499元，米兔積木機(jī)器人，十八般武藝樣樣精通，今天我們深度解密米兔積木機(jī)器人的黑科技，堪稱性價(jià)比界的珠峰。

01

多MCU集群操作系統(tǒng)

美國在1969年使用主頻為2.048MHz,內(nèi)存2K的計(jì)算機(jī)完成了阿波羅登月，很期待現(xiàn)在的小朋友使用32Mb存儲(chǔ)器+最快108Mhz的五個(gè)MCU集群系統(tǒng)的米兔積木機(jī)器人能完成什么？多MCU集群操作系統(tǒng)，就好像帶神經(jīng)環(huán)的蚯蚓一樣砍斷了就得到了兩條蚯蚓，每個(gè)部分都能單獨(dú)工作，放到一起也能配合工作。這種機(jī)器人專屬操作系統(tǒng)充分調(diào)用了硬件的計(jì)算資源，比針對PC的OS要快很多倍。生活在計(jì)算資源被PC操作系統(tǒng)大量浪費(fèi)的今天，多MCU集群操作系統(tǒng)可謂米兔積木機(jī)器人第一黑科技。

02

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)反射

今天我就用可以好好說的話和大家聊一下人工智能的基礎(chǔ)——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在的大部分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者計(jì)算機(jī)內(nèi)部架構(gòu)就好像工廠里面的機(jī)器一樣，都是使用一種很死板的規(guī)則去工作的，工廠里面所有的機(jī)器都要按照事先約定好的規(guī)則去和其他機(jī)器配合工作。這種按部就班的規(guī)范可以很好的規(guī)定每個(gè)機(jī)器的工作方式和工作內(nèi)容，千篇一律不會(huì)出任何差錯(cuò)，這看起來很美好，但是除了出現(xiàn)機(jī)械故障以外是不可能出現(xiàn)任何驚喜的。

而如果把剛剛描述的機(jī)器模型換成我們?nèi)祟?#xff0c;工人雖然也會(huì)按照一定的規(guī)范去工作也會(huì)相互配合，但是在工作中你總會(huì)出現(xiàn)各種異常的驚喜，某個(gè)工人改進(jìn)了工作流程或者某個(gè)工人減少了工位數(shù)量。這就是我們?nèi)祟惡蜋C(jī)器的相比最大的區(qū)別，智能。而機(jī)器人研究工作所追求的就是人工智能。讓機(jī)器人能夠在工作中出現(xiàn)驚喜。

為了達(dá)到仿生的目的，我們需要對人類的神經(jīng)系統(tǒng)做暴力拆機(jī)報(bào)告，(因過程太過血腥，這里被系統(tǒng)強(qiáng)制略去3000字。)得到的結(jié)論是，我們的思維載體是一個(gè)一個(gè)單獨(dú)工作的特殊細(xì)胞——神經(jīng)元，每個(gè)神經(jīng)元都單獨(dú)工作，又相互影響通訊配合工作，最有意義的是每個(gè)神經(jīng)元都是可以自學(xué)習(xí)的，它會(huì)因?yàn)榄h(huán)境的變化而去簡單的改變自身的反應(yīng)，一個(gè)細(xì)胞邏輯當(dāng)然會(huì)很簡單。數(shù)以百萬計(jì)的這樣的神經(jīng)元集中在一起就形成了集體智慧。對這種神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的仿生研究就被叫做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。同樣，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代人工智能的基礎(chǔ)。從理論上講只要我們能夠像神經(jīng)元一樣制造這樣一個(gè)單細(xì)胞的設(shè)備并且把足夠多的這樣的設(shè)備連接在一起就出現(xiàn)了集體智慧，也就是咱們本文的重點(diǎn)，人工智能。

米兔機(jī)器人上使用的操作系統(tǒng)就是我們著力在打造的多CPU配合的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，主板上每個(gè)CPU都在或這樣或那樣的獨(dú)立工作，而其間信息傳輸有自學(xué)習(xí)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，雖然這樣還不足以得到集體智慧，但是控制米兔積木機(jī)器人這個(gè)級別的設(shè)備已經(jīng)是完全足夠了。當(dāng)然這也是我們在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中邁出的一小步，我們可以科幻一點(diǎn)去想象當(dāng)我們的硬件成本足以支持上百萬這樣的cpu密度的計(jì)算的時(shí)候我們相信類似魚群效應(yīng)的那種集體智慧就會(huì)出現(xiàn)，進(jìn)而自我意識(shí)，進(jìn)而宗教信仰，進(jìn)而攻擊人類……

