小值的设定。

一旦设置了零点位置，你可以根据需要移动电机以记录其上下限，然后运行此脚本返回已校准的零点位置。

读取更多数据

在掌握了运动和配置的核心概念之后，我想重点介绍的最后一项功能是：你可以从电机读取多个数值，用于做出决策，例如当电机开始过热时降低施加的力，以避免烧毁电机;或者了解电机的运动速度，确保其处于安全范围内。

在这个示例中，你可以看到如何在电机运行过程中读取角度、速度、扭矩和温度，并获取其整体健康状态。你可以在ROS2节点中执行这些操作，以触发各种动作。

这应该会输出连续的状态值流，就像我开启状态脚本并手动移动电机中心，在测试期间改变速度和角度值时的这个例子一样。

本文编译自hackster.io