机器人足底｜四足机器狗半夜走路像敲木鱼足底噪音是室内机器人过不去的坎

四足机器狗半夜走路像敲木鱼足底噪音是室内 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole RobotSole | www.robotsole.com 四足机器狗半夜走路像敲木鱼足底噪音是室内机器人过不去的坎 作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.rob… —— RobotSole 机器人足底技术四足机器狗半夜走路像敲木鱼足底噪音是室内机器人过不去的坎作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSoleRobotSole | www.robotsole.com四足机器狗半夜走路像敲木鱼足底噪音是室内机器人过不去的坎作者陈卫东 陈宝隆 | RobotSole | www.robotsole.com2024年春节杭州一个用户在网上发了一条视频火了。视频里一台某品牌的四足机器狗在凌晨三点的客厅里巡逻每走一步就发出嗒、嗒、嗒的声音在安静的夜里格外刺耳。评论区炸了锅“这不是机器狗这是机器木鱼。”“我老婆说要么退掉机器狗要么她搬回娘家。”“买了这个我以为家里进了啄木鸟。“品牌方很尴尬公关部出来回应说后续OTA升级会优化步态噪音”。但做技术的都知道步态算法最多降噪3-5dB真正的问题在足底——你让一个人穿木屐走路再怎么优化走路姿势也安静不了。这件事让我特别感慨。我在轮胎行业做了八年“轮胎噪音是跟抓地力和滚动阻力并列的三大核心指标之一。但到了机器人行业大家只关心机器人的大脑”AI算法和肌肉”电机性能没人关心鞋子足底。结果机器人的智商越来越高脚步声也越来越响。这篇文章我就把机器人足底噪音的来源、机理、标准讲清楚。下一篇讲技术解决方案。一、噪声来源一冲击噪声——着地瞬间的木鱼声机器人足底噪声的第一大来源是冲击噪声。四足机器狗走路时脚掌着地的瞬间会产生一个短促的冲击脉冲。这个脉冲通过足底传到脚掌结构再传到小腿和机体引发结构振动辐射出声波。这就是嗒嗒声的来源——每着地一次敲一下木鱼。冲击噪声的特点是峰值高、持续时间短。我们用声级计测过一台主流四足机器狗的着地噪声峰值82-90dBA计权持续时间约5-15ms。82-90dB是什么概念相当于一辆卡车从你身边驶过的噪音水平。在安静的卧室里背景噪声约25-30dBA这个峰值高出50-60dB异常突兀。为什么人走路不这么响因为人脚有天然的减震和降噪机制第一足底的软组织脂肪垫提供了极好的冲击缓冲。人脚跟的脂肪垫厚度约18-25mm由密集的脂肪小室组成每个小室像一个微型气囊能有效吸收冲击能量。机器人的足底通常只有5-8mm的橡胶缓冲能力远不如人脚。第二人脚着地时不是啪一下拍上去的而是有一个滚动过程——足跟先着地然后重心沿脚掌中线向前滚动到前掌最后前掌蹬地离地。整个着地过程持续200-300ms冲击力被分散到一个较长的时间窗口里峰值大幅降低。四足机器狗的步态虽然也有滚动过程但由于足底面积小只有3-5平方厘米、材料硬65A以上滚动效果远不如人脚。冲击力集中在一个更短的时间窗口和更小的面积上峰值自然高。第三人脚的皮肤在着地瞬间会产生微滑移——脚掌跟地面接触后会有0.5-2mm的微小滑动这个滑移消耗了一部分冲击能量。机器人的橡胶足底跟地面的摩擦系数更高几乎不滑移冲击能量无处消耗全变成了振动和声音。二、噪声来源二摩擦噪声——橡胶的stick-slip效应第二大噪声来源是摩擦噪声表现为吱吱的尖锐声。