當(dāng)前限制人形機(jī)器人規(guī)模化落地的主要因素有兩點(diǎn)，第一是機(jī)器人的泛化能力有限，在實(shí)際場景下技術(shù)的遷移能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，導(dǎo)致其無法在具體環(huán)境中部署。第二是制造成本限制，主流人形機(jī)器人本體價(jià)格普遍在50萬左右，個別高端型號甚至達(dá)到百萬級別。

高昂的開發(fā)成本、閉源的設(shè)計(jì)架構(gòu)及有限的定制能力，成為制約該領(lǐng)域快速發(fā)展的主要瓶頸。為解決這一問題，加州大學(xué)伯克利分校池宇峰團(tuán)隊(duì)打造了一款低成本開源人形機(jī)器人Berkeley Humanoid Lite，該機(jī)器人采用桌面3D打印制造，支持定制化設(shè)計(jì)，本體BOM成本在5000美元以內(nèi)，約合35000元人民幣。

▍成本破局！低成本3D打印專為開發(fā)者量身打造！

當(dāng)前市場上的人形機(jī)器人平臺主要分為商業(yè)產(chǎn)品和研究原型兩類。商業(yè)產(chǎn)品如Agility Robotics的Digit、Fourier Intelligence的GR1等，雖然性能卓越，但價(jià)格普遍超過數(shù)萬美元，使得大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和個人難以承受。此外，盡管研究原型具備較高的定制性與性能表現(xiàn)，但因其制造依賴CNC加工、激光切割等專門流程，而這類設(shè)施并非所有研究機(jī)構(gòu)都能輕松獲取，從而嚴(yán)重限制了其廣泛應(yīng)用范圍。

開源硬件與軟件在推動技術(shù)創(chuàng)新及促進(jìn)協(xié)作方面，蘊(yùn)含著巨大潛力。通過公開共享設(shè)計(jì)文件與代碼，研究人員得以相互學(xué)習(xí)、取長補(bǔ)短并持續(xù)改進(jìn)，進(jìn)而加速技術(shù)的迭代進(jìn)程與優(yōu)化升級。在人形機(jī)器人這一前沿領(lǐng)域，開源特性與定制化需求顯得尤為迫切。這不僅能夠有效降低開發(fā)成本，還能提高系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性，推動技術(shù)的普及和應(yīng)用。

Berkeley Humanoid Lite的核心設(shè)計(jì)理念聚焦于開源與可定制。研究團(tuán)隊(duì)為用戶提供了全面且完整的硬件設(shè)計(jì)文件、嵌入式代碼，以及訓(xùn)練和部署框架，使用戶能夠依據(jù)自身實(shí)際需求，自由地對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行修改與定制。

為降低使用門檻，Berkeley Humanoid Lite采用3D打印技術(shù)，并選用現(xiàn)成電子元件，成功將總硬件成本控制在5000美元以內(nèi)。這一價(jià)格遠(yuǎn)低于市場上同類商業(yè)產(chǎn)品，讓更多研究機(jī)構(gòu)和個人能夠負(fù)擔(dān)得起。研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)與供應(yīng)鏈管理，巧妙地將高性能與低成本融為一體。

在模塊化與易制造方面，Berkeley Humanoid Lite的設(shè)計(jì)著重突出這兩大特性。其所有結(jié)構(gòu)部件均可通過標(biāo)準(zhǔn)桌面3D打印機(jī)制造，電子和機(jī)械部件則能從主流在線供應(yīng)商處輕松購得。這種設(shè)計(jì)模式大幅降低了制造復(fù)雜度，提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性與升級性。此外，模塊化設(shè)計(jì)使用戶能夠根據(jù)實(shí)際需求，便捷地更換或升級部件，進(jìn)而延長系統(tǒng)的使用壽命。

▍Berkeley Humanoid Lite本體結(jié)構(gòu)與機(jī)械設(shè)計(jì)原理解析

Berkeley Humanoid Lite定位于中型尺寸人形機(jī)器人平臺，身高為0.8米，體重16公斤。該平臺的主要機(jī)械部件涵蓋腿部和臂部的關(guān)節(jié)驅(qū)動器、軀干結(jié)構(gòu)，以及集成在手機(jī)級IMU（慣性測量單元）上的位置傳感器。

關(guān)節(jié)驅(qū)動器運(yùn)用了3D打印的擺線齒輪箱設(shè)計(jì)，可直接驅(qū)動腿部和臂部的關(guān)節(jié)運(yùn)動。擺線齒輪借助多個齒同時嚙合來分散載荷，有效提升了齒輪的承載能力與使用壽命。不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還對齒輪參數(shù)和制造工藝進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提高了齒輪的傳動效率和精度。

軀干結(jié)構(gòu)采用鋁型材搭建，具備高剛性和輕量化的特性。鋁型材之間通過螺栓連接，構(gòu)建出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)框架。同時，軀干上集成了手機(jī)級IMU，可實(shí)時監(jiān)測機(jī)器人的姿態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)。IMU所采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至控制計(jì)算機(jī)，為機(jī)器人的運(yùn)動控制提供關(guān)鍵反饋信息。

