燕山大学创新方案！「液压驱动腿式机器人」的轻量化仿生设计

液压四足机器人因其卓越的负载能力、高功率重量比和快速响应速度，成为了全球研究热点。然而，液压系统的重量往往会限制机器人的机动性和能源效率。如何在保证强度的同时减轻重量，成为了一大难题。

燕山大学的俞滨教授团队带来了一个创新的解决方案。他们的研究灵感来源于鱼类骨骼结构。这项研究成果发表在Journal of Bionic Engineering上，题为《Biomimetic Lightweight Design of Legged Robot Hydraulic Drive Unit Shell Inspired by Geometric Shape of Fish Bone Rib Structure》。

鱼骨结构经过了数亿年的进化，形成了一种既轻便又坚固的结构。鱼骨主要由沿身体纵向分布的粗壮主骨和横向分布的细小次骨组成。这种结构虽然只占鱼体重的10%到20%，却能有效保护鱼的中枢神经系统、感觉器官和内脏，同时支撑鱼类在水中自由运动。

研究团队被这种自然界的巧妙设计所吸引。他们意识到，鱼骨结构的轻量化和高强度特性正是四足机器人所需要的。于是，他们开始了一项研究，试图将鱼骨的结构智慧应用到液压四足机器人的设计中。

▍创新设计与优化过程

受到鱼骨启发，研究团队设计了一种全新的仿生液压驱动单元(HDU)外壳。这种设计的核心在于在HDU外壳上添加模仿鱼骨结构的横向和纵向增强筋。这些增强筋的作用是减少内部液压造成的变形，通过不同比例的配筋，进一步优化了壳体的质量和抗压强度。

液压四足机器人HDU壳体的原理如图1所示。HDU作为机器人腿部的关键组件，将液压能转换为机械能以驱动机器人运动。外壳不仅为HDU提供支撑和保护，还需承受高压引起的应力。为解决这一问题，研究将HDU壳体简化为封闭圆柱体进行应力分析。传统HDU外壳通常采用机械加工制造。

图1液压四足机器人HDU壳体示意图。(a)液压四足机器人图；(b)液压四足机器人单腿；(c) HDU及其外壳；(d) HDU壳体应力分布示意图。

研究团队从鱼肋骨结构中提取主要特征，设计了带筋圆形板模型。通过施加21 MPa载荷进行静态模拟，结果显示鱼骨结构的几何形状对圆板模型具有强化和抑制变形的作用，使模型的整体应力应变保持在较小范围内。

图2鱼骨模型示意图。(a)整鱼图；(b)鱼骨模型；(c)鱼肋骨强化圆板模型；(d)圆板模型静力模拟结果：(d1)圆板模型应变图；(d2)圆板模型应力图。

团队建立了一种结构描述方法为鱼骨仿生加强筋结构模型。这种方法包括了几个关键参数：执行器壳壁厚(δ)、正交加强筋间距(st、sp)、正交加强筋宽度(bt、bp)和加强筋高度(hl)。这也为后续研究优化仿生壳的增强肋结构提供了依据。

图3仿生鱼骨强化肋壳。(a)仿生鱼骨强化肋壳图；(b)鱼骨仿生强化肋壳结构描述。

增材制造技术突破了传统加工方法的限制，为复杂结构件的制造提供了新的可能。研究团队利用这一技术制造了鱼骨仿生加强肋结构的HDU壳体。他们建立了结构的数学模型，并基于粒子群算法进行多参数优化。如图4所示，该方法将结构参数作为"粒子"，将优化指标作为"适应度值"，通过迭代优化得到最佳参数组合。

▍实验验证与结果分析

为了验证仿生设计的效果，研究团队创建了两个3D模型来进行仿真分析：一个是4毫米的壁厚，没有加强肋结构，另一个是鱼骨仿生加强肋结构。两款机型均采用316L不锈钢，质量经过检验，以确保实验结果的可比性。

研究团队使用有限元模拟软件对两种壳体模型进行了静力结构强度分析。边界条件为：壳体两端施加固定支撑，壳体内表面施加25MPa的均匀分布载荷。根据分析结果，原壳静力结构强度分析结果如图5a、b所示，鱼骨仿生增强肋结构壳静力结构强度分析结果如图5c、d所示。

图5 HDU壳体静力结构强度分析。(a)原壳静力结构强度分析应变图；(b)原壳静力结构强度分析应力图；(c)鱼骨仿生增强肋结构壳体静力结构强度分析应变图；(d)鱼骨仿生增强肋结构壳体静力结构强度分析应力图

研究采用机械加工制造原HDU壳体，使用增材制造技术制造仿生壳体。如图6所示，团队建立了HDU性能测试平台，在壳体表面安装应变片，采集不同压力下的表面应变数据。实验结果显示，鱼骨仿生增强肋结构的HDU壳整体应变值小于原始模型壳，证实了加强肋结构在提高壳体强度和实现轻量化设计方面的有效性。此外，实验还发现伺服阀的安装位置对壳体强度有影响，最大应变值出现在仿生强化筋壳体的第三根强化筋右侧(对应点6)和第一根强化筋右侧，而最小应变值出现在致动器壳体轴端。这些发现验证了有限元仿真模型的准确性。

图6 HDU壳体应变测试。(a)原模型壳体表面附着应变片；(b)壳体表面附有应变片，具有仿生增强筋结构；(c)原模型壳的表面应变测试结果；(d)仿生加强筋结构壳体(活塞充分展开)应变测试结果；(e)仿生加强筋结构壳体应变测试结果(活塞完全缩回)

▍结论

本文受自然界鱼肋骨精妙结构的启发，创新性地为四足机器人HDU壳体设计了一种仿生鱼肋骨加强结构，旨在实现壳体的轻量化。研究首先构建了HDU壳体鱼肋骨仿生加强结构的数学模型，并确立了壳体稳定性验证条件。

随后，以轻量化为核心优化目标，对HDU壳体的基本结构及加强筋的布局与厚度进行了深入的多目标优化分析。

最终，利用先进的增材制造技术成功制造出了这一仿生加强结构的HDU壳体。实验结果表明，相比原始设计，新壳体的重量减轻了20%，同时在动态与静态性能上均不低于原型水平，充分验证了该仿生设计策略的有效性与优越性。

本项研究成果不仅在四足机器人轻量化设计领域展现出了巨大的应用潜力，更为闭式压力容器及其他相关部件的轻量化设计开辟了新的思路与方向。

原文链接：https://rdcu.be/dKEU