The Bumps Project — 机器人终局

Robot Max

自律型微型宠物机器人的完整技术文档。生物机械架构、先进材料、被动行走运动学以及工程概念图。

12cm
尺寸
65.8g
质量
57
组件数
~400
估算成本
6.7h
电池续航

基本概念

家庭机器人技术在历史上一直建立在纯粹的实用主义范式之上:扫地、分类物品、自动化日常任务。而 The Bumps Project 探索了一条截然不同的道路:纯粹情感关联的机器人技术。设计一个仅有 12 厘米高、毫无实际实用功能的物理伴侣,看似是一个悖论。然而,恰趣的是在这种显而易见的“无用性”中,蕴含了该方法最奇妙的特质。通过摆脱功能的束缚,机器转而成为纯粹共情的目标。在镍钛诺肌肉带来的有机静音驱动下,并赋予细微的触觉感知反应,它不再是一个工具,而是一个显然充满生命力的存在。这在物理上如同在家庭中引入了一缕诗意的气息:一个小小的机械生命,虽不履行任何家务任务,但其纯粹的存在与设计出的柔弱感,唤醒了我们内心深处本能而深厚的情感共鸣。

Max 是一款 12 厘米高的自律型微型宠物机器人,外形呈圆润矮胖的橄榄绿有机生物状,拥有一双大而圆的黑色眼睛和两根弯曲的细天线。在硅胶皮肤下方,隐藏着 3D 打印的内骨格、镍钛诺 (Nitinol) 人工肌肉以及云端协作头脑。

🧬

有机仿生学

驼背姿态、被动摆动步态、面部微表情。每一个动作都旨在展现自然与生命感,而非机械冷板。

🧠

分布式云端AI

板载的 ESP32-S3 芯片处理本地传感与反射,复杂的神经网络推理通过 Wi-Fi 卸载至云端服务器——采用“共生主机”架构。

🤫

绝对静音设计

完全不使用任何齿轮电机。所有运动均由人工肌肉(镍钛诺、LCE)与超声波压电电机产生,运行机械噪音为零。

🛡️

被动脱力保护协议 (PAD)

在遭遇危险或压力超过 45N 时,ER 流体瞬间固化以锁死关节,随后肌肉松弛,Max 会“瘫软倒下”——模拟自然界的装死行为。

🔋

充电方式 Sans Contact

锂-硫 (Li-S) 1200 mAh 电池 rechargeable par induction Qi. Max revient instinctivement vers son « nid » de recharge quand l'énergie est basse.

🖐️

触觉皮肤 (EIT)

硅胶皮肤内的 16 个电极使全身触摸检测的分辨率达到 2-3 毫米。Max 能“感觉”到它在被抚摸。

机器人视觉效果

由 AI 生成的六幅技术插图,从工程图纸到电影级肖像,覆盖了 Max 的每一个角度。

生物机械架构

在圆润橄榄绿的生物外观之下,Max 采用同心分层架构,从核心的刚性内骨架一直延伸到表面的触觉皮肤。

身体区域结构分解

🧠 头部(钛合金头骨)

  • DMLS 打印钛合金头骨(兼作散热器)
  • 2× CMOS OV2640 微型相机(眼睛)
  • 2× MEMS ICS-43434 麦克风(耳朵)
  • ESP32-S3-WROOM-1(本地大脑)
  • CML CM824 驱动芯片(8通道 SMA)
  • 6× 双晶片 SMA 10mg(面部微表情)
  • 2× 甲醇热管天线

🦴 颈部(颈部区域)

  • 寰枕关节(黄铜球头关节)
  • 4× 50微米镍钛诺肌肉(头部俯仰侧摆)
  • 充填 h-BN 的硅胶导热套管
  • I²C + PWM 连接排线(8针)

🫁 体干(胸部后背)

  • 驼背型 PLA/PETG 内骨骼(FDM 打印)
  • 皮下铜网导热编织线
  • 4× 被动换气流道
  • 2× LCE 驱动器(模拟胸腔呼吸)
  • 16电极 EIT 触觉感知模块

⚖️ 骨盆(重心区域)

  • 不锈钢偏心凸轮轴
  • 旋转式压电电机(超静音)
  • 15克重钨质摆锤(超低重心)
  • 锂-硫 (Li-S) 1200 mAh 电池
  • ø20mm Qi 无线受电线圈
  • DC-DC 电源转换模块