下面咱們再聊一下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)反射的概念，大家可能都知道(或者先假定你知道)，動(dòng)物的很多反射都不通過大腦的，直接通過脊髓或者腦干的神經(jīng)元反射。咱們可以舉個(gè)很形象的例子，你每天上下班走路的同時(shí)還會(huì)帶著耳機(jī)聽歌同時(shí)還在刷朋友圈，那你走路時(shí)候你用腦子了嗎，你的大腦在指揮先邁出哪個(gè)腳，抬起來多高嗎？顯然你聽明白了，這都是通過運(yùn)動(dòng)反射神經(jīng)直接指揮的。一些武術(shù)高手在被人攻擊的時(shí)候也會(huì)出現(xiàn)本能的防守反擊也是一種更高級的運(yùn)動(dòng)反射，用老百姓的話說就是沒走腦子就做了。如果你身體的每個(gè)動(dòng)作都要“動(dòng)腦子”的話，估計(jì)一天就會(huì)被折磨死。各司其職簡單明了，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域上有個(gè)很曖昧的術(shù)語“KISS”，你不要想的太污，它的原始意義是Keep It Simple and Stupid. 下面向大家介紹一下米兔積木機(jī)器人有關(guān)KISS的故事。

由此可見運(yùn)動(dòng)反射系統(tǒng)專門負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的控制，而大腦是專門用來做思考和邏輯判斷的。米兔機(jī)器人的物理架構(gòu)就是按照運(yùn)動(dòng)神經(jīng)反射的模型設(shè)計(jì)制作的，它使用了兩顆ARM Contex M3的微處理器分別構(gòu)成了米兔的邏輯思考的大腦CCU(Centrol Control Unit)和運(yùn)動(dòng)反射的小腦MCU(Motion Control Unit)，平衡運(yùn)動(dòng)控制以及未來的各種運(yùn)動(dòng)控制都將由小腦MCU來控制，程序的執(zhí)行以及各種傳感器的判斷都將由大腦CCU來控制。

03

七傷拳和微電機(jī)的智能控制

作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)單元是少不了的，未來的機(jī)器人如果在很多行業(yè)能替代人類那就需要有各種形態(tài)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，而現(xiàn)下科技水平能夠民用的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)就只有電機(jī)了。至于液壓氣壓的結(jié)構(gòu)其基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)也是電機(jī)。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制就成了機(jī)器人的一個(gè)最重要的能力。常見的電機(jī)有直流有刷電機(jī)，直流無刷電機(jī)，交流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)等等。米兔積木機(jī)器人的首發(fā)電機(jī)是直流碳刷電機(jī)，這種電機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，控制簡單是一種最常用的電機(jī)結(jié)構(gòu)。本文將對這種電機(jī)的控制做一簡單的闡述。

控制電機(jī)無非就是轉(zhuǎn)動(dòng)和停止，貌似簡單，但是機(jī)器人在實(shí)際使用中會(huì)有更多的更細(xì)致的需求，這都需要使用高端的算法程序來實(shí)現(xiàn)。在家電界對電機(jī)的細(xì)致控制有個(gè)更酷的名字叫做變頻，所有能變頻的家電都會(huì)比不會(huì)變頻的家電要貴上很多。當(dāng)然在不同的用電環(huán)境變頻的技術(shù)手段也都不同，今天咱們就先聊聊直流電動(dòng)機(jī)的變頻控制。

PWM和推箱子

PWM有一個(gè)非常高大上的名字，叫做脈沖調(diào)制。學(xué)術(shù)上講PWM就是通過電信號的占空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制的。這個(gè)描述對普通用戶來說很不好理解。咱們用推箱子的游戲來舉個(gè)例子。如果室內(nèi)粗糙地面有一個(gè)箱子，如果想要控制速度，人類的方法是想推多快就用多大的力氣。而計(jì)算機(jī)要是也想向人一樣控制速度它會(huì)把推箱子的總功拆分成數(shù)以萬計(jì)的分力，每次用力推都使用最大的力量但是持續(xù)時(shí)間很短，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)使用大量的這種很短的力氣去推，效果和人類推箱子是一樣的。

