放眼整個(gè)市場，零售價(jià)格10萬元以內(nèi)的雙足人形機(jī)器人平臺并不多見，宇樹Unitree G1零售價(jià)9.9萬元人民幣，雖已量產(chǎn)，但一機(jī)難求。如果將價(jià)格再度下探，逐際動(dòng)力TRON 1可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，終端零售價(jià)6.98萬元，購一得三，不僅價(jià)格親民，還具備雙點(diǎn)足、雙足、雙輪足三種足端形態(tài)。但如果要求在5萬以內(nèi)，是否還有可選擇的空間呢？我們注意到此前眾擎機(jī)器人以3.85萬元發(fā)布了旗下首款搭載行星驅(qū)動(dòng)的SA01雙足人形機(jī)器人，引起市場巨大關(guān)注。該產(chǎn)品定位于個(gè)人開發(fā)者和小型科研機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品完成度高，同樣，由于超高性價(jià)比，導(dǎo)致該機(jī)器人訂單量暴增，交付周期較長。有沒有一種可能，通過自己靈巧的雙手和知識儲(chǔ)備，DIY手搓一臺開源雙足人形機(jī)器平臺呢？
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你別說，還真有一位大神這么干了！這位來自知乎的大神名叫Alexhuge，使用CNC加工機(jī)器人零部件，并在某電商平臺采購三款達(dá)妙一體化關(guān)節(jié)電機(jī)，配合碳纖維管與碳纖維板，成功打造了AlexBot雙足機(jī)器人，該機(jī)器人使用GPL3.0開源協(xié)議，具備硬件行走能力。
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▍AlexBot雙足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理
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知乎大神Alexhuge打造的版本為下半身AlexBot雙足機(jī)器人，一條腿擁有5個(gè)關(guān)節(jié)，其中胯關(guān)節(jié)3自由度，膝關(guān)節(jié)1自由度，踝關(guān)節(jié)1自由度，為了降低整體小腿慣量，Alexhuge將膝關(guān)節(jié)電機(jī)上移至胯部。電機(jī)使用了達(dá)妙DM-J8009作為胯關(guān)節(jié)大腿電機(jī)，額定功率為20N.m，峰值扭矩為40N.m。其他關(guān)節(jié)采用DM-J8006，踝關(guān)節(jié)采用DM-J6006。整體機(jī)械使用SW2021版本設(shè)計(jì)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化和結(jié)構(gòu)有限元仿真，仿真優(yōu)化采用Altair Inspire制作。大腿部分采用CNC一體沖壓設(shè)計(jì)，其成本在5000元左右。
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AlexBot雙足機(jī)器人軟件算法及硬件結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)構(gòu)架
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硬件部分使用了STM32H7B0核心板，這是一款基于ARM? Cortex?-M7內(nèi)核的高性能微控制器（MCU），搭載了Cortex-M7內(nèi)核，最高主頻可達(dá)280MHz，具備高性能的浮點(diǎn)運(yùn)算能力和指令集擴(kuò)展。作者集成了一個(gè)九軸陀螺儀做外環(huán)控制，上位機(jī)使用了一個(gè)英偉達(dá)的Jetson Xavier NX作為主電腦。
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AlexBot雙足機(jī)器人本體部分機(jī)械結(jié)構(gòu)
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整體電路當(dāng)中所包含兩個(gè)分電板以及一個(gè)STM32H7B0VBT6為核心的控制板和上位機(jī)Jetson Xavier NX。由電源供電24V給到4個(gè)DM6006，4個(gè)DM8006和兩個(gè)DM8009。接入24V轉(zhuǎn)壓模塊輸出5V和19V電壓分別給主控核心板和Jetson Xavier NX供電，主控核心板主要處理矩陣變換以及和電機(jī)之間的CAN通訊問題。
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AlexBot雙足機(jī)器人髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
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AlexBot雙足機(jī)器人每條腿配備有五個(gè)電機(jī)，分別是兩個(gè)DM6006、DM8006以及一個(gè)DM8009，作者充分考慮到CAN總線帶寬占用問題，目前一個(gè)STM32H7B0核心板的一個(gè)CAN通道最多接入五個(gè)電機(jī)，CAN1接入左腿的五個(gè)電機(jī)，CAN2接入右腿的兩個(gè)電機(jī)，同時(shí)核心板皆有帶有隔離的多路串口和RS485接口，可以順利的完成和Jetson Xavier NX的通訊。
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AlexBot雙足機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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在電源選取上，AlexBot一共所需四個(gè)DM6006電機(jī)，四個(gè)8006電機(jī)以及兩個(gè)DM8009電機(jī)，根據(jù)預(yù)估額定電壓和額定電流，最終作者選用了輸出功率為2KW的DC直流源作為供電電源。
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金屬件及組裝 ? ?
