X平臺(tái)Menlo Research最近分享了一個(gè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目由@asimovinc與@jandotai兩位作者聯(lián)合開發(fā)，利用100天時(shí)間，從零打造人形機(jī)器人雙腿結(jié)構(gòu)，整體開支包括開模、零件采購、人員、房租等成本累計(jì)達(dá)到3萬美元。

但團(tuán)隊(duì)希望通過優(yōu)化，將人形機(jī)器人整機(jī)成本控制在2.5萬美元，并且通過開源方式，人人能夠以這個(gè)價(jià)格復(fù)刻制造出來，讓中小實(shí)驗(yàn)室也能輕松制造人形機(jī)器人，目前該項(xiàng)目已在github開源社區(qū)上線。

▍模塊化設(shè)計(jì)2.5萬美元復(fù)刻人人可造的機(jī)器人來了

值得一提的是，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這個(gè)人形機(jī)器人名字叫做Asimov，其實(shí)它并不是只有腿部，而是擁有腿、軀干、手臂、頭部等獨(dú)立模塊。但目前研發(fā)團(tuán)隊(duì)僅將腿部硬件打造出來。

團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)很明確，就是要讓全世界任何地方的人，都能以低于2.5萬美元的成本復(fù)刻出Asimov。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，他們優(yōu)先選用了商用現(xiàn)貨部件。對(duì)于必須定制的零件，團(tuán)隊(duì)也絞盡腦汁適配低成本、小批量的制造工藝。大部分結(jié)構(gòu)件都能兼容多射流熔融3D打印技術(shù)，這種工藝不用開模就能做出高強(qiáng)度的功能件。

膝蓋部件的設(shè)計(jì)迭代，就是最好的例子。最初的膝蓋是兩部分拼接的3D結(jié)構(gòu)，需要復(fù)雜的加工路徑，還得多次調(diào)整機(jī)床參數(shù)，不僅耗時(shí)久、材料浪費(fèi)多，后續(xù)組裝也很麻煩。因此團(tuán)隊(duì)干脆推倒重來，把膝蓋改成了一塊簡單的平板結(jié)構(gòu)，大幅降低了數(shù)控加工的難度。

這些零件的幾何形狀還兼容鑄造和傳統(tǒng)3D打印工藝。就算沒有工業(yè)級(jí)的多射流熔融設(shè)備，普通團(tuán)隊(duì)也能造出自己的機(jī)器人。

▍Asimov 人形機(jī)器人靠仿生髖關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn) “人類級(jí)” 步態(tài)

在設(shè)計(jì)人形機(jī)器人的時(shí)候，團(tuán)隊(duì)表示，其中最關(guān)鍵的約束是電機(jī)尺寸，如果機(jī)器人做得太小，關(guān)節(jié)處就會(huì)堆滿電機(jī)，顯得臃腫突兀。確定了電機(jī)尺寸這個(gè)錨點(diǎn)后，團(tuán)隊(duì)反向推導(dǎo)，敲定了合理的連桿長度、膝蓋幾何形狀和電機(jī)安裝位置。

他們還參考了《人體運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)》這本解剖學(xué)和生物力學(xué)專著，把人體關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍的數(shù)據(jù)，直接轉(zhuǎn)化為機(jī)器人的關(guān)節(jié)限位參數(shù)，確保機(jī)器人的受力路徑和人體一致。

髖關(guān)節(jié)的F-A-R構(gòu)型，是仿生設(shè)計(jì)的點(diǎn)睛之筆。這種先 flexion（屈曲）、再 abduction（外展）、最后 rotation（旋轉(zhuǎn)）的布局，把髖關(guān)節(jié)的主屈伸軸放在更高的位置。這樣一來，機(jī)器人不僅能邁出更大的步伐，身體比例也更接近人類，比如能實(shí)現(xiàn)更長的軀干和更協(xié)調(diào)的腿長比。

從機(jī)械設(shè)計(jì)角度看，F(xiàn)-A-R構(gòu)型的優(yōu)勢更突出。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以巧妙地嵌入大腿上部，主屈伸電機(jī)則安放在髖關(guān)節(jié)組件的高處，外展電機(jī)剛好夾在中間，形成的結(jié)構(gòu)酷似人類的臀部，既美觀又實(shí)用。

最終定型的Asimov人形機(jī)器人，身高最低能做到1.2米。整機(jī)擁有26個(gè)自由度，重量控制在40公斤以內(nèi)，小批量制造成本有望壓到2萬美元以下。

▍雙腿擁有6個(gè)自由度100天累計(jì)成本不超3萬美元

Asimov機(jī)器人的每條腿都配備了6個(gè)自由度，足以支撐機(jī)器人完成類人的站姿調(diào)整和精準(zhǔn)落足。團(tuán)隊(duì)給膝蓋部件設(shè)定了嚴(yán)苛的性能指標(biāo)，在跪姿、懸停這類高負(fù)荷準(zhǔn)靜態(tài)場景下，能承受約40公斤的推力。為了簡化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化載荷路徑和組裝流程，他們把腿部的所有執(zhí)行器都布置在同一平面上，這種共面布局讓整個(gè)腿部的機(jī)械設(shè)計(jì)更簡潔高效。