🦿 腿部(双腿)

  • 髋关节(黄铜球头关节)
  • 2× 75微米镍钛诺肌肉(腿部屈伸)
  • 迪尼玛 0.1mm 拉伸腱(被动复位)
  • MEP 微型电磁离合器(关节锁死)
  • 电场响应 (ER) 流体(膝关节、PAD)
  • 弧形硅胶足底(实现被动滚动行走)

🧤 皮肤(外层皮肤)

  • 液体硅胶 Ecoflex 00-30 (~2mm)
  • 半透明橄榄绿色调
  • 内嵌石墨烯电容式触觉传感器
  • DEA 介电弹性体膜(表皮微颤运动)
  • 分布式 EIT 网络(用于本体感觉)

运动驱动技术

Max 采用混合动力架构,融合了 6 种不同的驱动技术,每种技术均针对特定的运动形式进行了优化。

驱动技术综合对比表

驱动技术 Force 速度 静音性 能效 质量 产热 Max 实际应用
Nitinol SMA (50µm) ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★☆☆☆☆ ★★★★☆ ★☆☆☆☆ 主要运动肌肉
SMA Bimorph (10mg) ★★★☆☆ ★★★☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ 面部微表情
LCE (Élastomère LC) ★★☆☆☆ ★☆☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★☆☆☆ 胸腔疑似呼吸
MSMA (Magnétique) ★★★☆☆ ★★★★★ ★★★★☆ ★★★☆☆ ★★★☆☆ ★★★★★ 天线偏摆 (>50 Hz)
DEA (Diélectrique) ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★★★★ ★★★★☆ ★★★★★ ★★★★★ 表皮微颤
Piézo Rotatif ★★★★☆ ★★★★☆ ★★★★★ ★★★★★ ★★★☆☆ ★★★★★ 步行主电机
Fluide ER N/A (blocage) ★★★★★ ★★★★★ ★★★★☆ ★★☆☆☆ ★★★★★ PAD 应急锁死

镍钛诺 (Nitinol) — 主力肌肉

镍钛诺 (Flexinol) 性能参数

  • 相变完成温度 (Af)40-45°C
  • 输出功率密度100 W/g
  • 有效行程3-5%
  • 推荐线径25-100 µm
  • 自然冷却时间 (50µm)500 ms
  • h-BN 复合硅胶冷却时间 (50µm)150 ms

氮化硼导热硅胶 — 陶瓷导热散热

充填了六方氮化硼 (h-BN) 的硅胶是替代高风险 LMPE 的绝佳现实方案。作为电绝缘体(短路风险为零)且化学惰性(不腐蚀铜),它提供 1.5 至 3 W/m·K 的优异导热系数。

  • 放热速率提升×2 à ×3
  • 目标收缩频率4-5 Hz
  • 制造工艺DIY 手工(RTV 硅胶+h-BN 陶瓷粉末混合)

被动行走的运动学

Max 结合偏心凸轮产生的骨盆横摆以及倒立摆物理模型实现步行。这是一种受人类行走启发的超低能效系统。

🔄 倒立摆机构

双腿在重力作用下自然摆动。其 2.66 Hz 的固有频率完全由腿长 (35mm) 和重力加速度决定。

  • 周期375 ms
  • 频率2.66 Hz

⚙️ 偏心凸轮

超声波压电电机驱动不锈钢偏心轴(3mm 偏心量),将能量传递至钨摆以产生步行所需的骨盆横摆。

  • 偏心距3.0 mm
  • 骨盆摇摆角4.9°

🦶 步态仿真数据

计算结果显示,步行的运输效率系数 (能量消耗系数 (CoT)) 仅为 0.1,比绝大多数现有双足步行机器人的能效都要高得多。

  • 步幅26.8 mm
  • 速度71.4 mm/s
  • 能量消耗系数 (CoT)0.0995
  • 峰值接地力1.01 g
  • 髋关节扭矩10.51 mN·m
  • 能效 / pas2.09 mJ

