一台3D打印机就能造机器人？伯克利最新：硬件总成本不到5000美元，全身开源！

导读

在科技飞速发展的当下，仿人机器人作为前沿领域备受瞩目。从科研探索到实际应用，仿人机器人的身影愈发常见。然而，高昂的成本、封闭的源代码以及复杂的定制难题，如同重重壁垒，阻碍着这一领域的广泛发展与创新。今天，我们要带大家认识一款打破这些壁垒的“神器”——伯克利轻量仿人机器人（Berkeley Humanoid Lite），看看它是如何为仿人机器人领域带来新曙光的。

©️【深蓝AI】编译

本文由paper一作——Yufeng Chi授权【深蓝AI】编译发布！

论文题目：Berkeley Humanoid Lite: An Open-source, Accessible, and Customizable 3D-printed Humanoid Robot

论文作者：Yufeng Chi, Qiayuan Liao, Junfeng Long, Xiaoyu Huang, Sophia Shao, Borivoje Nikolic, Zhongyu Li, Koushil Sreenath

论文地址：https://www.arxiv.org/abs/2504.17249

项目主页：https://lite.berkeley-humanoid.org/

一、仿人机器人发展困境：高门槛阻碍前行

在仿人机器人的世界里，现状并不乐观。现有的商业产品大多价格不菲，像Agility Robotics的Digit、Fourier Intelligence的GR1等，它们的高昂售价让许多研究团队和爱好者望而却步。不仅如此，这些产品往往是封闭源代码的，用户无法根据自身需求进行修改和优化，严重限制了个性化定制与创新。

而研究实验室开发的机器人，虽然性能出色，自由度高且扭矩大，例如伯克利仿人机器人（Berkeley Humanoid）、MIT仿人机器人（MIT Humanoid）等，但它们依赖先进制造技术，如CNC加工、激光切割等，这些技术需要专业设备和高超技能，只有少数机构能够掌握，这就使得这些机器人难以在更广泛的范围内推广应用。

开源社区项目虽降低了一些门槛，像Poppy Humanoid、OP3等利用3D打印技术和伺服电机，但伺服电机存在诸如缺乏反向驱动能力、反射惯量大等问题，导致机器人反应较慢，难以满足中大型仿人机器人的性能需求。由此可见，开发一款开源、经济实惠且易于定制的仿人机器人迫在眉睫。

二、伯克利轻量仿人机器人：创新设计突破壁垒

伯克利轻量仿人机器人应运而生，它就像是为解决行业困境量身打造的“救星”。这款机器人在设计上极具巧思，充分考虑了可及性和定制性。

图1 | 伯克利轻量仿人机器人肢体的主要部件和关键尺寸。 

从系统设计来看，它体型适中，身高0.8米，体重16千克。两个不同尺寸的3D打印摆线齿轮箱直接驱动腿部和手臂关节，这种设计不仅独特，而且有效平衡了成本与机械强度。机器人的躯干由铝型材构建，便于安装其他组件，手机级别的IMU（惯性测量单元）安置在躯干中心附近，能精准感知运动状态。

在组件选择上，伯克利轻量仿人机器人摒弃了那些难以获取的特殊部件，绝大多数零件都能从常见的在线市场，如亚马逊、淘宝（速卖通）购得，电子元件则来自Digikey、Mouser等知名供应商，极大地降低了采购难度和成本。

3D打印技术在这款机器人上得到了充分运用，所有非标准结构部件均采用FDM（熔融沉积建模）技术打印而成，选用的PLA（聚乳酸）材料机械性能可靠，打印特性良好。为了弥补3D打印塑料部件的不足，如强度较低、制造存在差异和各向异性等问题，机器人采用摆线齿轮箱，它能将负载分散到多个齿上，有效适应桌面3D打印机的有限分辨率，提高可靠性。同时，通过增加贯穿螺丝、嵌入黄铜六角柱等方式加固结构，确保整体负载能力。

在成本控制方面，伯克利轻量仿人机器人表现出色。在美国和中国，其组装总成本均控制在5000美元以下，详细的成本清单明确列出了每个部件的价格，让用户对成本一目了然。而且，大部分现成零件一周内就能发货，定制零件打印也只需一周，整个机器人组装仅需约三天，维修更换零件也十分便捷，大大降低了使用门槛。

除了可及性，伯克利轻量仿人机器人的定制性也十分突出。它的关节配置灵活，相邻关节间的连接长度调整轻松，只需用碳纤维管就能将腿部延长，使其变身成人形大小的平台。关节顺序也能互换，不同的髋关节配置能显著影响机器人的运动范围、功耗和效率，方便研究人员在实际硬件上快速测试不同设计。而且，由于其执行器只需电力和CAN通信，每个CAN总线最多可支持64个设备，这使得机器人能轻松变换形态，摇身一变成为四足机器人、双足机器人、半人马状机器人或移动基座平台，满足不同的研究和应用需求。

