偷师造轮胎和做跑鞋的三招把机器人足底噪音压 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole RobotSole | www.robotsole.com 偷师造轮胎和做跑鞋的三招把机器人足底噪音压到图书馆水平 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.robot… —— RobotSole 机器人足底技术偷师造轮胎和做跑鞋的三招把机器人足底噪音压到图书馆水平作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSoleRobotSole | www.robotsole.com偷师造轮胎和做跑鞋的三招把机器人足底噪音压到图书馆水平作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.robotsole.com上一篇文章我讲了机器人足底噪音的三大来源和WHO的标准。结论是当前四足机器狗步态噪声普遍50-65dBA要达到室内可接受的35-40dBA需要降低15-25dB。很多读者看完就来问陈工怎么降这篇文章就回答这个问题。三招——材料降噪、结构降噪、控制降噪。每一招都是从轮胎行业或跑鞋行业偷师来的每一招我们都做过实测验证。三招叠加降噪效果可达18-22dB。一、材料降噪用丁基橡胶替代天然橡胶第一招最直接——换材料。前面讲了冲击噪声和摩擦噪声的根本原因是振动。振动的能量如果留在材料里变成热能耗散掉就不会辐射成声波。材料把振动能量变成热能的能力用损耗因子tan δ来衡量。tan δ越高材料吃掉振动的能力越强。各种橡胶的tan δ值天然橡胶NR0.05-0.15。阻尼最低弹性最好。这就是为什么天然橡胶做轮胎滚动阻力低、做弹簧减震效率高——它不耗能能量都回弹了。但做足底降噪天然橡胶是最差的选择。丁苯橡胶SBR0.10-0.20。中等阻尼。丁腈橡胶NBR0.10-0.15。跟天然橡胶差不多。氯丁橡胶CR0.15-0.25。中高阻尼。丁基橡胶IIR0.30-0.50。阻尼最高。丁基橡胶的分子链上有大量甲基侧基分子链运动时甲基之间产生巨大内摩擦把振动能量高效转化为热能。所以降噪第一招就是把足底接触层的材料从天然橡胶换成丁基橡胶。tan δ从0.10升到0.35意味着振动能量的耗散率提高3.5倍。我们做过对比测试同样结构、同样硬度的足底天然橡胶版的着地冲击噪声78dBA丁基橡胶版降到69dBA——材料替换一项就降了9dB。但丁基橡胶有三个缺点必须解决缺点一摩擦系数低。丁基橡胶的干态摩擦系数只有0.5-0.6天然橡胶0.7。防滑性不够。解决方案在丁基橡胶中加入白炭黑和硅烷偶联剂把摩擦系数提到0.65以上。配方丁基橡胶100份白炭黑30份Si-69 5份炭黑N660 20份氧化锌5份硬脂酸1份硫磺1.5份促进剂TMTD1份促进剂DM 0.5份。干态μ0.68湿态μ0.45tan δ0.38。缺点二耐磨性差。丁基橡胶的阿克隆磨耗约0.3 cm³天然橡胶0.25。解决方案在接触面加一层0.5mm厚的高耐磨聚氨酯薄膜用等离子处理胶粘剂贴合。聚氨酯薄膜不影响丁基橡胶的阻尼特性它太薄了但把耐磨性提升到0.12 cm³水平。缺点三与其他橡胶的共硫化性差。丁基橡胶跟天然橡胶或SBR共混时硫化速度不匹配容易分层。解决方案用卤化丁基橡胶BIIR或CIIR替代普通丁基橡胶共硫化性大幅改善。为了进一步增强阻尼效果我们还在丁基橡胶中加入片状填料——云母粉和石墨烯。片状填料在橡胶基体中像一张张微型刀片叠加在振动时片与片之间产生摩擦额外消耗振动能量。加入10份云母粉粒径20μm径厚比50tan δ从0.38升到0.42。虽然只升了0.04但在高频段2000-5000Hz的降噪效果显著——高频段正是人耳最敏感的频段。加入石墨烯的效果更明显2份石墨烯tan δ升到0.48但成本太高石墨烯约500元/克2份2克1000元/公斤橡胶目前只用于高端产品。二、结构降噪Helmholtz共振腔吃掉特定频率第二招是结构降噪——在足底内部设计声学结构主动吃掉特定频率的噪声。这个技术来自声学工程的经典原理Helmholtz共振腔。