核心控制板与电气图

Max 的大脑是一片 ESP32-S3,通过 CM824 驱动器控制肌肉,通过 I²C 和 SPI 读取传感器,并使用 Wi-Fi 与主机端进行同步。

电气系统连线图

graph LR
    subgraph Power["⚡ 电源管理"]
        BAT["🔋 Li-S 3.7V"]
        DCDC["DC-DC 5V"]
        LDO["LDO 3.3V"]
    end

    subgraph Brain["🧠 控制大脑"]
        ESP["ESP32-S3"]
        CM824["CM824 Driver"]
    end

    subgraph Sensors["👁️ 传感器组"]
        CAM["CMOS 摄像头 ×2"]
        MIC["MEMS 麦克风 ×2"]
        IMU["6轴IMU惯导"]
        EIT["16电极 EIT"]
        TOF["VL53L0X ToF"]
    end

    subgraph Actuators["💪 驱动部件"]
        NECK["颈部 SMA 丝 ×4"]
        HIP["髋部 SMA 丝 ×4"]
        FACE["面部 SMA 丝 ×6"]
        PIEZO["旋转式压电"]
        ER["ER 智能流体 ×2"]
        MEP["MEP ×2"]
    end

    BAT --> DCDC --> LDO --> ESP
    BAT --> CM824
    ESP -->|"I²C"| IMU
    ESP -->|"I²C"| EIT
    ESP -->|"I²C"| TOF
    ESP -->|"SPI"| CAM
    ESP -->|"ADC"| MIC
    ESP -->|"SMA_CTRL"| CM824
    CM824 --> NECK
    CM824 --> HIP
    CM824 --> FACE
    ESP -->|"GPIO"| PIEZO
    ESP -->|"GPIO"| ER
    ESP -->|"GPIO"| MEP
            

CM824 驱动通道映射表

通道控制功能线径材料所在部位
CH1颈部 — 前方弯曲Nitinol 50µm颈部
CH2颈部 — 后方伸展Nitinol 50µm颈部
CH3左髋 — 弯曲Nitinol 75µm左腿
CH4左髋 — 伸展Nitinol 75µm左腿
CH5右髋 — 弯曲Nitinol 75µm右腿
CH6右髋 — 伸展Nitinol 75µm右腿
CH7面部 — 表情 ASMA Bimorph头部
CH8面部 — 表情 BSMA Bimorph头部

热传导物理屏障

镍钛诺肌肉的焦耳热易积聚在隔热的硅胶皮肤下。多层热管理系统从内部开始导热,将热量导出至头顶天线散发。

热流释放路径

graph LR
    A["🔥 Nitinol 70°C"] -->|"Contact"| B["🟢 Gaine Silicone/h-BN"]
    B -->|"Conduction"| C["🟠 Tresses Cuivre"]
    C -->|"Conduction"| D["⚪ Crâne Titane"]
    D -->|"Caloducs"| E["🔵 天线偏摆 Méthanol 25°C"]
    F["💨 Canaux Ventilation"] -->|"Convection"| C

    style A fill:#cc3333,stroke:#ff4444,color:#fff
    style B fill:#338833,stroke:#44aa44,color:#fff
    style C fill:#cc8833,stroke:#ddaa44,color:#fff
    style D fill:#888888,stroke:#aaaaaa,color:#fff
    style E fill:#3366cc,stroke:#4488ee,color:#fff
    style F fill:#33aacc,stroke:#44ccee,color:#fff
            

温度模拟仿真结果

❄️ 被动放热

平衡温度37.93°C
冷却周期500 ms
频率 max1.8 Hz
评估安全

🌡️ 主动空冷

平衡温度25.98°C
冷却周期500 ms
频率 max1.8 Hz
评估安全

🧊 h-BN冷却 (DIY)

平衡温度25.10°C
冷却周期150 ms
频率 max4.8 Hz
评估安全

电池系统

Batterie Lithium-Soufre haute densité avec recharge par induction Qi. Trois scénarios d'utilisation pour une autonomie de 3.4 à 24 heures.

😴 待机模式

运行电流50 mA
电池续航24.0 h
容量4.44 Wh

🚶 普通步态

运行电流180 mA
电池续航6.67 h
容量4.44 Wh

🏃 剧烈运动

运行电流350 mA
电池续航3.43 h
容量4.44 Wh

🔋 电池技术规格

  • 材料化学类型Li-S (Lithium-Soufre)
  • 容量1200 mAh
  • 标称电压3.7 V
  • 能效4.44 Wh
  • 质量8.0 g
  • 充电方式Qi无线(5V)

工厂级组装工艺

V1 原型机按照由内到外的顺序分 12 步构建,从 3D 打印的主体骨架开始,到刷入核心固件结束。

3D 打印内骨架 (PLA/PETG)

