FOC 双轮腿机器人：一个硬核开源四足机器人的完整制造指南

想象这样一个画面：你打开一个 35MB 的 SolidWorks 总装文件，看到一个精巧的轮腿结构——两条腿末端不是普通脚掌，而是嵌入了直径 65mm 轮胎的无刷电机驱动轮子。关节处深沟球轴承与推力轴承并排，4010 电机提供 0.22N·m 堵转扭矩，2804 轮毂电机负责驱动，整机重量不到 1.5kg，却能完成平衡行走、跌落缓冲、加速冲刺——这不是某个实验室的论文成果，而是 GitHub 上任何人都能下载、制造和二次开发的开源项目。

FOC 双轮腿机器人（Skythinker616/foc-wheel-legged-robot）是 GitHub 明星项目榜的常客，以 1640+ stars 证明了一个事实：在中国开发者手中，开源机器人项目可以做到比很多商业产品更精细、更完整、更易于复现。

背景故事：一个人能走多远？

项目的作者 Skythinker616（网名"天空客"）是一个机器人爱好者，他从 2022 年开始独自完成整个项目。项目的起点并不复杂——他想做一个能跑能跳的轮腿机器人，但不想买成品，他想亲手从机械图纸开始，把每一个零件选型、每一行控制代码都理解透彻。

这个项目最终成长为一个涵盖 6 个工程学科的超级全栈项目：机械结构设计、电机驱动固件、运动控制算法、Linux 图传、Android 遥控 APP，以及最重要的——MATLAB 仿真验证体系。

图1：FOC 双轮腿机器人实物外观（来源：项目 README）

开源的第一推动力是作者的 B 站视频。2022 年 8 月，一条名为"FOC双轮腿机器人"的 B 站视频爆火，累计播放量超过百万，引发了大量机器人爱好者关注，很多人开始询问"这个能买吗""有没有全套资料"。作者选择将全部资料开源回应，不仅放出了机械模型和代码，还把所有零部件的淘宝购买链接都贴了出来——这是一个真正意义上的"手把手教你做"项目。

核心原理：轮腿机器人的运动学

什么是轮腿机器人？

传统足式机器人（液压/伺服关节腿）面临的核心矛盾是：瞬时功率密度有限——当机器人需要快速移动时，腿部惯量成为主要瓶颈，地面冲击也难以吸收。轮式移动机器人虽然速度快、效率高，但在非结构地形下几乎无法使用。

轮腿机器人（Wheel-Legged Robot）应运而生：腿部末端安装主动轮，在平整地面用轮子高速滚动，需要跨越障碍时通过腿关节控制轮子高度和姿态，实现类四足动物的灵活通过能力。MIT 的 Cheetah、四足的 Spot、波士顿动力的 ANYmal 都采用了这一思路。

本项目的独特之处在于：每个车轮由独立的 FOC 无刷电机驱动，关节由另一组 FOC 电机控制，形成了一个高度解耦的力控系统。

FOC（磁场定向控制）为何关键？

无刷电机（BLDC）相比传统舵机和有刷电机，能以极高效率实现精确力矩控制，但控制复杂度也高得多。FOC 通过坐标变换，将三相电流分解为与转子磁场对齐的直轴分量（d轴）和垂直分量（q轴），从而实现对电机力矩的精确独立控制。

作者选择了 SimpleFOC 算法的 HAL 库移植版本——原本 SimpleFOC 是针对 Arduino 平台的，作者将其移植到 STM32F103 的 HAL 生态中，并添加了 CAN 总线通信、Flash 掉电存储等功能。

在 ESP32 主控侧，通过 CAN 总线以 500Hz 频率轮询各电机状态（转角 + 转速），向每个电机发送 q 轴力矩指令，实现了分布式力控架构。

平衡控制：LQR + VMC 的组合拳

机器人的平衡控制是项目最硬核的部分。作者在 MATLAB/Simulink/Simscape 中构建了完整的物理仿真模型，包含：

1. 腿部姿态解算：通过电机角度反推腿部末端的空间位置（leg_pos.m）
2. 虚拟腿受力分析（VMC）：将机器人整体视为两个虚拟单腿，应用力矢量和力矩平衡，求得电机所需输出的力矩（leg_conv.m）