这种噪声的机理叫stick-slip效应粘滑效应。当橡胶在硬地面上滑动时摩擦力不是恒定的——橡胶跟地面之间反复在粘附stick和滑动slip之间切换。粘附时积蓄弹性应变能滑动时瞬间释放产生高频振动。这个振动频率通常在500-5000Hz之间正好是人耳最敏感的频段。听感上就是吱——“的尖锐声。Stick-slip效应在什么条件下最严重摩擦系数高高摩擦意味着更大的粘附力”滑移时释放的能量更多振动更剧烈。这就是为什么高抓地力的橡胶反而更容易产生摩擦噪声——防滑和静音在这里是矛盾的。硬度高硬橡胶的弹性变形小应变能集中在更小的体积里释放时更剧烈。表面光滑光滑地面如瓷砖、大理石没有微观凹凸来打断粘附过程stick-slip持续不断。粗糙地面如水泥、沥青的微观凹凸会频繁打断粘附反而噪音小。温度低温下橡胶变硬stick-slip效应加剧。冬天机器人的摩擦噪声通常比夏天严重。我们在实验室测过一块65A的天然橡胶在干燥瓷砖上以0.3m/s速度滑动摩擦噪声峰值可达75dBA高频纯音频率约2500Hz。换成55A的低硬度橡胶噪声降到55dBA。换成因地面粗糙的水泥地面噪声只有40dBA。这说明摩擦噪声是可以大幅降低的——降低硬度、降低摩擦系数牺牲防滑、在粗糙地面使用。但这些方法都有代价。真正的解决方案我在下一篇讲。三、噪声来源三气泵噪声——花纹里的气炮效应第三大噪声来源比较隐蔽很多人没意识到——气泵效应。足底花纹的凹槽在被压缩时里面的空气会被高速挤出。当脚掌着地时花纹凹槽被压扁内部空气体积骤减气压升高空气从凹槽开口高速喷出产生噗嗤的噪声。离地时凹槽恢复形变空气被吸入又产生一个吸气声。这个机理在轮胎行业叫气泵噪声air pumpingnoise是高速公路轮胎噪声的主要来源之一。气泵噪声的特点是频率较高1000-8000Hz频谱宽不像stick-slip那样是纯音。听感上是一个短促的噗声每次着地各发一次。气泵噪声的强度取决于三个因素凹槽体积体积越大挤出/吸入的空气越多噪声越大。深花纹比浅花纹噪音大。挤压速度着地速度越快空气挤出越快噪声越大。跑步比走路噪音大。开口面积凹槽开口越窄气流速度越高噪声越大。窄沟槽比宽沟槽噪音大。我们测过3mm深、0.5mm宽的V型齿花纹在0.3m/s着地速度下气泵噪声约45dBA。换成2mm深、1mm宽的花纹噪声降到38dBA。可见花纹参数对气泵噪声影响很大。但在轮胎行业气泵噪声的解决方案不是减小花纹那会降低抓地力而是优化花纹形状——让凹槽的开口面积渐变减少气流突变。这个思路同样适用于机器人足底。四、噪声标准WHO说卧室30dBA你的机器人多少讲完噪声来源说说标准。世界卫生组织WHO的噪声指南建议卧室夜间30 dBA以下医院走廊40 dBA以下图书馆/阅览室35 dBA以下办公室45 dBA以下居住区室外夜间40 dBA以下再看看当前主流四足机器人的步态噪声水平主流四足机器狗室内瓷砖地面0.5m/s行走速度50-65 dBA。50-65 dBA是什么概念比WHO建议的卧室噪声标准高出20-35dB。这意味着如果你的机器狗在卧室里巡逻它的脚步声比允许的最大噪声响了10-30倍分贝是对数每增加10dB响度翻倍。这就是为什么用户投诉像敲木鱼——不是用户矫情是机器人真的太吵了。要达到室内可接受水平机器人足底噪声需要降到多少我们的建议标准室内服务机器人医院、图书馆、办公室 35dBA。这是图书馆水平的噪声用户几乎不会注意到。家用四足机器狗夜间巡逻 40 dBA。比背景噪声高5-10dB可接受但不理想。家用四足机器狗白天 45dBA。