从零构建智能 Arduino 四足机器人：完整指南

元件清单

所需工具

• 电烙铁、热熔胶枪、螺丝刀、卡尺

核心原理：重心控制与步态规划

重心（CG）维持

四足行走的关键是始终让重心投影落在支撑三角形内部。静止时四腿呈 45° 对称，重心居中；抬起一条腿时，其余三腿需调整角度形成稳定三角形，确保重心在内部。

步态序列（波浪步态）

1. 初始：C、D 腿外伸；A、B 腿内收
2. B 腿抬起向前伸展
3. 四腿同步后移，机身前进
4. D 腿抬起向前迈步，形成镜像初始态
5. A 腿抬起向前伸展
6. 四腿同步后移
7. C 腿收回，回到初始态

机械结构制作

1. 下载 LEGS.pdf 与 BODY.pdf，按图激光切割或手工裁剪硬纸板/亚克力
2. 组装 4 条腿，每腿 3 个舵机（髋横向、髋纵向、膝）
3. 组装机身框架，预留 Mega、电池、超声波模块安装位

电路连接

Mega 2560 拥有 15 个 PWM 引脚：D2-D13, D44-D46。分配方案：

• 12 路舵机：任选 12 个 PWM 引脚（代码中定义 servo_pin[4][3]）
• RGB LED：D44(蓝)、D45(绿)、D46(红) — PWM 控制颜色
• HC-SR04：Trig/Echo 任意两个数字口

舵机初始化与标定

上传初始化程序，将所有舵机设为 90° 中位，按图安装舵机摇臂，确保机械零位对齐：

#include <Servo.h>
Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = {{10,11,2},{3,4,5},{6,7,8},{9,12,13}};

void setup() {
  for(int i=0;i<4;i++) for(int j=0;j<3;j++) { servo[i][j].attach(servo_pin[i][j]); delay(20); }
}
void loop() {
  for(int i=0;i<4;i++) for(int j=0;j<3;j++) { servo[i][j].write(90); delay(20); }
}

完整运动控制代码（含逆运动学）

核心采用 FlexiTimer2 定时器中断（50Hz）驱动舵机平滑插值，配合逆运动学将笛卡尔坐标转舵机角度。主要参数：

• 连杆长度：length_a=55, length_b=77.5, length_c=27.5, length_side=71
• 默认足端坐标：x_default=62, y_step=40, z_default=-50
• 运动速度常量：原地转向 4、腿部移动 8、机身移动 3、站立/趴下 1

代码实现了以下动作原语（阻塞式）：

• stand() / sit()：站立/趴下
• step_forward(n) / step_back(n)：前进/后退 n 步
• turn_left(n) / turn_right(n)：原地左/右转 n 步
• hand_wave(n) / hand_shake(n)：挥手/握手 n 次
• body_dance(n)：机身扭动舞蹈

/* 完整代码较长，仅列出关键函数签名与核心算法 */
#include <Servo.h> #include <FlexiTimer2.h>
#define ledred 46 #define ledblue 44 #define ledgreen 45
Servo servo[4][3];
const int servo_pin[4][3] = {{2,3,4},{20,6,7},{8,9,17},{16,12,13}};
// ... 几何常量定义 ...
volatile float site_now[4][3], site_expect[4][3];
float temp_speed[4][3], move_speed, speed_multiple = 1;
const float KEEP = 255, pi = 3.1415926;

void setup() {
  pinMode(ledred,OUTPUT); pinMode(ledblue,OUTPUT); pinMode(ledgreen,OUTPUT);
  Serial.begin(115200);
  // 初始化足端期望坐标
  set_site(0, x_default, y_start+y_step, z_boot);
  set_site(1, x_default, y_start+y_step, z_boot);
  set_site(2, x_default, y_start, z_boot);
  set_site(3, x_default, y_start, z_boot);
  for(int i=0;i<4;i++) for(int j=0;j<3;j++) site_now[i][j]=site_expect[i][j];
  FlexiTimer2::set(20, servo_service); FlexiTimer2::start();
  servo_attach();
}