Helmholtz共振腔的原理很简单一个密闭空腔通过一个窄颈跟外部连通。当外部声波的频率跟空腔的共振频率匹配时空腔里的空气发生强烈共振把声波能量吸进空腔里消耗掉。这就是声学中共振吸声的原理。共振频率的计算公式f (c / 2π) × √(A / (V × L))其中c是声速340m/sA是颈口面积V是空腔体积L是颈长。举个例子你想消除1000Hz的噪声这是摩擦噪声stick-slip效应的主要频率之一。设计一个空腔体积V1cm³、颈口面积A1mm²、颈长L2mm的共振腔。f (340/2π) × √(0.000001 / (0.000001 × 0.002)) 54.1 × √500 54.1 × 22.4 1210Hz接近1000Hz。微调参数增大V或L就能精确调到1000Hz。实际设计中我们在足底花纹凹槽的底部做微型共振腔。凹槽本身就是颈口凹槽下方做一个球形空腔作为共振体。当着地时花纹被压缩空腔体积减小共振频率升高——这正好对应着地瞬间的高频噪声。离地时花纹恢复空腔恢复原体积共振频率降低——对应离地时的低频噪声。但有个现实问题1000Hz对应的共振腔尺寸偏大颈深约8.5cm如果按标准Helmholtz设计。机器人足底厚度只有8-12mm根本放不下这么大的腔体。解决方案是盘曲折叠微型化——把直管颈口做成螺旋形或蛇形通道在有限空间内增加有效颈长。3D打印技术让这种复杂结构成为可能。我们用SLA光固化3D打印做出了一种蛇形颈口共振腔外形尺寸只有4mm×4mm×3mm但蛇形通道的有效长度达到12mm对应共振频率约1200Hz。一片足底上布置8-12个不同尺寸的共振腔覆盖500-3000Hz的频率范围。每个共振腔负责吃掉一个窄频段的噪声。叠加起来在这个频率范围内的噪声降低8-12dB。Helmholtz共振腔的优势是被动式、零功耗、永久有效——不需要电源、不需要控制、不会老化。缺点是体积占用和加工复杂度。我们通过3D打印一体化成型解决了加工问题体积占用通过优化布局控制在足底总面积的15%以内。三、控制降噪软着陆算法第三招不在足底本身在步态控制——软着陆算法。前面讲了冲击噪声的峰值跟着地速度直接相关。着地速度越快冲击力越大噪声越高。如果能降低着地瞬间的足底速度就能从源头减少冲击噪声。这个思路来自电梯门。你注意过电梯门关闭的最后阶段吗门快关上时会突然减速缓缓合上。如果门以恒定速度关上“砰一声很响。减速后几乎无声。这个逻辑在电梯行业叫缓停”softstop。机器人步态也可以做缓停。正常步态控制中脚掌在摆动相末期以一定速度向下运动如0.3-0.5m/s然后拍到地面上。软着陆算法的思路是在着地前的最后10-20ms主动降低脚掌的垂向速度从0.3-0.5m/s降到0.05-0.1m/s。怎么实现通过踝关节电机的力矩控制。在摆动相末期踝关节电机施加一个反向力矩——不是把脚往下推而是把脚往上拉减速下降。当足底接触地面的瞬间垂向速度已经降到0.1m/s以下。效果着地冲击力峰值降低约40%冲击噪声峰值降低6-8dB。但软着陆算法有个代价增加了步态控制的复杂度和电机力矩需求。在着地前20ms施加反向力矩需要踝关节电机的响应带宽足够高100Hz否则来不及。目前主流的四足机器人踝关节电机如谐波减速器无刷电机方案的力矩响应带宽约50-80Hz够用但余量不大。而且软着陆会略微增加每一步的着地时间从10ms增加到15-20ms对高速行走有影响。我们的建议是在需要静音的场景夜间、室内启用软着陆模式在需要速度的场景户外、工业关闭恢复正常着地。这可以通过软件切换不需要改硬件。更进阶的控制降噪是步态节律随机化。人走路时每一步的间隔不是完全均匀的——有微小的随机波动±5%。这种随机性让噪声的频谱更宽不会在特定频率上集中能量听感上更柔和。机器人步态通常是严格等间隔的每一步都在同一频率上敲击产生尖锐的纯音。我们在步态控制器中加入了随机节律扰动每一步的间隔在基准周期的±3-5%范围内随机波动。效果是噪声的尖锐感降低——虽然总声压级只降了1-2dB但主观听感改善明显。用户反馈听起来不像敲木鱼了更像走路。四、超临界发泡静音层微米级闭孔结构除了三招之外还有一个隐藏技——超临界发泡静音层。这个技术来自跑鞋行业。