四足开发实战（一）：需求与总体方案——先定需求，再买电机
四足开发实战（一）：需求与总体方案——先定需求，再买电机
在确定需求之前，不应贸然采购 12 个关节模组。实际开发中常见的一类失误是照搬某个开源项目的采购清单，先行购入 12 个电机，随后在结构尚未画完时就发现模组尺寸大于预期、腿部无法容纳；勉强装配后实测扭矩仍不足，最终整套方案推倒重来，一万余元的投入变成难以转售的零件。问题出在第一步：需求尚未确定，电机已经先买了。这正是本系列第一篇只讨论“需求”的原因。
网络上的四足机器人资料大多处于两个极端：一端只讨论理论（雅可比、MPC、PPO），阅读后仍不清楚第一颗螺丝应安装在何处；另一端只提供代码，某个仓库可以运行，更换机器后却难以复用。本系列取中间路径：按照“制作一台能够行走的教学四足”的真实流程，从需求、机械、选型、电子、固件、建模、控制，一直写到联调测试，每篇对应一个阶段，读完即可照做。这套文章是作者对一年半开发过程的复盘：项目从零推进到 trot 步态约耗时一年半，实际遇到的问题远多于文中呈现的部分，因此每篇都按“目标、前置输入、操作步骤、验收标准、常见问题”的顺序组织。理论部分只保留结论与一句理由，推导放到《机器狗访谈》系列（四足机器人控制理论（公式推导汇总）），本篇专注于实现方法。
为使后续各篇拥有统一的参照，整个系列围绕一套 Go1 级参考设计展开：12 自由度、12 kg、站高 0.40 m。这套参数属于【示例值】，并非标准答案，但前后自洽：扭矩、电池、总线、结构均按此核算，照此执行即可走通；修改其中任意一个数值，后续章节都会说明哪些部分需要同步调整。这些数字彼此关联：12 kg 决定关节扭矩需求位于 20 N·m 级（选型篇将完整核算），0.40 m 站高决定 0.22 m 的腿长（机械篇），6S 电池决定电机转速上限（电源篇），达妙 DM-MC02 加两条 RS485 决定 1 kHz 的指令节奏（电子篇与固件篇）。
| 项目 | 参考值 |
|---|---|
| 整机质量 | 12 kg（含电池） |
| 站立高度 | 0.40 m |
| 机身 | 0.42 × 0.20 × 0.12 m |
| 大腿 / 小腿 | 0.22 m / 0.22 m |
| 自由度 | 12（髋 roll + 髋 pitch + 膝） |
| 关节 | 宇树 GO-M8010-6（对比 IM6014） |
| 电池 | 6S 22.2 V 8000 mAh 25C |
| 主控 | 达妙 DM-MC02（STM32H723） |
| 总线 | RS485 ×2，4 Mbps，每路 6 关节，1 kHz |
| 上位机 | x86 迷你主机（i7 + RTX 4060） |
| 仿真 | MuJoCo 3.x |
目标性能随参考设计确定：平地步速 1.0~1.5 m/s，续航 40~60 分钟，能够通过 10°~15° 的坡道与 0.10~0.12 m 的台阶。1.5 m/s 这一数值并非随意选取：trot 步频为 2~3 Hz 时，对应步长在 0.5~0.75 m，0.22 m 的腿长完全够用；继续提升至 3 m/s 时，步频需超过 3 Hz、步长接近极限，冲击与电机转速同时逼近上限，一旦失稳即可能整机受损。全套（不含上位机）成本约为 1.5~2.5 万元（以实际采购为准），其中 12 个模组占 1.1~1.8 万元，为主要部分，这也是选型须放在采购电机之前而非之后的原因。
工期方面同样应给出预期，以避免第一周就期望整机运行。按每周 10~15 小时的投入估算：需求与方案 1~2 周，机械 3~6 周，电机与电源 1~2 周，电子 2~3 周，固件 4~8 周，建模与仿真 2~4 周，控制 6~12 周，联调测试 4~8 周，合计 9~18 个月。本系列即按此顺序组织：先求稳定，再求速度，顺序本身也是经验的一部分。
flowchart LR |
六项指标如何确定，放大后代价如何
