增材制造技术在液压足式机器人领域的应用

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术，不夸张地讲，增材制造技术可以称为“第三次工业革命”的新技术。

在拓扑优化、创成式设计等技术手段的赋能下，增材制造技术带来的结构轻量化和减材设计、零件散热性能的提升使其在航空航天、模具、汽车等领域广泛应用。足式机器人领域亦如此，下面从液压执行器、结构件和阀块三个方面概述AM技术在液压足式机器人领域的应用。

液压执行器

毋庸置疑，最有科技感和成熟应用的当属意大利IIT穆格MOOG联合开发的高集成度液压伺服执行器（Integrated Servo Actuator/ISA），钛合金制成的增材制造缸筒，集成了伺服阀、过载保护的溢流阀、压⼒/位置/温度感应以及⽤于控制和通讯的电⼦设备。

IIT的增材制造缸筒

ISA的V2版本和V4版本分别在美国西雅图的ICRA2015和瑞典斯德哥尔摩的ICRA2016会议上首次向公众展示，外观科技感十足，高度集成，结构紧凑。（卖15W/台，后因无法批量，近乎停产）

V2版本

V4版本

V2版本和V4版本的工作压力均为20MPa，工作温度在-30至80℃之间，行程分别为80mm和100mm，输出力分别为4kN和6.2kN，重量分别为920g和1150g。后被分别用到IIT的液压四⾜机器⼈HyQ和HyQ2Max的腿部。

HyQ液压四足机器人

HyQ2Max液压四足机器人

浙江大学徐兵团队在开展新一代轻量化液压集成执行机构设计，采用拓扑优化对集成一体的液压缸端盖-阀块进行分析，去除掉传统设计多余的材料，通过增材制造方式将所得拓扑优化零件加以制造成型，端盖-阀块重量从295g减轻到148g，搭配碳纤维复合材料的使用，液压缸减重50%以上。（种种原因，无法放图）

优化前

优化后

结构件

波士顿动力旗下的Atlas机器人后空翻视频引爆全球，动态性能显著提升。在增材制造技术的赋能下，多数结构件重量大幅度的减少，整机重量从156kg降低到80kg，减轻了47%。

Atlas 结构件

Atlas 大腿结构件

苏黎世联邦理工学院ETH对HyQ初代单腿进行优化，通过多材料设计，引入复合材料，利用增材制造技术，小腿重量从801g优化到303g,减轻了62%。

小腿各组分优化方法

小腿优化后实物

除了上述国外团队外，国内的浙大徐兵团队和哈工大付宜利团队等均在利用增材制造技术优化结构件的设计，提升机器人的性能，相信不久就会有他们的样机问世。

阀块

液压足式机器人管路众多，频繁的摆动会增加泄漏，因此液压系统的无管化始终是一个研究方向，阀块作为分流和集成各种功能阀的主要组件，优化空间很大。

传统阀块

前述的Atlas机器人不仅对结构件进行了设计优化，还利用增材制造技术对阀块进行了优化设计，布局合理，结构非常紧凑。

Atlas 增材制造阀块

意大利IIT旗下的DLS实验室将其设计的增材制造阀块运用到其HyQ系列机器人，空间尺寸明显降低，重量从520g降低到313g，非常有利于足式机器人的轻量化和小型化。

HyQ 增材制造阀块

虽然增材制造技术在轻量化方面具有显著优势，但复杂的后处理和高昂的成本限制了其大规模应用。此外，相较于昂贵的钛合金，铝合金是更好的选择可以使机器人结构更轻，但是可用于打印的铝合金材料相对较少。

以上就是增材制造技术在液压足式机器人领域的应用，未尽之处，欢迎私信联系补充。

来源：

1. https://www.bostondynamics.com/robots

2. https://moog.iit.it

3. Semini C, Baker M, Laxman K, et al. A brief overview of a novel, highly-integrated hydraulic servo actuator with additive-manufactured titanium body[J]. IROS Work, 2016, 2016: 4-7.

4. Türk D A, Züger A, Klahn C, et al. Combining additive manufacturing with CFRP Composites: design potentials[C]//DS 80-4 Proceedings of the 20th International Conference on Engineering Design (ICED 15) Vol 4: Design for X, Design to X, Milan, Italy, 27-30.07. 15. 2015: 279-290.

5. Hsinpu H, Junhui Z, Bing X, et al.  Application of Topology Optimization in Lightweight Hydraulic Quadruped Robot, Proceedings of the 14th International Conference on Frontiers of Design and Manufacturing, Xian, China, 2020.