換句話誰如果兩個(gè)武林高手對決，一個(gè)使用了非常大的力去打了對方一圈，而另一個(gè)在很短的時(shí)間內(nèi)高速打了對方一百拳(還達(dá)不到青銅圣斗士的標(biāo)準(zhǔn))，顯然后者的破壞力可能更多大。這就是PWM的真髓。金大俠描寫的一拳里面有七種暗勁的七傷拳被譽(yù)為威力最大的拳法。

直流電機(jī)的控制就是使用這種七傷拳的打法去推動(dòng)電機(jī)的，一拳里面含的供電次數(shù)越多電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的就越快，反之次數(shù)越少就轉(zhuǎn)動(dòng)的越慢。其實(shí)汽車?yán)锩娴腁BS系統(tǒng)也是偷學(xué)了金大俠的七傷拳，有了這種秘訣，后面咱們就可以自如的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)了。

電機(jī)的啟動(dòng)

一般讀者都會(huì)認(rèn)為電機(jī)啟動(dòng)很簡單，直接通電不就OK了，但實(shí)際上電機(jī)的控制不能那么暴力，直接通電會(huì)讓電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)立刻進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的階段，對電池、電路元件的壽命以及電機(jī)的使用壽命都會(huì)有損傷。所以聰明的工程師在控制電機(jī)的時(shí)候都會(huì)讓電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)慢慢的轉(zhuǎn)起來，當(dāng)然這個(gè)過程人眼是觀察不到的。

電機(jī)的剎車

直流電機(jī)和汽車不同，是沒有剎車片的，如果想讓電機(jī)停下了，傳統(tǒng)的辦法就是增大電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼，不通電了讓電機(jī)自己停下來但是這樣無疑會(huì)增加電機(jī)的耗電影響電機(jī)的性能。聰明的工程師會(huì)使用一個(gè)更巧妙的方法，當(dāng)想剎車的時(shí)候控制系統(tǒng)會(huì)給電機(jī)一個(gè)相反轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)相反轉(zhuǎn)動(dòng)正好可以阻止電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，智能的控制這個(gè)PWM的力度就可以讓電機(jī)快速停下來。米兔積木機(jī)器人在設(shè)計(jì)剎車時(shí)給用戶提供了兩種選擇，你可以讓電機(jī)自己慢慢停下來也可以選擇讓電機(jī)快速剎車。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制

為了能控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度剛剛咱們使用七傷拳的方法控制了電路系統(tǒng)的輸出，但是電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況咱們還沒得到，為了拿到電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況，咱們在電機(jī)里面放置了一個(gè)光柵碼盤(一個(gè)小圓盤上開了很多小孔)，光柵的一側(cè)是發(fā)光器件，另一側(cè)是接收器，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)光柵旋轉(zhuǎn)，只有通過小孔的光線才能被識(shí)別，這樣電機(jī)是正傳反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)了多少度都會(huì)被光柵碼盤精確記錄。機(jī)器人通過從光柵碼盤傳來的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的信息就可以更好的控制輸出的PWM的強(qiáng)度，這個(gè)過程在控制領(lǐng)域有個(gè)術(shù)語叫做“閉環(huán)”。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制

電機(jī)控制領(lǐng)域最難的是轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制，這里面會(huì)受到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性，電池電壓的變化，電機(jī)負(fù)載情況，電機(jī)傳動(dòng)齒輪間隙等各種因素制約。比如： 有一個(gè)轉(zhuǎn)盤抽獎(jiǎng)活動(dòng) ，要求你每次都要停到指定的位置是不是很難？咱人類都達(dá)不到的事情現(xiàn)在去要求機(jī)器人去完成，是不是有點(diǎn)太苛刻了，但是米兔機(jī)器人的角度控制已經(jīng)達(dá)到了0.2度的誤差，(這里面用到了大量的PID的技術(shù)，可詳見賣油翁與PID一文)，是不是很牛。而且愛其的工程師還會(huì)繼續(xù)優(yōu)化算法爭取做的更準(zhǔn)。

電機(jī)堵轉(zhuǎn)控制

再次回到推箱子的場景，如果你在推箱子的過程中遇到了一個(gè)很小的阻礙，使勁一堆就過去了，如果碰到了墻呢(這你假設(shè)你蒙著眼睛看不到)，你會(huì)下意識(shí)的使勁推一下，然后就不在用力推了，傻瓜才會(huì)和墻壁較勁呢，這是任何人都會(huì)去做的一件事情，但是在電機(jī)控制領(lǐng)域好多人都不會(huì)。