白天背景噪声较高40-50dBA45dBA的足底噪声被掩盖。工业级机器人无要求。工厂背景噪声通常70dBA以上足底噪声可以忽略。从当前的50-65dBA降到35-40dBA需要降低15-25dB。这是个不小的挑战——15dB意味着噪声能量降低到原来的1/3225dB意味着降低到1/316。光靠换一块更软的橡胶远远不够需要从材料、结构、控制三个维度同时发力。五、轮胎行业怎么解决的ContiSilent和PNCS降低15-25dB的噪声听起来很难但轮胎行业已经做到了。Continental马牌的ContiSilent技术在轮胎内壁贴一层聚氨酯泡沫厚度10-20mm泡沫是多孔吸声材料能吸收轮胎空腔共振约200-250Hz的嗡嗡声。实测降噪效果车内噪声降低9dB。Pirelli倍耐力的PNCSPirelli Noise Cancelling System同样在轮胎内壁贴吸声泡沫但用了更高密度的聚氨酯开孔泡沫并优化了贴敷位置。实测降噪效果车内噪声降低2-3dB。Hankook韩泰的iON技术通过优化胎面花纹的节距排列随机化消除特定频率的共鸣噪声。实测降噪效果车外通过噪声降低1-2dB。这些技术的降噪效果1-9dB看起来不如我们需要的15-25dB那么多。但要注意汽车轮胎的噪声基线本来就很高70-80dBA降9dB已经是巨大改善。而机器人足底的噪声基线较低50-65dBA且有更多的降噪手段可叠加材料结构控制15-25dB的目标是可实现的。关键是要把轮胎行业的成熟技术翻译到机器人足底上。怎么翻译下一篇详细讲。六、人脚为什么安静答案在组织结构里最后回到一个根本问题人脚为什么走路那么安静人脚着地的声压级大约是25-35dBA赤脚在木地板上正常行走。比机器人低20-30dB。差距在哪第一软组织阻尼。人脚底的脂肪垫和真皮层的损耗因子tan δ约0.3-0.5远高于普通橡胶0.05-0.15。高损耗因子意味着冲击能量被高效转化为热能而不是变成声波辐射出去。第二多层结构。人脚底从外到内是角质层硬0.2mm→表皮0.1mm→真皮1-2mm→皮下脂肪3-5mm→足底筋膜→骨骼。每一层的硬度和阻尼不同声波在层间界面会被反射和吸收逐层衰减。第三微滑移。前面讲了人脚着地时有0.5-2mm的微滑移消耗冲击能量。机器人足底摩擦系数太高不滑移能量变成声音。第四面积大。人脚掌面积约100平方厘米比机器人脚掌大20-30倍。同样的冲击力分布在大面积上单位面积的声辐射强度低。这四点里机器人可以学的是前两点——提高材料阻尼、做多层结构。后两点受限于机器人设计摩擦系数不能太低、脚掌不能太大。但光学前两点就能把噪声降低10-15dB。结语每次我看到那个机器木鱼的视频都会想如果机器人行业有1%的精力花在足底噪音上这台机器狗就不会被全网嘲笑。噪声不是小事。对室内服务机器人来说噪声是能不能用的门槛问题。你做的机器人再聪明如果它在医院走廊里走路像敲木鱼没有医院会用它。如果它在卧室里巡逻像啄木鸟没有家庭会留它。WHO的30dBA标准不是随便定的——那是人类睡眠不被打扰的阈值。你的机器人离这个阈值差了20-30dB不是差一点是差了一个数量级。但好消息是技术路径是清晰的。轮胎行业和跑鞋行业已经趟过了降噪这条路我们只需要把成熟的经验搬过来加上机器人特有的控制手段就能跨越这道坎。下一篇我讲三招把足底噪音压到图书馆水平。不是理论是我们RobotSole做过的、测过的、验证过的实际方案。足底噪音不是过不去的坎。只是目前还没人认真去迈。—**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