需求书有一条明确的验收标准：表中每个数值都应当能够回答“为什么是这个值”与“改大会怎样”，无法回答即为缺少依据。四足机器人的核心指标共六项，每项均存在下限（低于该值则无意义）与上限（高于该值则代价陡增）：
| 指标 | 参考值 | 低于这个没意义 | 高于这个代价陡增 | 主要代价 |
|---|---|---|---|---|
| 整机质量（含电池） | 12 kg | 8 kg | 20 kg | 关节扭矩、成本、安全性 |
| 站立高度 | 0.40 m | 0.30 m | 0.55 m | 腿长、惯量、刚度 |
| 最大速度（trot） | 1.5 m/s | 1.0 m/s | 3.0 m/s | 步频、冲击、电机转速 |
| 续航（1 m/s 匀速） | 45 min | 30 min | 90 min | 电池质量、发热 |
| 越障（台阶 / 坡度） | 0.12 m / 15° | 0.08 m / 10° | 0.20 m / 25° | 腿长、功率、控制 |
| 额定负载 | 1.5 kg | 0.5 kg | 5 kg | 扭矩、结构强度 |
以下逐项说明取值依据。质量选 12 kg，是因为教学机优先保证“稳定行走、跌落损失可控”；8 kg 级更安全，但负载与越障能力均需压缩；15~20 kg 级可搭载激光雷达与算力，但电机需提升一档，成本非线性上升，12 kg 属于较均衡的区间。站高 0.40 m 由 0.12 m 的越障需求反推，机械篇将详述。续航 45 分钟对应明确的调试节奏：运行 20 分钟暴露问题，剩余 25 分钟用于回传日志、更换电池、复现一次，恰好支撑一个完整的“发现—记录—复现”循环；更长的续航只会增加电池质量。负载 1.5 kg 可覆盖大部分传感器与机械臂任务，5 kg 级别则需要重新评估整条动力链。此外还有两项软性指标：噪声低于 75 dB（距机 1 m 处测量）、整机预算约 2 万元。噪声并非难以解释，它直接由减速器与步态决定，选型篇会将其作为硬约束使用。
六项指标中最具决定性的是质量，因为它可直接推导出关节扭矩。下面给出两分钟的粗略估算，选型篇会将其精确到每一牛米：12 kg 的机器在 trot 对角支撑下，单腿承重约为体重的一半，F = 12 × 9.8 / 2 ≈ 59 N；当足端落点在髋关节前方 0.03 m 处时，髋关节静态扭矩约为 1.8 N·m、膝关节约为 3 N·m，数值较小。真正的需求全部来自动态过程：落地冲击将静态值放大 3~5 倍，15° 上坡再为膝关节增加 5~8 N·m，摆动腿加速所需的惯量还需髋关节额外提供 6 N·m，合并后膝关节的峰值需求落在 20 N·m 级。这就是参考设计中“峰值需求 20 N·m 级”的来源，它对应 GO-M8010-6 的 23.7 N·m，预留约 20% 余量；而 14 kg 会将需求推至 23 N·m 级，恰好贴近上限。质量增加两公斤，电机即需提升一档；反之，电机该档位的价格决定了整机质量的上限。
指标之间的耦合关系
初次接触时最容易被忽略的是指标之间的耦合，以下三条关系链分别对应一类常见问题。
第一条是质量决定扭矩，扭矩决定成本。关节峰值扭矩大致正比于“整机质量 × 腿长 × 动态系数”：质量从 12 kg 增加到 14 kg，静态扭矩需求上升 17%，但影响并未结束，惯量增大还会加剧落地冲击，实际需要预留 25%~30% 的余量，这些余量最终转化为更贵的电机与更重的减速器，反过来又增加质量。以参考设计核算：12 kg 对应的峰值需求在 20 N·m 级，增加到 14 kg 即推至 23 N·m 级，恰好压在 GO-M8010-6 峰值 23.7 N·m 的边界上。因此 12 kg 并非凭空设定，而是贴近 23.7 N·m 这一数值；增加两公斤质量，实际上是把方案推向更高的成本区间。