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此外AlexBot選用STM32H7B0VBT6作為核心芯片，引出兩路CAN通道FDCAN1和FDCAN2。電路設(shè)計(jì)包含輸入的5V過壓保護(hù)設(shè)計(jì)，通過一個(gè)PNP和一個(gè)P-MOS來完成電路過壓時(shí)自動(dòng)斷開電路并直接接入GND。同時(shí)內(nèi)置IMU，可以選擇多種方式與之通訊，可以通過模擬IIC來獲取九軸數(shù)據(jù)或者通過串口實(shí)現(xiàn)九軸的數(shù)據(jù)獲取。同時(shí)板內(nèi)內(nèi)置兩路485通訊接口，通過MAX13487RS485邏輯電平轉(zhuǎn)換芯片，將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS485協(xié)議的電平，并通過外部電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖詣?dòng)換向，同時(shí)引出多路串口接口，為了防止高壓通過串口直接損壞芯片，在每一路的串口輸出中，接入了Π122M31雙通道數(shù)字隔離器芯片進(jìn)行隔離。并引出幾路定時(shí)器接口可以輸出PWM波方便后續(xù)方案改進(jìn)或者調(diào)試。
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▍模仿學(xué)習(xí)算法&全身MPC&WBC控制設(shè)計(jì)
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AlexBot在仿真和強(qiáng)化學(xué)習(xí)方面，作者使用了NVIDIA Isaac Gym和Legged Gym。由于采用5個(gè)自由度，所以作者修改了leggedgym/envs/base中l(wèi)eggedrobot.py，將維度部分進(jìn)行調(diào)整。
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Alexhuge表示，目前步態(tài)限制規(guī)劃已經(jīng)取得了初步成果，負(fù)責(zé)算法的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)讓機(jī)器人行走成功。
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目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)根據(jù)電控的限位要求調(diào)整了URDF文件中的關(guān)節(jié)，可以通過MuJoCo查看器查看，后續(xù)會(huì)繼續(xù)更新Sim-to-Real和強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練，讓AlexBot實(shí)現(xiàn)更加流暢的步態(tài)行走能力。
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▍整體花費(fèi)2萬出頭 BOM成本可控
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Alexhuge表示，目前本體硬件控制在20000元左右，并且一體化關(guān)節(jié)電機(jī)采用達(dá)妙解決方案，10臺關(guān)節(jié)電機(jī)標(biāo)價(jià)為13000元，經(jīng)過多輪協(xié)商，最終以10500元價(jià)格拿下，達(dá)妙還一并贈(zèng)送USB轉(zhuǎn)CAN模塊和H723開發(fā)板。
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CNC模具上，Alexhuge在某工廠咨詢價(jià)格為6800元，實(shí)際成交價(jià)格為5000元，量大后整體成本還能更低。此外作者列出AlexBot雙足機(jī)器人的26個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，累計(jì)1723.7元。此前預(yù)估成本為24691.7元，但優(yōu)惠后，實(shí)際成本僅有20000出頭。目前該機(jī)器人單一模塊成本最高的為NVIDIA Jetson Xavier NX開發(fā)套件，價(jià)格為5119元。
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Alexhuge表示，目前在AlexBot雙足機(jī)器人整體已經(jīng)基本完成，但大腿的一體化關(guān)節(jié)電機(jī)有可能在后續(xù)進(jìn)行升級更新，更換達(dá)妙DM10010L，該電機(jī)額定扭矩40N.m，峰值扭矩可達(dá)120N.m，單電機(jī)售價(jià)僅為1198元。而此前大腿方案采用達(dá)妙DM-J8009零售價(jià)格為2199元，額定扭矩僅為20N.m，價(jià)格與性能均相差一倍。如果采用達(dá)妙DM10010L方案，整體BOM成本會(huì)再下調(diào)2000元左右。達(dá)到2萬元以內(nèi)的價(jià)格。?
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目前知乎大神Alexhuge已經(jīng)公布了Github開源地址，地址如下：
https://github.com/Alexhuge1/Alexbot
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▍關(guān)于Alexhuge：
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現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院學(xué)生黃一，網(wǎng)絡(luò)昵稱Alexhuge，研究課題為《雙足人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)與步態(tài)規(guī)劃》，該研究團(tuán)隊(duì)成員包括：趙之也、任飛、朱騏、張堡鑫。指導(dǎo)教師為機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，哈工大人工智能研究院首席科學(xué)家朱延河。