解读 38 · 头颈三自由度:191g 的配重艺术
解读对象:
microduck-replica-cad/组件图/07-颈根.png、08-颈俯仰.png、09-头yawroll.png、10-头部总成.png+microduck-replica/README.md(装配结构/关节参数)
需要的前置:解读 34;知道"重心"决定站得稳不稳。
四张图看完一条脖子
07-颈根:特征树是两颗 XL330 加两片 neck_颈部(×2)。图上两块深灰偏紫的颈板把舵机夹在中间,两个带一圈螺丝孔的圆形输出法兰朝外。颈根 37g。
08-颈俯仰:一个 U 形叉(neck_pitch,固定),两只立耳各开大孔、周围一圈小螺丝孔,底板下缘压着一圈深色轴承——树里写明 16×22×4。整个叉件仅 6g,纯结构件。
09-头 yaw/roll:白中带紫的方块(yaw_roll_motion)左右两侧各顶着一个大轴承,银色外圈里的滚珠一颗颗看得清——树里是两颗 16×22×4。机构 49g,含一颗固定 XL330。
10-头部总成:半透明灰白上壳罩着红色下壳框架,里面能看到白色面板上的两只"眼睛"(树里 noenoeil)、一叠灰色圆盘组成的 M12 镜头座、黑色舵机体和黄色圆筒(喇叭位)。特征树是全系列最长的一份:头下壳、面部零件、两颗 XL330、09 号总成、镜头与 M12 镜头座、elec_rpi_robot_hat_pcb 与 pcb_raspberry_pi_zero_2_w 两块 PCB 模型、电机支架、上下壳、jaw_下巴、软嘴、软下巴、深沟球轴承。头部总成+喙 189g。
数字口径:总纲把这组写作 191g,仓库 README 实测拆分是 189g——以仓库数字为准,191 的出处待验证。
头重为什么是走路大敌
把四张图的质量串起来:颈根 37 + 颈俯仰 6 + yaw/roll 机构 49 + 头部总成 189 ≈ 281g 悬在整机最高处。README 结论很直白:"头部占整机四分之一,重心很高,这解释了为什么它的行走策略难训"。机制有三层:重心高,同样侧倾角下重力恢复力矩更小,更容易摔;头是个可动摆锤,甩头产生角动量扰动,直接灌进姿态观测和步态;落地冲击沿竖直颈链传上去,头壳里的板件跟着震动。所以"别往头上乱加配重/装饰"是这类机器人的第一条手工铁律。
顺带修正一个直觉:IMU 板不在头里,在躯干 trunk_base 上,姿态参考系是躯干系;头里装的是主控、HAT、摄像头和喇叭。摄像头与主控同刚体、相距约 13mm,MIPI 排线不过脖子——真正穿过这四个自由度的是舵机总线和供电线(《硬件入门》)。
四个自由度,15 个舵机里的 4+1
关节链从下往上:neck_pitch(−90°~+60°)→ head_pitch(±90°)→ head_yaw(±170°)→ head_roll(±25°),ID 30–33;第 34 号舵机驱动喙/嘴,不进策略的 14 维动作空间。另外注意图纸 PCB 模型名 raspberry_pi_zero_2_w 是沿用上游命名,复刻考据的实际主控是同形态的 Radxa Zero 3W(BOM 勘误)。
你带走的收获
- 头部质量经重心高度、角动量扰动、冲击传导三条机制恶化步态。
- 串联关节链每一级都要"舵机+轴承"两点支承,颈俯仰的 U 形叉是典型。
- 布线穿过的自由度越多越糟:能放同一刚体的(摄像头+主控)绝不隔关节。
- 姿态传感器装躯干不装头——参考系选在哪,决定控制器"以为"的站稳是什么。
- 纯结构件也要抠质量(6g 的叉件),轻与刚是结构件的永恒矛盾。