第二条是速度决定带宽。速度等于步长乘以步频，步频提高后，关节转速、总线帧率、控制带宽均需同步提高；达到一定程度后，4 Mbps 的 RS485 总线会先达到承载上限（电子篇会核算这一笔账）。速度并非只是“跑快一点”，它会连带影响整个通信架构。
第三条是续航决定电池，电池决定质量。续航约等于电池能量除以平均功率；电池容量增加 30%，质量增加 0.3~0.5 kg，扭矩需求随之上升。教学机不应追求过长续航，45 分钟已足够，需要的不是更大的电池，而是更快的换电池速度。
三条关系链归结为一条经验：先确定质量与站高，其余指标都是这两个量的函数。确定这两个值后，后续选型才能得到唯一解。
从需求到整机架构
需求确定后，整机的基本形态即可明确。自上而下分为三层：上位机、主控、关节模组。上位机是机身内的 x86 迷你主机（i7 + RTX 4060），运行感知、路径规划与 RL 策略推理，10~50 Hz 即可满足，因为决策环节对频率要求不高；主控是达妙 DM-MC02（STM32H723VGT6，550 MHz，双精度 FPU），运行状态估计、步态相位、MPC/WBC 与保护判断，1 kHz 的周期不可缺失；12 个关节模组内部自带 FOC 电流环，在 20 kHz 下自行闭环，主控仅负责下发指令与接收反馈。
| 层 | 频率 | 跑什么 |
|---|---|---|
| 关节模组内部 | 20 kHz | FOC 电流环、编码器采样、过流保护 |
| 主控控制环 | 1 kHz | 状态估计、步态相位、MPC/WBC、保护判断 |
| 关节指令 | 1 kHz | RS485 下发指令帧、收反馈帧 |
| 上位机 | 10~50 Hz | 感知、路径、RL 策略推理 |
flowchart TB |
上述频率口径全文统一，后续不再更改：控制环 1 kHz，状态估计 200~500 Hz，电池 6S 全程 19.8~25.2 V。主控不直接承担 FOC 的原因在于：12 路 20 kHz 电流环集中在一个 MCU 上，功率线与编码器线均需拉回主控，布线、EMI、实时性都会显著恶化。宇树模组已将 FOC 集成在关节内部，主控仅下发“力矩、速度、位置、kp、kd”五个量，这是本系列默认的架构，也是整机能在半年内运行起来的原因。
这里有一处流传较广的易错点，需要在此澄清：宇树电机采用 RS485，而非 CAN。网络上所说的“CAN 8 字节 MIT 帧”是达妙、CubeMars 等驱动器的做法；宇树官方电机协议为 4 Mbps 的 RS485 串行帧（17 字节命令 + 16 字节反馈，CRC16-CCITT），所谓“CAN 转 485 模块”仅完成物理层转接。因此本方案采用两条 RS485、每路 6 个关节、1 kHz 下发，负载约 50%，余量充足；12 个关节共用一条总线时负载会达到 99%，并非合理选择。为何不用 CAN、带宽如何计算，选型篇与电子篇会详细说明。
其余为五个关键决策，每个均给出“何时需要调整”的判据：执行器采用准直驱 QDD 路线（6.33:1 行星减速，力控带宽高、背驱性好，仅在重载高精度场景下改为高减速比谐波）；关节电机在 GO-M8010-6 与 IM6014 之间二选一，第三篇将以参数为依据；主控选择 DM-MC02 而非自行搭建 H743 开发板，因其板载两路 10 Mbps RS485 与三路 FDCAN，已解决最繁重的部分；控制采用传统控制与强化学习双主线，先用可解释的 MPC/WBC 走稳，再引入 RL 实现上层策略；最后是结构与仿真：机身碳板加腿部 3D 打印，在“刚度与迭代速度”之间取得平衡，仿真选用 MuJoCo，因其轻量、快速且足以验真，强化学习训练再转用 Isaac，第九、十篇会详细说明。每个决策背后的完整理由，均会在对应篇章中展开。