Berkeley Humanoid Lite的電子系統(tǒng)主要由控制計(jì)算機(jī)、關(guān)節(jié)驅(qū)動器控制器、IMU以及電源管理模塊構(gòu)成。其中，控制計(jì)算機(jī)選用Intel N95迷你PC，充當(dāng)?shù)图壙刂朴?jì)算機(jī)。關(guān)節(jié)驅(qū)動器控制器通過CAN總線與控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的關(guān)節(jié)位置控制。IMU數(shù)據(jù)同樣通過USB接口傳輸至控制計(jì)算機(jī)，為運(yùn)動控制算法提供實(shí)時反饋。電源管理模塊則承擔(dān)著為整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定電力供應(yīng)的重任。

▍實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證環(huán)節(jié)Berkeley Humanoid Lite綜合性能表現(xiàn)出色

在關(guān)節(jié)驅(qū)動器性能測試環(huán)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)著重對擺線齒輪箱設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)驅(qū)動器進(jìn)行了效率、傳動剛度以及耐久性等多項(xiàng)指標(biāo)的評估。效率測試結(jié)果顯示，在多數(shù)工作條件下，關(guān)節(jié)驅(qū)動器展現(xiàn)出高效的能量轉(zhuǎn)換能力，機(jī)械效率穩(wěn)定保持在90%左右，這表明其能夠有效地將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，大幅減少了能量在傳動過程中的損耗，為機(jī)器人長時間穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

傳動剛度測試中，盡管3D 打印的齒輪箱在剛度上相較于傳統(tǒng)金屬齒輪箱略有遜色，但研究團(tuán)隊(duì)通過精心優(yōu)化齒輪設(shè)計(jì)，并增加必要的支撐結(jié)構(gòu)，使得關(guān)節(jié)驅(qū)動器的傳動剛度達(dá)到了滿足整機(jī)運(yùn)動需求的理想水平，確保了機(jī)器人在運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)傳動的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。耐久性測試更是持續(xù)了數(shù)百小時，期間關(guān)節(jié)驅(qū)動器始終保持穩(wěn)定運(yùn)行，性能未出現(xiàn)明顯下降，充分證明了其具備良好的耐久性和可靠性，能夠適應(yīng)長時間、高強(qiáng)度的工作場景。

整機(jī)行走實(shí)驗(yàn)是驗(yàn)證Berkeley Humanoid Lite 實(shí)際運(yùn)動能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多種復(fù)雜地形，包括平坦地面、不同坡度的斜坡以及高低不一的臺階等。在平坦地面上，機(jī)器人行走姿態(tài)穩(wěn)定，步伐流暢，能夠精準(zhǔn)地按照預(yù)設(shè)路徑前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎，展現(xiàn)出良好的基礎(chǔ)運(yùn)動能力。

面對斜坡時，機(jī)器人能夠根據(jù)坡度自動調(diào)整身體重心和腿部發(fā)力方式，保持平衡并順利攀爬或下行，體現(xiàn)了其出色的適應(yīng)能力和動態(tài)平衡控制能力。

在臺階環(huán)境中，機(jī)器人通過精確的腿部關(guān)節(jié)控制和身體姿態(tài)調(diào)整，一步一步穩(wěn)健地上下臺階，充分證明了其在復(fù)雜地形下的行走能力和運(yùn)動協(xié)調(diào)性。通過不斷調(diào)整控制參數(shù)和優(yōu)化步態(tài)規(guī)劃算法，機(jī)器人對各種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力得到了進(jìn)一步提升，為未來在實(shí)際場景中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

遙操作實(shí)驗(yàn)則聚焦于驗(yàn)證機(jī)器人在人類操控下的操作精度和實(shí)時性。實(shí)驗(yàn)中，操作員通過專門的遙操作設(shè)備向機(jī)器人發(fā)送指令，控制其完成書寫、抓取與放置物體等復(fù)雜任務(wù)。

在書寫任務(wù)中，機(jī)器人能夠準(zhǔn)確跟隨操作員的指令，在指定位置書寫出清晰、規(guī)整的字符，展現(xiàn)出較高的操作精度。

抓取與放置物體任務(wù)中，機(jī)器人能夠根據(jù)物體的形狀、大小和位置，精準(zhǔn)地調(diào)整手臂姿態(tài)和手指抓握力度，順利完成抓取、搬運(yùn)和放置等動作，且整個過程流暢自然，實(shí)時性良好。這表明Berkeley Humanoid Lite 在遙操作模式下具備出色的操作能力和響應(yīng)速度，能夠滿足多種實(shí)際應(yīng)用場景的需求。

▍結(jié)語與未來：

Berkeley Humanoid Lite 作為一款開源、可定制且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的 3D 打印人形機(jī)器人平臺。它借助模塊化設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用 3D 打印技術(shù)，并采用現(xiàn)成的電子元件，大幅降低了人形機(jī)器人的開發(fā)成本，同時有效簡化了制造流程、降低了制造復(fù)雜度。未來研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)對平臺設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，著力提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與適應(yīng)性，進(jìn)一步挖掘該平臺的潛在應(yīng)用價(jià)值。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/2504.17249