當(dāng)電機(jī)遇到阻礙的時(shí)候會(huì)增大PWM的強(qiáng)度，讓電機(jī)能夠翻越障礙，而當(dāng)遇到被卡住的時(shí)候，術(shù)語叫做“堵轉(zhuǎn)”，最正確的方法就好像剛剛描述的推箱子一樣，用力在給一個(gè)更強(qiáng)的PWM轉(zhuǎn)一下，如果還是轉(zhuǎn)不動(dòng)就會(huì)把PWM改成很小，只要維持住電機(jī)不倒退就好了。這種智能堵轉(zhuǎn)控制的引入增強(qiáng)了整個(gè)供電系統(tǒng)帶負(fù)載的能力，同時(shí)也保護(hù)了電機(jī)。小伙伴可以放心的嘗試電機(jī)的各種用法，卡住了也不會(huì)損壞。

電機(jī)電磁屏蔽的控制

直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)多多，說起來缺陷就是電磁干擾了，如果把轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)靠近收音機(jī)就會(huì)發(fā)現(xiàn)電磁噪聲會(huì)讓你收不到任何一個(gè)臺(tái)。在這個(gè)談電磁輻射就色變的時(shí)代，這種小型電機(jī)的電磁輻射是非常微不足道的，但是咱們也需要控制一下，盡量的為人類干凈生活貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。米兔積木機(jī)器人在電磁干擾控制上可謂使用了全部手段，首先電機(jī)使用金屬外殼并且外殼接地，電機(jī)內(nèi)部使用阻尼電阻減少了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中脈沖信號的強(qiáng)度，在電機(jī)兩極并聯(lián)多個(gè)電容器抑制碳刷在換向時(shí)候出現(xiàn)的電火花。這樣一來雖然不能說成了電磁安靜的電機(jī)但是效果改善明顯，在本文環(huán)境使用各種EMI數(shù)據(jù)明顯文風(fēng)不同，但是用靠近收音機(jī)聽干擾的方法檢測和普通電機(jī)相比干擾小了很多。

一個(gè)簡單的電機(jī)直流電機(jī)就使用了諸多高科技手段去設(shè)計(jì)制作，可見愛其團(tuán)隊(duì)對米兔積木機(jī)器人的研發(fā)過程耗費(fèi)的心血。后面我們還會(huì)推出更多的電機(jī)品類，讓大家能享受到制作機(jī)器人的樂趣。

04

數(shù)據(jù)傳輸：彩虹橋和跳皮筋

米兔積木機(jī)器人首發(fā)包只有一個(gè)主控和兩個(gè)電機(jī)，對于機(jī)器人的高級玩家來說略顯不足，但是499元的價(jià)格確實(shí)讓大多數(shù)人都能體驗(yàn)到了這種一直價(jià)格高高在上的高科技玩具。對于高級玩家更加重視的擴(kuò)展模塊的真相我今天提供豹之一斑。今兒我來談?wù)劽淄脵C(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

作為IOT時(shí)代的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)傳輸在在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，我們提供了低功耗BLE藍(lán)牙4.1，2.4G的傳輸協(xié)議“rainbow bridge”和 增強(qiáng)型串行通訊協(xié)議RubberBand。相信除了BLE以外其他兩個(gè)協(xié)議大家都很陌生，其實(shí)陌生就對了，這是愛其科技專門為機(jī)器人時(shí)代打造的通訊協(xié)議，還沒有正式公開發(fā)布呢。

Bluetooth BLE大家應(yīng)該都清楚是專門針對物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代優(yōu)化的低功耗傳輸協(xié)議，我們用它來和手機(jī)互聯(lián)。這就不多談了，感興趣的讀者可以去上網(wǎng)查閱。

Rainbow Bridge是一個(gè)基于2.4GHz頻段傳輸?shù)臒o線通訊協(xié)議。它使用了軍工設(shè)備上常用的跳頻技術(shù)，當(dāng)然咱們的跳頻技術(shù)是為了更好的在已經(jīng)很擁擠的2.4GHz頻段內(nèi)高速超車，不是再為了信息加密了。Rainbow Bridge支持主控同時(shí)和x個(gè)(暫時(shí)保持神秘感)無線外設(shè)模塊互聯(lián)，并且可以很好的協(xié)同工作。高速響應(yīng)的同時(shí)還很省電。無線模塊的使用讓機(jī)器人擺脫了傳輸線的束縛，也解放了玩家的想象力。隨之而來的出現(xiàn)了一個(gè)哲學(xué)的問題，如果你見到一群機(jī)器蜘蛛是一個(gè)機(jī)器人還是一群機(jī)器人？誰說機(jī)器人一定是一個(gè)物理體的，還記得變形金剛里面的聲波嗎，如果機(jī)器人PK比賽我放出兩只機(jī)器狗算作弊嗎？

