燕山大學(xué)創(chuàng )新方案！「液壓驅動(dòng)腿式機器人」的輕量化仿生設計

液壓四足機器人因其卓越的負載能力、高功率重量比和快速響應速度，成為了全球研究熱點(diǎn)。然而，液壓系統的重量往往會(huì )限制機器人的機動(dòng)性和能源效率。如何在保證強度的同時(shí)減輕重量，成為了一大難題。

燕山大學(xué)的俞濱教授團隊帶來(lái)了一個(gè)創(chuàng )新的解決方案。他們的研究靈感來(lái)源于魚(yú)類(lèi)骨骼結構。這項研究成果發(fā)表在Journal of Bionic Engineering上，題為《Biomimetic Lightweight Design of Legged Robot Hydraulic Drive Unit Shell Inspired by Geometric Shape of Fish Bone Rib Structure》。

魚(yú)骨結構經(jīng)過(guò)了數億年的進(jìn)化，形成了一種既輕便又堅固的結構。魚(yú)骨主要由沿身體縱向分布的粗壯主骨和橫向分布的細小次骨組成。這種結構雖然只占魚(yú)體重的10%到20%，卻能有效保護魚(yú)的中樞神經(jīng)系統、感覺(jué)器官和內臟，同時(shí)支撐魚(yú)類(lèi)在水中自由運動(dòng)。

研究團隊被這種自然界的巧妙設計所吸引。他們意識到，魚(yú)骨結構的輕量化和高強度特性正是四足機器人所需要的。于是，他們開(kāi)始了一項研究，試圖將魚(yú)骨的結構智慧應用到液壓四足機器人的設計中。

▍創(chuàng )新設計與優(yōu)化過(guò)程

受到魚(yú)骨啟發(fā)，研究團隊設計了一種全新的仿生液壓驅動(dòng)單元(HDU)外殼。這種設計的核心在于在HDU外殼上添加模仿魚(yú)骨結構的橫向和縱向增強筋。這些增強筋的作用是減少內部液壓造成的變形，通過(guò)不同比例的配筋，進(jìn)一步優(yōu)化了殼體的質(zhì)量和抗壓強度。

液壓四足機器人HDU殼體的原理如圖1所示。HDU作為機器人腿部的關(guān)鍵組件，將液壓能轉換為機械能以驅動(dòng)機器人運動(dòng)。外殼不僅為HDU提供支撐和保護，還需承受高壓引起的應力。為解決這一問(wèn)題，研究將HDU殼體簡(jiǎn)化為封閉圓柱體進(jìn)行應力分析。傳統HDU外殼通常采用機械加工制造。

圖1液壓四足機器人HDU殼體示意圖。(a)液壓四足機器人圖；(b)液壓四足機器人單腿；(c) HDU及其外殼；(d) HDU殼體應力分布示意圖。

研究團隊從魚(yú)肋骨結構中提取主要特征，設計了帶筋圓形板模型。通過(guò)施加21 MPa載荷進(jìn)行靜態(tài)模擬，結果顯示魚(yú)骨結構的幾何形狀對圓板模型具有強化和抑制變形的作用，使模型的整體應力應變保持在較小范圍內。

圖2魚(yú)骨模型示意圖。(a)整魚(yú)圖；(b)魚(yú)骨模型；(c)魚(yú)肋骨強化圓板模型；(d)圓板模型靜力模擬結果：(d1)圓板模型應變圖；(d2)圓板模型應力圖。

團隊建立了一種結構描述方法為魚(yú)骨仿生加強筋結構模型。這種方法包括了幾個(gè)關(guān)鍵參數：執行器殼壁厚(δ)、正交加強筋間距(st、sp)、正交加強筋寬度(bt、bp)和加強筋高度(hl)。這也為后續研究?jì)?yōu)化仿生殼的增強肋結構提供了依據。