上位机选用 x86 迷你主机而非 Jetson，原因如下：本方案采用的雷神迷你主机为 i7 + RTX 4060，显存 8 GB（TODO(实测确认)）。该配置足以满足感知与 RL 推理，但不足以运行 Isaac Sim 训练；训练应由另一台 16 GB 显存的机器或云端完成，部署机仅负责推理。判据只有一条：推理依赖低延迟，训练依赖显存，两台机器分工比一台全能机更经济。这一判断在第十篇 RL 部分会再次出现，届时将发现它几乎决定了是否应当购置独立显卡。
采购之前，先完成四项低成本实验
在批量采购 12 个电机之前，应先以数百元成本完成四项实验，全部通过后再进行批量采购：
- 单电机台架：通过 USB 转 485 发送位置与力矩阶跃，测量温升，通过标准为位置跟踪误差小于 2°、连续 10 分钟温升小于 40 K；
- 单腿样件：打印一条腿并手动加载，用千分表测量末端位移，额定负载下变形小于 2 mm、回差小于 1° 方为合格；
- 单腿仿真：在 MuJoCo 中导入 URDF 并与实测足端位置对比，三组姿态误差小于 5 mm；
- 电源台架：以限流电源加电子负载测量 12 关节堵转电流，母线压降小于 1 V、线缆温升小于 30 K。
实验之外，风险清单应提前明确。电机供货与涨价属于概率中等、影响最高的风险，对策是锁定两家货源、先采购一个进行验证再批量采购；烧毁主控与关节可通过限流电源、防反接、TVS 与“上电前测短路”降低概率；结构断裂可通过打印件加筋、关键件采用碳板，并增加一次软垫跌落测试提前暴露；调试摔损几乎必然发生，因此备件中应常备一条小腿、四个足端、一个模组；伤人的概率虽低但后果不可接受，急停、限速、场地隔离缺一不可。最后是进度拖延，属于最普遍也最隐蔽的风险，对策只有一条：每周固定进行 demo，以可见的进展对冲难以察觉的心态消耗。
这四项实验分别验证电机、结构、模型、电源四个方面，任何一项未通过，批量采购的费用即可节省。工具方面需准备万用表、0~30 V 限流电源、USB 转 RS485 模块（需 4 Mbps 级）、压线钳与电子秤；场地需 3 × 3 m 平整地面加 1 m 缓冲，防护绳与急停开关自第一次通电起就应置于手边。安全方面需强调：12 kg 的机器在 1 m/s 速度下撞击人体足以造成骨折，第一次上电必须限流，第一次落地必须使用防护绳，锂电池不穿刺、不短路、充电时须有人值守。
本篇的产出是一张 12 行的需求书：质量、站高、腿长、速度、续航、越障、负载、关节峰值扭矩、关节最大转速、电池规格、总线拓扑、预算。可将该表复制下来，逐格填写数值与依据，找不到出处的内容标注 TODO(实测)，不应虚构。
| 项 | 你的值 | 依据 |
|---|---|---|
| 整机质量 | ___ kg | 负载 + 电池 + 结构估算 |
| 站立高度 | ___ m | 越障需求反推 |
| 大腿 / 小腿 | ___ / ___ m | 工作空间 |
| 最大速度 | ___ m/s | 使用场景 |
| 续航 | ___ min | 电池容量 |
| 越障 | ___ m / ___ ° | 使用场景 |
| 负载 | ___ kg | 使用场景 |
| 关节峰值扭矩需求 | ___ N·m | 第 3 篇公式 |
| 关节最大转速需求 | ___ rad/s | 第 3 篇公式 |
| 电池 | ___ S / ___ mAh / ___ C | 第 4 篇公式 |
| 总线拓扑 | ___ 路 / ___ Hz | 带宽计算 |
| 预算 | ___ 元 | 采购表 |
需求书并非完成后即固定不变的文档，而是持续更新的文档：后续每章算出一个新数值就回填一格，出现不符时应先修改需求再修改硬件。缺乏依据的指标有一种典型后果：站高定为 0.5 m、腿长取到上限、电机提升一档、预算翻倍，而实际使用场景仅需通过 5 cm 的门槛。这张表会一直沿用至第十二篇，后续每章都在为它补充数值。需求确定后，下一篇才进入机械设计。下一篇将讨论机械部分：一条腿的三个长度如何确定、方盒模组如何安装，以及一道决定腿部软硬程度的悬臂梁计算，见四足开发实战（二）：机械篇——一条腿的设计与刚度。