FDM 熔融堆积打印驼背脊椎、头骨基座以及脚骨。~5g 的原料耗材。

关节组件组装

安装首尾端的黄铜球头关节(颈部、髋部)以及骨盆的偏心凸轮。

Li-S 电池的装配

将 1200 mAh 电池芯固定至骨盆空腔内钨摆的上侧。

接线与电源子系统

连接 DC-DC 升压器、3.3V LDO 和 Qi 接收线圈,测量测试点工作电压是否正常。

在头骨中固定 ESP32-S3

将主控模组贴合到柔性 PCB (Flex PCB) 上,放置在钛合金头盖骨的空腔内。

接通 CM824 并路由 SMA 丝

将驱动器 8 通道的输出引脚焊接至端子,准备铺设镍钛诺丝。

装配镍钛诺肌肉+h-BN 套管

沿骨架布置颈部 (50µm) 及髋部 (75µm) 镍钛诺丝,并将其套入 h-BN 导热套管。

连接迪尼玛腱与 MEP 离合器

装配被动复位弹性拉线及髋关节固定锁死用的微型电永久磁铁 (MEP) 离合器。

敷设热传导铜网

将皮下导热铜网从各肌肉产热区平铺拉伸至头部钛骨(散热汇)。

集成传感器模组

装配 CMOS 摄像头、MEMS 麦克风、IMU、ToF 测距仪以及 16 个 EIT 环形触觉极板。

颈部ler la peau en silicone RTV

使用特制凹模,将添加了橄榄绿染料的 Ecoflex 00-30 灌注到机器人外层。硫化固化时间:4小时。

固件烧录与校准测试

通过板载 USB-C 上传固件,标定惯导零偏、EIT 触觉阈值以及 CM824 的无感电阻阻抗反馈曲线。

物料清单 (BOM)

V1 原型机组装所需的全部 57 个部件清单、质量参数、预计采购单价及推荐供应商。

部件名称 数量 质量 Prix 供应商
⚡ 电子与控制主板
ESP32-S3-WROOM-1 (N8R8)11.5g4.50€Espressif / Mouser
CML CM824 SMA Driver (8ch)10.3g12.00€Cambridge Mechatronics
MPU-6050 6轴IMU惯导10.1g2.50€InvenSense
AD5933 Impedance (EIT)10.1g8.00€Analog Devices
VL53L0X Time-of-Flight10.1g3.50€STMicroelectronics
TPS61200 DC-DC Boost10.2g2.00€Texas Instruments
MCP1700 LDO 3.3V10.1g0.50€Microchip
定制 4 层柔性 PCB10.8g15.00€JLCPCB Flex
👁️ 传感器组
OV2640 Micro-Caméra CMOS20.6g6.00€OmniVision
ICS-43434 Micro MEMS20.1g4.00€TDK InvenSense
EIT 电极 (柔性铜)160.32g1.60€Custom PCB
💪 驱动部件
线径材料 Nitinol Flexinol 50µm (1m)20.2g16.00€Dynalloy
线径材料 Nitinol Flexinol 75µm (1m)10.3g10.00€Dynalloy
SMA Bimorph 10mg (custom)60.06g30.00€Lab-fabricated
Moteur piézo rotatif11.2g45.00€PCBMotor ApS
MEP Micro-Embrayage21.0g30.00€Custom (NdFeB+AlNiCo)
🦴 机械结构件
Crâne Titane (DMLS)13.0g80.00€Shapeways
PLA/PETG 内骨架15.0g2.00€本地 3D 打印
钨摆锤 ø16mm115.0g12.00€Midwest Tungsten
偏心凸轮 (不锈钢)11.0g5.00€Usinage CNC
关节球头关节 (黄铜)52.0g10.00€MicroFasteners
🧤 柔软材料
Silicone RTV Ecoflex 00-30118.0g15.00€Smooth-On
线径材料 Dyneema 0.1mm (5m)10.2g5.00€Beadsmith
导热铜网编织线 0.5mm (2m)12.0g3.00€Électronique
六方氮化硼粉末 (h-BN)11.5g12.00€DIY (RTV 硅胶 + h-BN 混合)
🔋 能效
Batterie Li-S 1200mAh18.0g35.00€Oxis Energy
ø20mm Qi 无线受电线圈11.5g4.00€Wurth Elektronik
🌡️ 导热散热组件
Heat-pipe méthanol ø2mm 30mm21.6g16.00€Celsia
TOTAL 57 65.8g 389.60€ 质量预算:上限80g → 剩余裕度14.2g ✅

