发布日期：2026-08-04 浏览：14
首尔科学技术大学（SEOULTECH）研究团队近日开发出一种多孔3D打印机器人脚掌，可帮助四足机器人在行走过程中降低电池功耗。该轻量化脚掌采用三周期极小曲面（TPMS）结构设计，能够吸收并释放冲击能量，从而减少电机负载。当与深度强化学习控制器配合使用时，系统在0.4至1.0米/秒的行走速度下可实现最高6.2%的电池功耗节省。
研究团队表示，该方案有望提升四足机器人在巡检、物流、搜索救援等实际应用中的能效表现。
更智能的机器人步态
四足机器人正日益广泛应用于仓储自动化、工业巡检和搜索救援等领域。然而，尽管功能多样，其一大短板仍然突出：能耗显著高于轮式机器人——因为每一步都需要电机持续驱动腿部运动。
首尔科大团队通过重新设计机器人最基础的部件之一——脚掌，展示了一种提升能效的新途径。研究将先进3D打印多孔结构与人工智能相结合，在保持稳定行走的前提下，将电池功耗降低了最高6.2%。
与传统方案采用刚性橡胶脚掌或在腿内部集成复杂弹簧机构不同，团队开发了基于TPMS结构的轻量化脚掌。这种多孔晶格设计由重复的三维网络构成，在刚度、柔韧性和能量吸收之间实现了理想平衡。当机器人脚掌接触地面时，部分冲击能量通常以热量和振动的形式散失。TPMS脚掌通过可控变形暂时储存部分能量，在蹬地阶段释放，推动机器人前进并减少电机负载。
多孔脚掌的实际表现
研究人员设计并3D打印了三种半球形TPMS变体——primitive、gyroid和diamond——并通过压缩测试评估其力学性能。其中，相对密度为60%的diamond结构在柔韧性、冲击吸收和能量损耗最小化方面表现最佳，被确定为最优方案。
然而，仅增加储能脚掌并不足够。为充分利用其弹性特性，团队将硬件与深度强化学习（DRL）控制器相结合。AI控制器并非遵循预设步态模式，而是学习脚掌在每一步中的压缩和回弹过程，进而优化机器人步态，使电机运动与储存和释放的能量同步，在保持平衡的同时最大限度减少不必要的电机出力。
优化后的系统在商用RBQ-10四足机器人上进行了测试，行走速度范围为0.4至1.0米/秒。与传统实心脚掌相比，多孔TPMS设计在不同速度下可降低1.4%至6.2%的电池功耗。更重要的是，机器人在整个测试过程中保持稳定运动，表明AI控制器能够有效利用柔性脚掌中储存的被动能量，且未引入不稳定因素或过多修正动作。
与在机器人腿部集成弹簧的传统方案不同，新设计将储能功能转移至脚掌本身，在简化机械结构的同时仍能提升能效。由于TPMS结构可通过标准3D打印技术制造，该方案在未来机器人平台上的应用有望更加简便且成本更低。
研究人员认为，先进晶格材料与基于学习的控制相结合，有望实现更安静、续航更持久的四足机器人，适用于仓库物流、工业巡检、室内服务机器人和自主搜索救援等应用场景——在这些场景中，在不增加机器人尺寸和重量的前提下延长电池寿命始终是关键的工程挑战。
粤公网安备44190002007368号