圖3仿生魚(yú)骨強化肋殼。(a)仿生魚(yú)骨強化肋殼圖；(b)魚(yú)骨仿生強化肋殼結構描述。

增材制造技術(shù)突破了傳統加工方法的限制，為復雜結構件的制造提供了新的可能。研究團隊利用這一技術(shù)制造了魚(yú)骨仿生加強肋結構的HDU殼體。他們建立了結構的數學(xué)模型，并基于粒子群算法進(jìn)行多參數優(yōu)化。如圖4所示，該方法將結構參數作為"粒子"，將優(yōu)化指標作為"適應度值"，通過(guò)迭代優(yōu)化得到最佳參數組合。

圖4 魚(yú)骨仿生強化肋結構多參數優(yōu)化框架啟動(dòng)

▍實(shí)驗驗證與結果分析

為了驗證仿生設計的效果，研究團隊創(chuàng )建了兩個(gè)3D模型來(lái)進(jìn)行仿真分析：一個(gè)是4毫米的壁厚，沒(méi)有加強肋結構，另一個(gè)是魚(yú)骨仿生加強肋結構。兩款機型均采用316L不銹鋼，質(zhì)量經(jīng)過(guò)檢驗，以確保實(shí)驗結果的可比性。

研究團隊使用有限元模擬軟件對兩種殼體模型進(jìn)行了靜力結構強度分析。邊界條件為：殼體兩端施加固定支撐，殼體內表面施加25MPa的均勻分布載荷。根據分析結果，原殼靜力結構強度分析結果如圖5a、b所示，魚(yú)骨仿生增強肋結構殼靜力結構強度分析結果如圖5c、d所示。

圖5 HDU殼體靜力結構強度分析。(a)原殼靜力結構強度分析應變圖；(b)原殼靜力結構強度分析應力圖；(c)魚(yú)骨仿生增強肋結構殼體靜力結構強度分析應變圖；(d)魚(yú)骨仿生增強肋結構殼體靜力結構強度分析應力圖

研究采用機械加工制造原HDU殼體，使用增材制造技術(shù)制造仿生殼體。如圖6所示，團隊建立了HDU性能測試平臺，在殼體表面安裝應變片，采集不同壓力下的表面應變數據。實(shí)驗結果顯示，魚(yú)骨仿生增強肋結構的HDU殼整體應變值小于原始模型殼，證實(shí)了加強肋結構在提高殼體強度和實(shí)現輕量化設計方面的有效性。此外，實(shí)驗還發(fā)現伺服閥的安裝位置對殼體強度有影響，最大應變值出現在仿生強化筋殼體的第三根強化筋右側(對應點(diǎn)6)和第一根強化筋右側，而最小應變值出現在致動(dòng)器殼體軸端。這些發(fā)現驗證了有限元仿真模型的準確性。

圖6 HDU殼體應變測試。(a)原模型殼體表面附著(zhù)應變片；(b)殼體表面附有應變片，具有仿生增強筋結構；(c)原模型殼的表面應變測試結果；(d)仿生加強筋結構殼體(活塞充分展開(kāi))應變測試結果；(e)仿生加強筋結構殼體應變測試結果(活塞完全縮回)

▍結論

本文受自然界魚(yú)肋骨精妙結構的啟發(fā)，創(chuàng )新性地為四足機器人HDU殼體設計了一種仿生魚(yú)肋骨加強結構，旨在實(shí)現殼體的輕量化。研究首先構建了HDU殼體魚(yú)肋骨仿生加強結構的數學(xué)模型，并確立了殼體穩定性驗證條件。

隨后，以輕量化為核心優(yōu)化目標，對HDU殼體的基本結構及加強筋的布局與厚度進(jìn)行了深入的多目標優(yōu)化分析。

最終，利用先進(jìn)的增材制造技術(shù)成功制造出了這一仿生加強結構的HDU殼體。實(shí)驗結果表明，相比原始設計，新殼體的重量減輕了20%，同時(shí)在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能上均不低于原型水平，充分驗證了該仿生設計策略的有效性與優(yōu)越性。

本項研究成果不僅在四足機器人輕量化設計領(lǐng)域展現出了巨大的應用潛力，更為閉式壓力容器及其他相關(guān)部件的輕量化設計開(kāi)辟了新的思路與方向。

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