一米二的人形机器人:先别谈身高,先算扭矩和钱包
每次我在群里说要做一米二的人形,总有人问:为什么不是一米五?为什么不干脆一米八?
因为身高不是选出来的,是算出来的。而且算完的结果通常会比你想要的矮一截。
一、先把体格和体重的账算清
人形机器人行业内有个粗略的经验:同样构型下,尺寸线性放大 k 倍,质量大约放大 k³ 倍(如果结构厚度也同比例放大)。所以把身高从 1.0m 提到 1.2m,质量不是 +20%,而是接近 +73%。
1.0m / 18kg → 1.2m / 约 31kg(粗略等比放缩)
实际工程里因为结构优化,能压到 26~28kg,但不可能降到 20kg
而关节扭矩需求随体重线性增长,随力臂(腿长)线性增长,所以差不多是 k⁴ 的量级。这就是为什么每长高 10 厘米,成本会跳一个台阶。
二、腿部关节扭矩的快速估算
不用做完整的动力学仿真,单腿支撑静立这个最恶劣的静态场景就够筛掉一批方案了。
膝关节扭矩 ≈ 整机质量 × g × 膝关节到重心水平距离
以 28kg、步态中重心偏移 10cm 估算:
T ≈ 28 × 9.8 × 0.10 ≈ 27 N·m(持续)
峰值取 2.5~3 倍 → 约 70~80 N·m
髋关节除了力矩还要承担外展方向的大扭矩,往往比膝更吃规格。踝关节看着小,但因为它力臂最短、行程需求最精细,选不好直接导致站不稳(这一条我在另一篇里踩过,血泪)。
三、减速比:一个每天都在拉扯的选择
同样扭矩,你可以用"小电机 + 大减速比"或"大电机 + 小减速比"。差别在哪:
- 大减速比(比如 1:100 的行星或谐波):扭矩便宜、体积小、成本低。代价是不可反驱——你用手掰不动它的腿,落地冲击全部传到减速器和电机轴上,想做柔顺控制得靠力矩传感器或电流环估测。
- 小减速比(比如 1:9 的行星 + 大扭矩密度电机):可以反驱,落地能吸收冲击,控制上手感像"有弹性",这也是准直驱方案流行的原因。代价是贵、重、要自己设计驱动器。
我的选择是:髓和膝用中等减速比(约 1:10),躁用低减速比保留反驱能力。不是最优解,是在钱包和控制难度之间找的平衡点。
四、预算怎么分才不崩
我给自己的分配大致是:
- 执行器(电机 + 减速器 + 驱动):一半以上
- 结构件与加工:两成
- 传感(IMU、编码器、力传感器):一成多
- 电池、线束、连接器、备用件:剩下那点,但实际总是超
最容易超支的不是电机,是「连接器」和「备用件」。烧一两个驱动器是常态,你得把它算进预算里,而不是等它烧了再心疼。
五、三个真实建议
- 先做下半身,上半身最后再说。腿能走、能承重、能抗扰,这个项目就成了一半。手臂可以先用配重块代替,先把重心调对。
- 不要在第一台机器上追求外观。盖板、喷涂、隐藏线束这些事,等你确定内部结构不再改的时候再做,否则每改一次就重做一次。
- 把「能跑 demo」和「能连续跑十分钟」当两个不同的里程碑。很多机器只能坚持到拍完视频那一刻,热了就摍挑子。这两者之间的距离,比从零到 demo 还长。
一米二不是我想要的高度,是我算完账后能承担的高度。等哪天它真站起来了,我再考虑往上加那三十厘米。