Rubberband是增強(qiáng)的串行通信協(xié)議，一個(gè)接口可以連接超過128個(gè)電子模塊，每個(gè)電子模塊之間都能相互通信，在米兔積木機(jī)器人上我們使用USB TYPE C提供了四個(gè)這樣的接口，如果直接計(jì)算的話可以同時(shí)支持4X128=512 個(gè)電子模塊同時(shí)互聯(lián)。這樣支持的模塊數(shù)量夠爽了嗎，其實(shí)支持模塊的極限數(shù)量還不止這些，米兔機(jī)器人在未來的成長中還會(huì)帶來更多的驚喜。

小米對待產(chǎn)品開發(fā)的態(tài)度是不停的更新和小步快跑，歡迎大家踴躍提出自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，讓這個(gè)酷炫的產(chǎn)品能有機(jī)會(huì)按照你的想法去進(jìn)化，最終版的進(jìn)化形態(tài)我聽你的。

05

USB Type-C的兼容和改造

USB Type-C接口是2013年提出的全新的USB接口，而普及使用也就是2016年，蘋果的筆記本電腦，小米的手機(jī)，各品牌的筆記本電腦都陸續(xù)提供了USB Type-C的接口。USB作為大家用的最多的接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了USB Type-A，USB Type-B，MINI USB，MICRO USB，USB TYPE 3.0，USB Type-C多次變革，而USB Type-C接口最大的特點(diǎn)是解決了一個(gè)非常蛋疼的世界性問題，“USB接口永遠(yuǎn)插不準(zhǔn)”，USB Type-C接口支持雙面正反插，這樣我們再也不用先摸一下再插U盤了。

我們在選擇USB Type-C做接口的時(shí)候是2015年7月份，在此之前我們把中國長三角和珠三角做連接器的廠家逐個(gè)走訪了一遍，當(dāng)時(shí)這款接口很新大部分工廠并沒生產(chǎn)，技術(shù)嗅覺比較靈的工廠也才剛剛開始有計(jì)劃去購買加工設(shè)備，如果量產(chǎn)時(shí)因?yàn)閺S家加工經(jīng)驗(yàn)不足造成良品率低或者產(chǎn)能不達(dá)標(biāo)將影響我們大貨的生產(chǎn)，記得當(dāng)時(shí)也是非常的糾結(jié)這個(gè)問題。我們負(fù)責(zé)電子元器件采購的明哥用他的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)告訴我USB Type-C接口在2016年夏天會(huì)大范圍上市，屆時(shí)會(huì)有大量的廠家提供USB Type-C接口，得到了明確的推論以后，我們也將信將疑的打消了這個(gè)顧慮，事實(shí)證明在電子元器件行業(yè)歷練盡20年的明哥的預(yù)言得到了證實(shí)。USB Type-C接口的小體積，拔插手感好，并且提供超多的24PIN的連接的特性深深吸引了我們，并且把我們逐步帶到另一個(gè)坑里。

請大家做一個(gè)計(jì)算題，米兔積木機(jī)器人對連接器的要求很高，有高壓14V電壓電源線，有低壓5V電壓電源線，還有多根數(shù)據(jù)傳輸線，為了滿足這么多的需求我們就開始在看似非常富余的24PIN接口上選擇合適的PIN腳，但是實(shí)際情況令人傻眼?？臻g思維能力好的同學(xué)可以想到，要想支持正反插，首先要求PIN腳的定義需要上下兩面針對中點(diǎn)對稱，這就只剩下了一半12個(gè)PIN可以使用。這還不算完，USB Type-C為了兼容傳統(tǒng)的USB2.0，將其中的對稱的四根線作為5V電源地，另外四根作為5v電源正，這樣就需要從我們剛剛計(jì)算的12根PIN里面各減去1根冗余的地線和一個(gè)冗余的5v電源正。還有USB Type-C是一種多功能接口，支持耳機(jī)傳輸聲音，視頻傳輸HDMI，支持網(wǎng)卡傳輸網(wǎng)絡(luò)信號等等，這么多的功能就用到了其中的一對PIN做種類的識(shí)別?？梢妱倓偟挠?jì)算結(jié)果中，我們又有一根PIN是被國際標(biāo)準(zhǔn)占用的。請看懂的同學(xué)計(jì)算一下我們最后能用到幾個(gè)PIN做為自定義接口？在這里我就保持神秘請大家計(jì)算(cai)一下，不公布答案了。