图2：Simulink + Simscape Multibody 整机物理仿真（来源：项目 README）

3. 状态空间建模：对简化后的双轮腿系统进行经典力学分析，建立状态空间方程
4. LQR 最优控制：通过 LQR（线性二次调节器）计算状态反馈矩阵 K，再对不同腿长参数下的 K 进行多项式拟合（lqr_k.m）
5. MATLAB Coder 自动生成 C 代码：仿真验证通过的控制算法，直接通过代码生成工具转换为可在 ESP32 上运行的 C 代码

这套流程的价值在于：仿真验证 → 自动代码生成 → 实机部署，极大降低了"写了算法却跑不通"的风险。

六大子模块：拆解一台机器人的工程全貌

1. 机械结构（solidworks/）

总装文件（总装.SLDASM，35MB）包含了 29 个零件的完整装配关系。零件使用 SolidWorks 2019 设计，大部分可 3D 打印，底板使用定制亚克力板。

核心零部件选型（均有淘宝购买链接）：

零部件	型号	关键参数
关节电机	4010 外转子 BLDC	12V/0.22N·m/125g/11极对
轮毂电机	2804 外转子 BLDC	12V/0.04N·m/24g/7极对
电池	3S 800mAh 25C	57g/20-30min续航
关节轴承	604深沟球 + F8-14M推力轴承	内径4mm/8mm

关节处的轴承配置值得注意：深沟球轴承承受径向力，推力轴承承受轴向力，二者组合确保关节在承受机器人整体重量时仍能灵活旋转。这是工业机器人关节的标准配置。

2. 算法仿真（matlab/）

包含 leg_sim.slx（腿部仿真）和 sys_sim.slx（整机仿真）两个 Simulink 模型。模型的特别之处在于使用了 Simscape Multibody 进行刚体物理仿真——这比纯数学仿真更接近真实物理行为，可以提前发现控制算法在非线性摩擦、关节柔性等实际因素下的表现问题。

两个模型均提供 R2020a 兼容版本（sys_sim_2020a.slx / leg_sim_2020a.slx），覆盖了较老版本 MATLAB 用户。

3. STM32 FOC 驱动板（stm32-foc/）

基于 STM32F103C6T6 + DRV8313 + AS5600 磁编码器的无刷电机驱动板，硬件已开源至立创开源平台。设计上直径仅 30mm，可直接安装在 2804 电机背面，物料成本约 25 元。

软件使用 Keil uVision 5 + STM32CubeMX HAL 库开发，核心是 SimpleFOC 算法的 HAL 移植版本，支持 CAN 总线 ID 设置、自动极对数标定、掉电参数保存等功能。

4. ESP32 主控板（esp32-controller/）

机器人的"大脑"，基于 ESP32-C3，运行 FreeRTOS 多任务系统。主控程序使用 PlatformIO（ESP-IDF + Arduino 框架）开发，包含：

• 陀螺仪读取：MPU6050 六轴 IMU，读取姿态数据
• CAN 通信：与 STM32 驱动板双向通信，500Hz 反馈 + 控制循环
• 蓝牙遥控：接收 Android APP 发来的控制指令
• 运动控制：VMC + LQR 算法（由 MATLAB Coder 生成的 C 代码）

代码组织上，所有模块均在一个 main.cpp 中（作者自嘲"偷懒没分开"），但通过函数名前缀做了清晰的功能分区。

5. Linux 图传系统（linux-fpv/）

基于 NanoPI Duo2（全志 H3）开发板的图传子系统，使用 ffmpeg 采集 ov5640 摄像头 MJPG 流，通过 ffserver 推流到局域网，实现手机 APP 实时视频显示。

