1. 系統整體結構與模塊化設計

OpenExo 軟件架構高度模塊化。系統可根據需要自由組裝各個功能模塊，由一個 Arduino 級別的主控 MCU 統一調度。每個模塊（如電機、控制器、傳感器、LED 顯示等）都是獨立的，可插拔、可擴展，便于支持不同的實驗和應用場景。

2. 兩大核心類：ExoData 與 Exo

A. ExoData

• 定位：ExoData 作為數據與參數的載體，負責保存系統的所有遙測（telemetry）數據和當前控制參數。

• 結構特點：ExoData 的層級與 Exo 的模塊化硬件結構一一對應，實現了“軟硬件一體化抽象”。

• 作用：

  • 存儲和實時更新各傳感器數據（如力敏電阻FSR、力矩傳感器、馬達反饋等）；

  • 存儲和同步當前所有控制器參數、狀態（如各關節的目標/實際力矩、控制模式等）。

B. Exo

• 定位：Exo 類是真正“驅動外骨骼硬件邏輯”的主對象，負責所有部件的實際控制和數據流轉。

• 作用：

  • 組織、調度所有底層模塊（如馬達、控制器、傳感器、LED等）；

  • 每輪主循環執行run()，完成數據采集、控制運算、命令下發等任務。

C. 數據結構的層級關系

可以用如下樹狀結構理解 Exo/ExoData 關系：

Exo / ExoData
├── StatusLed       // 狀態指示燈模塊
├── SyncLed         // 同步指示燈模塊
├── FSRs            // 足底壓力傳感器模塊
└── Side / SideData // 左/右側模塊└── Joint / JointData      // 每個關節（如髖、踝、肘等）├── TorqueSensor       // 力矩傳感器├── Motor / MotorData  // 電機驅動與反饋└── Controller/ControllerData // 控制器及其參數

說明：

• “/” 表示 Exo 和 ExoData 的同層鏡像關系

• 每一層的Data對象存儲該模塊的狀態和參數

• 這樣做方便主控、藍牙、遠程上位機等任意環節“全局訪問/更新/同步”當前設備狀態

• Exo：總控制器，調度所有下級模塊。

• StatusLed/SyncLed/FSRs：與外部交互的硬件模塊。

• Side（如左/右腿）：每側獨立實例，可適配不同任務（如左踝+右髖）。

• Joint：每個關節可配置不同的傳感器、電機和控制策略（比如左側髖關節是直驅，右側踝關節是Bowden拉索）。

• 各模塊的 Data：每層對象都有與之配套的數據描述類（如 JointData），實現參數與狀態分離（方便持久化/同步/通信）。

3. 多微控制器協作與BLE通信

• 有的硬件會配備兩個 MCU：

  • 主 MCU（主控）：執行核心控制任務（如實時采集、計算控制量、下發馬達指令）。

  • 通信 MCU（如 Arduino Nano BLE 33）：處理藍牙通信和一些“軟實時”任務（如數據上傳/接收、遠程調參）。

• 兩者通過 UART 通信，ExoData 作為協議“橋梁”，同步數據/參數。

• 常見相關類有：

  • ComsMCU / ExoData：通信 MCU 端的數據容器

  • ExoBLE / ExoData：藍牙接口的數據容器

  • BleParser：負責BLE數據解析與命令分發

4. 主控軟件運行流程（主循環偽代碼）

• 從SD卡讀取配置

  • 如關節數量、類型、參數、控制器配置等

• 創建 ExoData 實例

  • 靜態變量方式保存主數據結構

• 創建 Exo 實例

  • 同樣靜態變量，管理所有外設/模塊

• 每周期運行流程：

  • 讀取藍牙/串口/本地消息，更新 exo_data

    • 包括參數調整、控制模式切換、狀態同步等

  • 調用 exo.run()

    • 依次調度所有子模塊（如各關節、各傳感器、LED 等）

    • 完成采集、運算、指令下發

典型主循環C++偽代碼：

void loop() {// 1. 讀取外部消息（如藍牙參數、命令）BleParser.parseIncoming(&exo_data);// 2. 更新數據、同步狀態exo_data.update();// 3. 調用核心控制邏輯exo.run(&exo_data);// 4. 采集/上報/存儲數據等exo_data.log();
}

5. 架構優點小結

• 完全模塊化，軟硬件結構高度鏡像，易于維護、擴展、可視化；

• 所有參數/狀態集中于 ExoData，方便通信與遠程配置；

• 硬件更換、控制策略切換非常方便，只需變更 SD 卡配置，無需代碼大改；

• 支持多MCU分布式架構（實時主控+通信/可視化分工），適合科學實驗和實際場景使用。

6. 與 Code Structure 的關系

高層功能模塊是所有底層 C++ 代碼和硬件抽象的核心“骨架”。每一個子模塊（如 Joint、Motor、Controller）都可在詳細的 Code Structure 章節查找對應的實現、繼承和接口規范。

實用建議

• 如需開發新功能，只需擴展 Joint/Motor/Controller 的派生類，并在 ExoData 里加入參數描述即可；若需遠程調參/數據可視化，可直接基于 ExoData 實例和 BLE 協議擴展新接口。