為了保證能和其他按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)USB Type-C設(shè)備兼容，我們必須要按照上文提到的國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但是給我們留下的可自定義PIN腳數(shù)量確完全不夠，于是我們可愛的電子工程師使用了很神奇的方法把這個(gè)幾乎完不成的任務(wù)的坑給填平了，既滿足了國際標(biāo)準(zhǔn)定義的兼容性，又實(shí)現(xiàn)了米兔積木機(jī)器人專屬需求的擴(kuò)展。這個(gè)對“USB Type-C規(guī)范的兼容性升級”我們已經(jīng)申請了發(fā)明專利。

大家現(xiàn)在看到的米兔積木機(jī)器人上的USB Type-C是完全兼容國際標(biāo)準(zhǔn)的。主控上只有USB Type-C接口，適配器也只提供USB Type-C接口。當(dāng)適配器連接主控后將自動(dòng)協(xié)商到14V 2A的大功率上充電，而平時(shí)適配器提供標(biāo)準(zhǔn)的5v1A的輸出，大家可以使用適配器給普通的手機(jī)或者其他使用Type-C接口的外設(shè)充電，也可以把主控當(dāng)做充電寶用使用給手機(jī)或其他外設(shè)充電，更加方便的是主控沒有定義特別的充電口，每個(gè)USB TYPE C都可以充電，也可以做數(shù)據(jù)傳輸連接其他電子模塊?？梢哉fUSB Type-C在米兔積木機(jī)器人上面發(fā)揮了更加強(qiáng)大的功能。

06

自適應(yīng)倒立擺平衡算法

米兔積木機(jī)器人作為一款拼裝玩具，搭建的造型可謂千變?nèi)f化，如何在不同的造型上都能實(shí)現(xiàn)倒立擺自平衡算法就是一個(gè)很復(fù)雜的問題。11月3日小米直播愛其科技張總當(dāng)時(shí)已經(jīng)透露使用類似汽車無級變速的方式達(dá)到算法之間的融合和自適應(yīng)，如何實(shí)現(xiàn)多種數(shù)學(xué)算法和平衡參數(shù)之間的自動(dòng)匹配以及平滑過渡，總之是很復(fù)雜。

單擺也是所謂的正擺，支點(diǎn)比重心高，而倒立擺是支點(diǎn)比重心低，所以不管你想用哪位大師的理論去解釋倒立擺，它都是一種不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，需要在動(dòng)態(tài)中找平。你一定在苦苦思索曾經(jīng)遇到的倒立擺的雜技表演，而其實(shí)你忘記了你自己就是一個(gè)倒立擺，人的直立行走就是一個(gè)完美的倒立擺。

如果你還能回憶起學(xué)習(xí)行走的時(shí)候的體驗(yàn)就不難理解倒立擺了，重心越低就需要你用更快的反應(yīng)速度和步伐去糾正你的偏移，所以小朋友經(jīng)常會(huì)摔倒，因?yàn)樾∨笥鸭炔痪邆涓叩闹匦囊膊痪邆涓斓牟椒トフ{(diào)整。如果有經(jīng)常摔倒的小朋友讀者，這你就可以理直氣壯的和父母反駁我的物理結(jié)構(gòu)決定了我現(xiàn)在容易摔倒，等我長大以后就能站穩(wěn)了。不信的話你可以用一根手指頂起來一頭重一頭輕的長一點(diǎn)的物體，重頭在上面時(shí)候更容易穩(wěn)定。

所以綜合上面所述要想讓倒立擺達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，我們需要更高的重心和支點(diǎn)更快的移動(dòng)。但是在實(shí)際搭建的物理模型上就遇到了更多的限制，一味地增高重心就會(huì)導(dǎo)致物體自重變沉，影響電機(jī)的負(fù)載能力。而由于受限于電機(jī)的速度不是無限大，在糾偏的動(dòng)作中如果超出了電機(jī)的最高速度就會(huì)摔倒。