Nike、Adidas、李宁的顶级跑鞋中底都用超临界发泡技术——用超临界二氧化碳scCO作为发泡剂在高温高压下把聚合物EVA、TPU、PEBA发泡成微米级闭孔结构。超临界发泡的泡孔直径通常在50-200微米分布均匀闭孔率90%。这种结构有极好的吸声性能——声波进入泡孔后在孔壁之间反复反射、折射每次反射都有一部分能量被粘弹性泡孔壁吸收最终声波能量被耗散成热能。我们测过5mm厚的TPU超临界发泡层密度0.25 g/cm³泡孔直径100μm在1000-5000Hz频段的吸声系数约0.3-0.5意味着30-50%的入射声能被吸收。同等厚度的实心TPU层吸声系数只有0.05-0.1。把超临界发泡层嵌入足底的分层结构中放在中层吸能层和下层支撑层之间厚度3-5mm可以额外降低着地噪声3-5dB。超临界发泡的另一个好处是轻——密度只有实心橡胶的1/4到1/5加一层5mm的发泡层只增加2-3克重量对一台50公斤的机器人可忽略不计。我们在鞋底行业用了二十年的超临界发泡设备可以直接用于机器人足底的生产。加工成本约5元/片不含材料量产完全没有问题。五、三招叠加效果实测最后给一组实测数据。我们在一台30公斤的四足机器狗上测试了三招叠加效果基线普通65A天然橡胶足底无优化着地噪声峰值78dBA稳态噪声55dBA。仅材料降噪换丁基橡胶接触层峰值72dBA-6dB稳态49dBA-6dB。材料结构降噪加Helmholtz共振腔峰值68dBA-10dB稳态44dBA-11dB。材料结构超临界发泡层峰值65dBA-13dB稳态41dBA-14dB。材料结构发泡控制降噪软着陆算法峰值59dBA-19dB稳态37dBA-18dB。从78dBA降到59dBA峰值从55dBA降到37dBA稳态。总降噪量19dB峰值/18dB稳态。37dBA是什么水平接近图书馆的背景噪声水平35dBA。用户在卧室里几乎听不到机器狗的脚步声。这个数据是真实测过的不是理论估算。测试条件瓷砖地面行走速度0.4m/s声级计距离机器人1米A计权。结语三招18-19dB降噪。从敲木鱼到图书馆水平。这不是什么黑科技。丁基橡胶是1937年发明的Helmholtz共振腔是1850年代发明的软着陆控制是电梯行业用了三十年的技术超临界发泡是跑鞋行业用了二十年的技术。每一项都是成熟技术只是从没被系统性地用到机器人足底上。我们RobotSole做的事情本质上是跨行业知识搬运——把轮胎行业的降噪经验、跑鞋行业的发泡技术、声学工程的共振腔原理、控制工程的缓停算法整合到一个机器人足底上。每一步都不难但整合起来需要有人做。我们做了测了验证了。数据摆在这里。下一篇是静音系列的最后一篇讲指标和标准。有了技术方案还需要一套量化标准来衡量够不够安静。没有标准安静就是主观感受永远扯不清。—**关于作者 · 陈卫东Michael Chen**RobotSole 创始人联系邮箱michaelrobotsole.com。毕业于北京外国语大学英语流利具备国际化商务能力。拥有 30 年人类鞋底研发与企业经营管理经验曾任中外合资鞋底公司 CEO、国内知名鞋业集团副总并赴意大利学习鞋底标准化技术与欧洲、东南亚等多家制鞋企业有合资合作的成功经历。作为横跨「制鞋工艺 鞋底材料 机器人足底系统」的复合型专家他将 30 多年鞋类研发与智能鞋积累的系统化研发团队和产业链结合现代 AI 技术转向机器人足底领域建立起了中国第一家专注于机器人足底标准化、一体化、智能化、个性化的全产业链解决方案团队。在机器人足底方向的研究成果1. 累计发表 108 篇机器人足底技术文章体系化覆盖减震缓冲、防滑耐磨、结构与材料、传感与智能足底、一体化与快换等方向2. 累计拥有 50 项鞋底行业专利其中围绕机器人足底已体系化申请和布局专利 10 项并储备一体化成型、动能回收、无线充电足底、智能足底多模态感知、冰雪防滑钢钉、子午线胎体增强、梯度硬度单体材料、快换接口等方向3. 借助曾与微软合作建立的全球最大标准化人体脚型数据库超 10 万组数据每组 76 项专业维度充分发挥 AI 智能体与 3D 打印技术的优势为机器人足底建立标准化数据库4. 与中国多家第一梯队的人形 / 四足机器人企业开展足底开发与定制合作推进全产业链的足底优化方案。— 了解更多机器人足底技术方案与标准化服务访问 RobotSole 官网机器人足底 · RobotSole 官网