void loop() {
  // 演示序列：站立→前进→后退→左转→右转→挥手→握手→RGB 呼吸灯
  analogWrite(ledred,255); stand(); delay(2000);
  analogWrite(ledblue,255); step_forward(5); delay(2000);
  analogWrite(ledgreen,255); step_back(5); delay(2000);
  analogWrite(ledred,255); analogWrite(ledblue,255); turn_left(5); delay(2000);
  analogWrite(ledgreen,255); analogWrite(ledred,0); turn_right(5); delay(2000);
  // ... 其余动作 ...
}

// 核心：50Hz 定时器中断，线性插值移动足端
void servo_service() {
  sei(); static float alpha,beta,gamma;
  for(int i=0;i<4;i++) for(int j=0;j<3;j++) {
    if(abs(site_now[i][j]-site_expect[i][j]) >= abs(temp_speed[i][j]))
      site_now[i][j] += temp_speed[i][j];
    else site_now[i][j] = site_expect[i][j];
    cartesian_to_polar(alpha,beta,gamma, site_now[i][0],site_now[i][1],site_now[i][2]);
    polar_to_servo(i,alpha,beta,gamma);
  }
}

// 逆运动学：笛卡尔坐标 → 极坐标 → 舵机角度
void cartesian_to_polar(float &alpha,float &beta,float &gamma,float x,float y,float z) {
  float w = (x>=0?1:-1)*sqrt(x*x+y*y);
  float v = w - length_c;
  alpha = atan2(z,v) + acos((length_a*length_a - length_b*length_b + v*v + z*z)/(2*length_a*sqrt(v*v+z*z)));
  beta = acos((length_a*length_a + length_b*length_b - v*v - z*z)/(2*length_a*length_b));
  gamma = (w>=0)? atan2(y,x) : atan2(-y,-x);
  alpha = alpha/pi*180; beta = beta/pi*180; gamma = gamma/pi*180;
}

void polar_to_servo(int leg,float alpha,float beta,float gamma) {
  if(leg==0){ alpha=90-alpha; gamma+=90; }
  else if(leg==1){ alpha+=90; beta=180-beta; gamma=90-gamma; }
  else if(leg==2){ alpha+=90; beta=180-beta; gamma=90-gamma; }
  else if(leg==3){ alpha=90-alpha; gamma+=90; }
  servo[leg][0].write(alpha); servo[leg][1].write(beta); servo[leg][2].write(gamma);
}

// 设定足端目标坐标并计算速度向量
void set_site(int leg,float x,float y,float z) {
  float lx=0,ly=0,lz=0;
  if(x!=KEEP) lx=x-site_now[leg][0];
  if(y!=KEEP) ly=y-site_now[leg][1];
  if(z!=KEEP) lz=z-site_now[leg][2];
  float len=sqrt(lx*lx+ly*ly+lz*lz);
  temp_speed[leg][0]=lx/len*move_speed*speed_multiple;
  temp_speed[leg][1]=ly/len*move_speed*speed_multiple;
  temp_speed[leg][2]=lz/len*move_speed*speed_multiple;
  if(x!=KEEP) site_expect[leg][0]=x;
  if(y!=KEEP) site_expect[leg][1]=y;
  if(z!=KEEP) site_expect[leg][2]=z;
}

进阶扩展建议

• 加装 IMU（MPU6050）实现姿态自稳
• 集成摄像头/树莓派实现视觉跟随
• 设计 3D 打印结构件替代纸板，提升刚性与美观
• 移植至 ESP32 实现 Wi-Fi/蓝牙远程控制
• 优化步态算法：添加小跑、奔跑等动态步态

资源文件

• 机械图纸：LEGS.pdf, BODY.pdf
• PCB 原理图：schematic.png
• 激光切割矢量图：box.dxf