我們在研發(fā)米兔積木機(jī)器人的時(shí)候最大的挑戰(zhàn)是我們的平衡系統(tǒng)和大家常見的平衡車不同，我們的機(jī)器人負(fù)載的是不會(huì)自己糾偏的積木，還會(huì)面臨不同的造型導(dǎo)致重心不同的情況，在大家長期努力下，給米兔積木機(jī)器人一個(gè)自動(dòng)適應(yīng)的范圍，包括搭建造型重心的前后的移動(dòng)和上下移動(dòng)，只要在算法承受范圍內(nèi)就可以自動(dòng)平衡了。需要注意的是這個(gè)平衡系統(tǒng)假設(shè)整個(gè)機(jī)器人是一個(gè)不會(huì)位移的剛體，所以如果玩家在搭建時(shí)候結(jié)構(gòu)太松就會(huì)出現(xiàn)瘋狂抖動(dòng)的情況發(fā)生，這時(shí)只要把結(jié)構(gòu)搭建結(jié)實(shí)就改善了。

從理論上講只要電機(jī)能扛得住，你往高處搭建負(fù)載多大多高都是可以的，所注意的是要保持重心落在輪軸上。于是你可以用米兔積木機(jī)器人幫你送花，幫你送戒指，幫你送生日蛋糕，當(dāng)然如果蛋糕摔壞了我不管賠。

是不是還得到了買一贈(zèng)一的結(jié)論，以后玩平衡車的時(shí)候站直了會(huì)更穩(wěn)當(dāng)。

07

不傷手的積木——四大對策一次解決

經(jīng)常玩這種塑膠積木的玩家都會(huì)配一個(gè)鉗子的，一個(gè)兩個(gè)積木拼裝還好，幾千個(gè)連著做下來手會(huì)磨的很明顯，況且很多有名的國產(chǎn)品牌積木光用手通常是拔不下來的，沒有鉗子就只能用牙了。有人會(huì)說那干脆做松一點(diǎn)不是很好嗎？其實(shí)做的太松積木結(jié)構(gòu)就不好固定了，況且米兔積木機(jī)器人是會(huì)活動(dòng)的，不能一邊走一邊掉零件吧。要能用手輕松拔下來但還很結(jié)實(shí)，這種恰到好處的手感就成了米兔積木機(jī)器人追求的目標(biāo)。就在這一對矛盾的統(tǒng)一體中我們煎熬了好幾個(gè)月，最后終于找到了四大秘訣。

1)首先是原料的選擇。

一定要用國際大廠的高標(biāo)號的原材料，經(jīng)過篩選我們挑中了某臺(tái)灣著名廠商的高規(guī)格ABS作為原料。大家可能不知道，大部分積木廠都會(huì)把注塑生產(chǎn)的邊角料(水口料)做一定比例回收，比如原料和回收料占比8：2就算比較厚道的了。多次過爐的原料從物理性狀上會(huì)打折扣，也就會(huì)影響彈性，說白了就是手感不好。了解了這種情況，我們和注塑廠做了一個(gè)規(guī)定，一定用百分之百的原料，水口料都統(tǒng)一廢棄。雖然成本會(huì)上升，但是這就從原料上保證了高標(biāo)準(zhǔn)。

2)零度拔模技術(shù)

所謂塑料注塑其實(shí)就和以前中秋節(jié)扣月餅?zāi)Ｗ右粯涌谏晕⒋笠稽c(diǎn)，底部稍微小一點(diǎn)，要把做好的面團(tuán)倒出來，就需要做一點(diǎn)斜度，否則如果模子上下一樣面團(tuán)很難被倒出來。但是我們做積木卻不允許這樣。試想如果積木從一面插和從另一面插的力度不一樣那還怎么玩。為了實(shí)現(xiàn)這樣的需求我們和模具加工廠一起研發(fā)制作了多種零度拔模的模具結(jié)構(gòu)，終于滿足了要求。

3)模具的加工精度

現(xiàn)代工業(yè)對模具加工的專業(yè)設(shè)備很多，比如慢走絲，電極放電，CNC等多種工藝，要想做出合格的模具就需要專業(yè)技能的老師傅綜合不同的加工工藝來將一塊硬度很強(qiáng)的鋼材加工到5個(gè)微米的誤差，這樣才能保證生產(chǎn)出來的注塑件都能達(dá)到0.02mm誤差范圍。當(dāng)然為了真正能夠得到這樣的注塑品質(zhì)還需要使用一種很貴的熱流道注塑的工藝。這樣的工藝要求會(huì)讓模具加工非常困難，我們在研發(fā)過程中稍微修改一點(diǎn)模具就有可能導(dǎo)致幾十萬的模具報(bào)廢。為了這個(gè)虛無縹緲的手感我們確實(shí)很拼。當(dāng)然在此基礎(chǔ)上我們每個(gè)塑件都有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)單位，不管你用什么方法連接都會(huì)遇到標(biāo)準(zhǔn)單位的整倍數(shù)，都能連接到一起。