仿真计算报告

「chimera_analyst.py v2」脚本的输出总结,包括温度热量平衡、续航、步态周期和重量预算的比率。

🌡️ 热力学仿真

线径材料 Nitinol 50µm, courant 0.4A, impulsion 50ms @ 2Hz

阻抗值 (10cm)56.02 Ω
瞬时电功率8.96 W
平均电功率0.896 W
占空比10%
平衡温度 (被动放热)37.93°C
平衡温度 (h-BN导热)25.10°C

🚶 步态仿真

倒立摆模型,腿长35mm,总质量80g

周期 pendulaire375 ms
每秒步行频次2.7
步幅26.8 mm
速度71.4 mm/s
能量消耗系数 (CoT)0.0995
能效 / pas2.09 mJ

⚖️ Budget 质量

按类别占比分布

Structure26.0g (39.5%)
弹性柔软材料21.7g (33.0%)
能效9.5g (14.4%)
Électronique3.2g (4.9%)
Actionneurs2.76g (4.2%)
剩余裕度重量14.2g

Diagrammes d'Ingénierie

交互式结构图,涵盖内部解剖结构、髋关节张拉整体结构以及模块化分解图。

颈部pe Anatomique & Structure Interne

graph TD
    subgraph Head["🧠 头部"]
        A["Yeux CMOS ×2"]
        B["MEMS 麦克风 ×2"]
        C["ESP32-S3 + CM824"]
        D["天线偏摆 Caloducs"]
    end

    subgraph Neck["🦴 颈部"]
        E["Rotule Atlanto-Occipitale"]
        F["Nitinol 50µm ×4"]
    end

    subgraph Torso["🫁 Tronc"]
        G["Endosquelette Cyphose"]
        H["Tresses Cuivre"]
        I["Ventilation Passive"]
    end

    subgraph Pelvis["⚖️ Bassin"]
        J["Came Excentrique"]
        K["Pendule Tungstène 15g"]
        L["Batterie Li-S"]
        M["Bobine Qi"]
    end

    subgraph Legs["🦿 Membres"]
        N["Hanches Coxofémorales"]
        O["Dyneema + MEP"]
        P["Pieds Incurvés"]
        Q["Peau Graphène"]
    end

    C -->|"PWM"| F
    C -->|"Moteur"| J
    J -->|"Came"| K
    K -->|"Bascule CG"| P
    Q -->|"Tactile"| C
    H -->|"Thermique"| D
            

模块化装配图 — 6 大部分

graph TD
    subgraph M1["Module 1 : 头部"]
        M1A["Crâne Titane"]
        M1B["天线偏摆 ×2"]
        M1C["ESP32-S3"]
        M1D["CM824"]
    end

    subgraph M2["Module 2 : 颈部"]
        M2A["Rotule"]
        M2B["Nitinol ×4"]
        M2C["Gaine h-BN"]
    end

    subgraph M3["模块 3:体干"]
        M3A["Squelette PLA"]
        M3B["Cuivre"]
        M3C["LCE ×2"]
        M3D["EIT"]
    end

    subgraph M4["模块 4:骨盆"]
        M4A["Piézo + Came"]
        M4B["Tungstène"]
        M4C["Li-S + Qi"]
    end

    subgraph M5["Module 5 : 左腿"]
        M5A["Hanche"]
        M5B["Nitinol 75µm"]
        M5C["ER Genou"]
    end

    subgraph M6["Module 6 : 右腿"]
        M6A["Hanche"]
        M6B["Nitinol 75µm"]
        M6C["ER Genou"]
    end

    M1 ---|"Rotule + I²C"| M2
    M2 ---|"Colonne + PWM"| M3
    M3 ---|"Bassin + Power"| M4
    M4 ---|"Hanche G"| M5
    M4 ---|"Hanche D"| M6

    style M1 fill:#E8F0FE,stroke:#4285F4,color:#1C1612
    style M2 fill:#E6F4EA,stroke:#34A853,color:#1C1612
    style M3 fill:#FCE8E6,stroke:#EA4335,color:#1C1612
    style M4 fill:#FEF7E0,stroke:#FBBC04,color:#1C1612
    style M5 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612
    style M6 fill:#F3E8FD,stroke:#AB47BC,color:#1C1612