三、性能评测：可靠耐用，表现卓越

一款优秀的机器人，其执行器的性能至关重要。为此，研究团队对伯克利轻量仿人机器人的执行器进行了全方位测试。

在功率效率测试中，使用定制测功机台，在不同速度下对执行器进行测试。结果显示，在大多数工作条件下，齿轮箱的机械效率约为90%，不过在高扭矩和高速度时，由于发热效率会有所下降，但整体仍在可接受范围内。

传动刚度测试时，通过固定输出轴，测量不同静态扭矩下电机的位移。经计算，其刚度约为319.49 Nm/rad ，虽比使用碳纤维增强聚酰胺材料的类似3D打印摆线减速器稍低，但也能满足实际使用需求。

图2 | 6512型执行器的爆炸图和剖视图。所有部件均为3D打印件或购自在线市场

耐久性测试则是让执行器以0.5Hz的频率反复提起一个摆锤，持续60小时。在测试过程中，效率先降后升，最终保持稳定，而齿隙虽因零件磨损略有增加，但始终在可接受限度内，证明执行器的耐久性良好。

此外，研究人员还对不同3D打印机打印的执行器进行一致性测试，发现它们的效率和扭矩跟踪误差都保持一致，扭矩误差在整个工作范围内都控制在±0.5 Nm以内，这充分表明该执行器设计可靠，不受制造来源的影响。位置跟踪精度测试也显示，单个执行器模块的最大齿隙为0.0229 rad，标准差为0.0042 rad，由五个执行器组成的5自由度串行臂在多次重复到达空间目标的任务中，定位标准差仅为3.433 mm，系统级性能表现出色。

四、实验验证：实力过硬，应用广泛

为了进一步验证伯克利轻量仿人机器人的能力，研究团队进行了一系列实验，涵盖了仿人机器人研究中的关键领域：运动和操作。

在腿部运动实验中，研究人员将机器人的运动任务建模为部分可观测马尔可夫决策过程（POMDP），并使用近端策略优化（PPO）算法学习控制策略。令人惊喜的是，通过在Isaac Gym中训练的策略可以直接应用到实际机器人上，无需额外的状态估计方法。机器人能根据用户指定的速度命令行走，且实验中仅使用了执行器扭矩限制的30%，这意味着相同的执行器设计足以支持更大尺寸的仿人机器人，而不会影响性能。

图3 | 一种可供选择的成人尺寸机器人配置，其腿部有 7 个自由度，手部灵活

在远程操作实验中，机器人配备的两个5自由度手臂和集成夹爪发挥了重要作用。研究团队利用SteamVR基站和控制器搭建了远程操作系统，该系统具有两种操作模式：无头模式和VR模式。无头模式适合没有VR设备的用户，用户能从“第三人称”视角直观控制机器人；VR模式则提供沉浸式的“第一人称”控制体验，让用户仿佛身临其境。借助这个系统，机器人能够完成书写、开箱装箱、解魔方、拾取和放置积木等复杂任务，展现出强大的操作能力。

除了科研领域，伯克利轻量仿人机器人在教育和娱乐等领域也有着广阔的应用前景。在教育方面，它可以作为工程教育的理想教具。在机电一体化课堂上，学生能通过操作6512执行器，深入了解电机执行器的工作原理，还能尝试不同类型的齿轮，甚至用模块化执行器搭建自己的机器人。在控制课程和机器人课程中，学生可以基于此开发算法、进行实验，提升实践能力。在娱乐领域，凭借其模块化和轻量化设计，结合动漫风格的外观和富有表现力的动作设计，它有望成为极具吸引力的动画机器人平台，尤其适合面向年轻观众的娱乐场景。

五、展望未来：持续改进，前景无限

当然，伯克利轻量仿人机器人并非十全十美。目前，对于长时间运行中3D打印结构的热效应研究还不够充分，这可能会影响机械强度和系统可靠性。不过，研究团队已经意识到这一问题，并计划在未来的迭代中加强热测试和结构优化。同时，还有更多潜在的机器人形态等待探索和开发，相信在不断的改进和创新中，伯克利轻量仿人机器人将变得更加完善。

伯克利轻量仿人机器人的出现，为仿人机器人领域注入了新的活力。它以开源的设计、亲民的价格、出色的性能和广泛的应用前景，为研究人员、教育工作者和爱好者提供了一个理想的平台。它让我们看到，仿人机器人不再是遥不可及的科技幻想，而是逐渐走进现实生活的实用工具。期待在未来，这款机器人能在更多领域发挥作用，推动仿人机器人技术不断向前发展，为我们的生活带来更多惊喜和改变。