4)拔插力度

剛剛說了那么多的加工工藝什么，最后落腳到真正的手感參數(shù)就是拔插力度，我們經(jīng)過各種不同人群的大量測試，最終我們定到10N正負(fù)4N的拔插力是我們亞洲人最舒適的手感。

就這樣，使用高標(biāo)準(zhǔn)原材料，高科技的模具加工工藝，高標(biāo)準(zhǔn)的模具加工精度，以及大量人肉測試總結(jié)的拔插手感的數(shù)據(jù)共同造就了我們今天米兔積木機(jī)器人的所謂的手感。我們后來又做過盲測，把我們的積木和lego的積木放在一起，讓高級玩家和普通玩家盲測手感，二者旗鼓相當(dāng)。

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酷炫的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

米兔積木機(jī)器人作為一款拼裝玩具，搭建的造型可謂千變?nèi)f化，如何在不同的造型上都能實(shí)現(xiàn)倒立擺自平衡算法就是一個(gè)很復(fù)雜的問題。11月3日小米直播愛其科技張總當(dāng)時(shí)已經(jīng)透露使用類似汽車無級變速的方式達(dá)到算法之間的融合和自適應(yīng)，如何實(shí)現(xiàn)多種數(shù)學(xué)算法和平衡參數(shù)之間的自動(dòng)匹配以及平滑過渡，總之是很復(fù)雜。

米兔積木機(jī)器人提供了兩個(gè)大扭矩的電機(jī)，官方的數(shù)據(jù)是254.8mN·m。這個(gè)數(shù)據(jù)比較抽象，實(shí)際體驗(yàn)是使用正常的力量抓住電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的輸出輪是抓不住的，再用力就硌得手疼。這么大的扭(li)矩(liang)的電機(jī)為后續(xù)的擴(kuò)展預(yù)留了很大的空間。

大家看視頻可以發(fā)現(xiàn)米兔積木機(jī)器人除了兩個(gè)輪子可以平衡轉(zhuǎn)動(dòng)以外，胳膊上兩個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)炮也能轉(zhuǎn)動(dòng)，乍一看很神奇，如果仔細(xì)觀察的話這里面非常不簡單。

我們的造型搭建設(shè)計(jì)師在這里玩了一個(gè)酷(men)炫(sao)的設(shè)計(jì)，用他的話講如果就單單為了傳動(dòng)的話那就太LOW了。為了把輪子上面的動(dòng)能傳遞到胳膊上他設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有藝術(shù)氣息的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，其中用到了兩次傘齒輪的換向，一級齒輪的鏈條傳動(dòng)，兩級萬向節(jié)的軸傳動(dòng)。如果沒有專門研究過機(jī)械設(shè)計(jì)的讀者肯定就被這一堆術(shù)語懵比了，但你只要知道它足夠炫就好了。

傘齒輪比較簡單，兩個(gè)45度的斜齒輪可以讓旋轉(zhuǎn)方向更改90度，我記得小時(shí)候拆的鐘表里面是沒有的，玩具中見到傘齒輪的情況也不多，相信孩子們?nèi)绻谝淮伟l(fā)現(xiàn)有可以拐彎的齒輪應(yīng)該是很高興的。

鏈條是每一節(jié)都能拆開的，你需要自己一節(jié)一節(jié)的裝成合適長短的鏈子。雖然安裝繁瑣一點(diǎn)但是保留了機(jī)械元件最大的自由度，也就是說如果需要的話你完全可以把兩鏈子連接到一起去使用。

萬向節(jié)是一個(gè)很巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)，他的發(fā)明人是帶著光環(huán)的天才羅伯特·胡克，卻終身被牛頓打壓直至死亡。咱們姑且用米兔積木機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)對胡克的發(fā)明做個(gè)紀(jì)念。實(shí)際上萬向節(jié)是一種很令人著迷的結(jié)構(gòu)，可是各個(gè)年級的物理課本上都沒出現(xiàn)過，你家的孩子肯定會(huì)興奮的研究好長時(shí)間。不信的話，不妨試試看！

總結(jié)

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