算下來，整套腿部子系統(tǒng)的總成本剛過1萬美元。其中約8500美元花在執(zhí)行器和關(guān)節(jié)部件上，剩下的則用于電池和控制模塊。需要注意的是，Encos執(zhí)行器的具體定價(jià)并未公開。

值得一提的是，整個(gè)項(xiàng)目100天的研發(fā)總成本還不到3萬美元，這筆錢里還包含了場地租金、工具采購和零件更換的費(fèi)用。而且這些投入可以分?jǐn)偟秸麢C(jī)和其他子系統(tǒng)的研發(fā)中，對(duì)資金緊張的小型實(shí)驗(yàn)室非常友好。

▍腳踝和腳趾的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵機(jī)器人走路穩(wěn)不穩(wěn)全靠它

做過機(jī)器人的都知道，腳踝是最容易出問題的部件，不管是人類還是機(jī)器人，都是如此。

腳踝的設(shè)計(jì)直接決定了機(jī)器人走路時(shí)，腳掌如何向地面?zhèn)鬟f載荷和調(diào)整姿態(tài)。團(tuán)隊(duì)沒有選擇結(jié)構(gòu)簡單的單自由度串聯(lián)腳踝，而是用上了并聯(lián)RSU腳踝構(gòu)型。這種構(gòu)型能讓腳踝擁有兩個(gè)自由度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)翻滾和俯仰動(dòng)作。

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器可以協(xié)同工作，共同承擔(dān)起抬起整機(jī)的扭矩。更妙的是，這種設(shè)計(jì)能把沉重的部件放在靠近身體的位置，既提升了結(jié)構(gòu)剛性和運(yùn)動(dòng)精度，又優(yōu)化了機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，RSU腳踝還具備更好的反向驅(qū)動(dòng)特性，能更自然地響應(yīng)地面的接觸力。

團(tuán)隊(duì)也考慮過線性執(zhí)行器方案，這種方案能帶來更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，外觀上也更接近人類的肌腱結(jié)構(gòu)，但缺點(diǎn)也很明顯：運(yùn)動(dòng)速度更慢，成本也更高。

除了腳踝，團(tuán)隊(duì)還在腳上加了一個(gè)“小心機(jī)”被動(dòng)鉸接的腳趾關(guān)節(jié)。

這個(gè)設(shè)計(jì)完全復(fù)刻了人類的走路機(jī)制：站立時(shí)，腳趾能被動(dòng)彎曲貼合地面，增大接觸面積，讓載荷分布更均勻；而在從站立到蹬地發(fā)力的過渡階段，腳趾的作用更關(guān)鍵。有了腳趾的滾動(dòng)支撐，腳掌不用再以僵硬的邊緣為支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，而是像人類一樣平滑滾動(dòng)。這不僅能降低足部的峰值受力，還能保持腳掌和地面的持續(xù)接觸，最終實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的抓地力和更強(qiáng)的向前推進(jìn)力。

這種被動(dòng)柔順的腳趾設(shè)計(jì)，和特斯拉Optimus的方案異曲同工。不用額外增加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，就能獲得腳趾滾動(dòng)的全部好處，完美避開了加電機(jī)帶來的復(fù)雜度、重量和控制難題。

▍下一步要做的：補(bǔ)短板，湊整機(jī)

團(tuán)隊(duì)沒有止步于腿部研發(fā)，而是根據(jù)全量程測試中發(fā)現(xiàn)的問題，敲定了下一步的優(yōu)化方向。

髖關(guān)節(jié)是重點(diǎn)改進(jìn)區(qū)域。初代設(shè)計(jì)把髖關(guān)節(jié)俯仰電機(jī)以45度角安裝，初衷是更好地分散上身通過骨盆傳遞的載荷。但這個(gè)設(shè)計(jì)也帶來了麻煩，髖關(guān)節(jié)的屈曲范圍被嚴(yán)重限制，機(jī)器人連像樣的坐姿都做不出來。團(tuán)隊(duì)計(jì)劃把俯仰電機(jī)改成水平安裝，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)了90度，這樣就能恢復(fù)足夠的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，讓機(jī)器人輕松完成下蹲和坐姿動(dòng)作。

在制造和組裝層面，團(tuán)隊(duì)也在查漏補(bǔ)缺。早期樣機(jī)出現(xiàn)過漏打孔的問題，后續(xù)會(huì)優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)，提升零件的公差一致性。他們還打算把腳踝轉(zhuǎn)軸的材料從鋁合金換成鋼材，以此提升耐磨性和強(qiáng)度余量。

最重要的是，研發(fā)重心已經(jīng)從腿部迭代轉(zhuǎn)向了整機(jī)集成。目前整機(jī)的26個(gè)自由度已經(jīng)全部敲定，重量也控制在40公斤以下，最終的精確重量還在持續(xù)優(yōu)化中。

目前這個(gè)項(xiàng)目已在github開源社區(qū)上線，如果你也對(duì)這個(gè)項(xiàng)目感興趣，不妨一起加入這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)。

開源地址：https://github.com/asimovinc/asimov-v0