有趣的是图传的"可拔插"设计：图传系统通过蓝牙与主控通信，通过局域网与手机通信。当不需要图传时，手机 APP 可直接蓝牙连接主控——两种模式对主控固件完全透明。

6. Android 遥控 APP（android/）

基于 Android Studio 开发，核心创新在于使用 WebView + Canvas 叠加实现摇杆界面：视频流通过 WebView 渲染（直接解码 MJPG），摇杆和滑块控件通过重写 WebView.onDraw() 绘制，两者叠加无需复杂自定义视图。

APP 提供预编译 APK（balancebot.apk，约 2.8MB），用户无需编译即可直接安装使用。

图3：Android 遥控 APP 界面（来源：项目 README）

上手指南：一个人要花多少时间和钱？

硬件成本

项目	参考价格（2022年）
电机（4010×2 + 2804×2）	~126元
电池	28元
轴承、螺丝等紧固件	~30元
3D 打印零件（树脂/PLA）	~80元
STM32驱动板物料	~50元
ESP32主控板物料	~40元
NanoPI图传（可选）	~175元
合计（不含3D打印）	~354元

时间成本

作者在 README 中坦承，从零开始制作这样一台机器人，需要掌握：SolidWorks 建模、MATLAB 仿真、FOC 电机控制、FreeRTOS 编程、Android 开发——这不是一个周末项目，而是一个可能需要数月的系统性学习过程。

好在文档足够详细。作者为每个子模块都写了中文 README，涵盖硬件原理图说明、软件架构分析、使用步骤和参数标定方法。以 ESP32 主控的 README 为例，仅这一部分就超过 6000 字，还包含了零点偏移和旋转方向参数的测量方法。

局限与争议

项目并非完美，有几个值得注意的局限：

1. 机械强度有限：大部分零件为 3D 打印，长时间高频使用可能出现疲劳。关节轴承处的设计是关键受力点，也是最常见的故障点。

2. 仿真依赖 MATLAB：控制算法在 Simulink 中开发和验证，但 MATLAB/Simulink/Simscape 是商业软件（需要数万/年授权）。虽然作者提供了 R2020a 兼容版本，但非正版用户仍无法直接修改仿真模型。

3. 代码工程组织较为松散：ESP32 主控代码全部集中在一个 main.cpp 中，缺乏模块化拆分，不利于大规模功能扩展。

4. 无自动化测试：没有单元测试或集成测试，实机调试完全依赖串口打印和蓝牙调试工具。

5. 文档时效性问题：作者记录的购买链接来自 2022 年，部分零部件链接可能已失效或涨价，需要自行搜索替代品。

行业意义

FOC 双轮腿机器人项目的意义远不止于一个"漂亮的 DIY 项目"。它代表了一种新兴的开源硬件模式：不只是一个 GitHub 仓库，而是一套完整的工程方法论——从控制理论（VMC+LQR）到固件开发（FreeRTOS+CAN）到仿真验证（Simulink）到用户交互（Android+蓝牙）的全链路覆盖。

作者 Skythinker616 在 B 站持续更新项目进展，从最初的基本运动到后来的跌落缓冲、加速冲刺，每一步都有视频记录。这种"开发过程透明化"的社区运营方式，让项目在开源后持续吸引关注，形成了良好的技术讨论氛围。

对于 AI 机器人领域而言，这个项目的价值在于：它提供了一套可复现的物理平台——开发者可以在此基础上替换控制算法、添加视觉 SLAM、甚至接入大语言模型做任务规划，而无需从零设计机械结构和电机驱动。

适合谁： 有一定嵌入式开发基础，想系统学习机器人工程全链路的开发者；想从纸面理论走向实机验证的控制理论学习者；以及所有热爱"亲手造一个能动的东西"的技术爱好者。

不适合谁： 追求开箱即用、不愿动手焊接和调试固件的普通用户；没有 MATLAB 正版授权且不愿寻找替代仿真工具的开发者。

项目地址： https://github.com/Skythinker616/foc-wheel-legged-robot