一种双足类人机器人腿部结构轻量化设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种双足类人机器人腿部结构的轻量化设计方法，包括以下步骤：(1)根据机器人腿部结构承受重量大小，对机器人腿部结构进行基于渐进结构拓扑优化设计；设定两种工况进行有限元分析，一种为身体与腿部夹角180°的直立状态，一种为夹角为150°的弯曲状态；(2)进行网格划分，以两种载荷工况的和的应变能为目标函数，以体积为约束条件，将固定以及安装零件部分和螺栓滑槽部分进行冻结，盖板的垂直方向采用拔模约束，进行拓扑结构优化；(3)根据优化结果进行类人机器人的腿部设计。本发明通过渐进结构拓扑优化的方式，实现材料的最优分布，减小双足类人机器人腿部结构的轮廓和质量。
【专利说明】一种双足类人机器人腿部结构轻量化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人【技术领域】，尤其是涉及一种双足类人机器人腿部结构轻量化设 计方法。
【背景技术】
[0002] 多功能，低能耗，灵活易操作的机器人是发展的必然方向，目前机器人多为电池供 电，机器人耗电越少，电池供电时间越长，因此轻量化、低成本制作成为当今机器人为进行 优化的最终目标。机器人由头部、躯干部分和四肢组成，其中腿部承受身体大部分重量，起 着稳定机器人重心，调整机器人姿态的作用。腿部是双足机器人运动的关键机构，腿部结构 轮廓较大容易引起运动过程中的干涉，腿部的灵活性制约着机器人行走的灵活性。
[0003] 目前，现有技术中的双足类人机器人所面临的问题主要表现为：自身质量较大，运 动惯性较大，难于调试和控制，供电不足，且运作时间短。因此，双足机器人腿部结构的轻量 化设计对类人机器人领域的发展具有不可忽视促进的作用。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种双足类人机 器人腿部结构的轻量化设计方法，该方法通过采用渐进结构拓扑优化的方式，能够实现材 料的最优分布，减小双足类人机器人腿部结构的轮廓和质量。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种双足类人机器人腿部 结构的轻量化设计方法，包括以下步骤：
[0006] (1)根据机器人腿部结构承受重量的大小，对机器人的腿部结构进行基于渐进结 构拓扑优化设计；腿部上端铰接处穿一根轴，将腿部下部轴孔处完全固定，设定两种工况进 行有限元分析，一种为身体与腿部夹角为180°的直立状态，一种为夹角为150°的弯曲状 态；
[0007] (2)进行网格划分，以两种载荷工况的和的应变能为目标函数，以体积为约束条 件，将固定以及安装零件部分和螺栓滑槽部分进行冻结，在盖板的垂直方向采用拔模约束， 进行拓扑结构优化；
[0008] (3)根据优化结果进行类人机器人的腿部设计。
[0009] 本发明的有益效果是：进行了材料的最优分布，去除多余无效的材料，使材料得到 充分有效的利用；根据实际受力条件减小双足类人机器人腿部结构轮廓，避免了机器人运 动过程中产生的干涉现象；减轻了双足类人机器人的腿部质量，避免了惯性太大调试困难 的问题；减小了双足类人机器人的驱动装置的功率，增加了电池供电时间，为类人机器人可 以长时间作业提供保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会 更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义 上的限制，在附图中：
[0011] 图1是本发明双足类人机器人腿部结构轻量化设计方法的原理流程图；
[0012] 图2是本发明双足类人机器人腿部结构的模型图；
[0013] 图3是本发明双足类人机器人腿部结构拓扑优化结果模型效果图；
[0014] 图4是本发明双足类人机器人腿部结构经拓扑优化后设计的模型图；
[0015] 图中：
[0016] 1、大腿 2、大腿轴孔 3、大腿安装孔
[0017] 4、小腿轴孔 5、铰接轴 6、驱动器安装位置
[0018] 7、小腿 8、盖板 9、小腿安装孔
[0019] 10、电机安装孔 11、螺栓滑槽
【具体实施方式】
[0020] 下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
[0021] 如图1至图4所示，本发明一种双足类人机器人腿部结构的轻量化设计方法，在不 改变电机、驱动器等器件的条件下，按照实际受力情况进行载荷约束，将双足类人机器人的 腿部结构进行拓扑优化，以减小机器人的腿部的轮廓和重量。
[0022] 本发明双足类人机器人腿部结构使用的材料牌号为7075-T651的合金铝，材料属 性为：质量密度为2810kg/m3,弹性模量为72Gpa，泊松比为0. 33,屈服强度为505Mpa。由于 加工条件的限制，避免在加工过程中由于构件较薄夹具致使构件受压变形，因此对构件的 厚度不进行改变；
[0023] 如图2所示，本发明双足类人机器人腿部框架包含大腿1和小腿7两部分，所述大 腿1和小腿7两部分靠铰接轴5来连接，步骤如下：
[0024] (1)设定两种工况进行有限元分析：一种为大腿1与小腿7夹角180°的直立状 态，另一种为大腿1与小腿7夹角为150°的弯曲状态，将大腿1与小腿7上端分别由铰接 轴5固定，下部轴孔处完全固定；
[0025] 将类人机器人大腿1与小腿7的三维虚拟实验样机模型分别导入有限元分析软 件，进行材料属性设置，组装部件，定义分析步，设置两种工况的载荷和边界条件，将网格划 分为四节点二次四面体单元；
[0026] 将辅助分析的大腿轴孔2、大腿安装孔3、小腿轴孔4、小腿安装孔9、电机安装孔 10、驱动器安装位置6以及螺栓滑槽11进行冻结，以盖板8的垂直方向采用拔模方向约束；
[0027] 将工况一、工况二分别设置为大腿1与小腿7夹角为180°和150°，将大腿1下 端的大腿安装孔3和小腿7下端的小腿安装孔9分别固定，在大腿1上端的大腿轴孔2和 小腿7上段的小腿轴孔4的位置分别施加身体重力对腿部影响的载荷；
[0028] (2)以两种载荷工况的和的应变能为目标函数，以体积为约束条件，对大腿1和小 腿7分别进行拓扑结构优化，随着体积分数的减少，应变能缓慢增加，综合应变能和体积分 数的结果，选取最优结果作为设计的参考模型（参见图3);
[0029] (3)根据参考模型以及优化过程中体积减少的先后顺序，进行新模型的设计（参 见图4)。
[0030] 机器人腿部设计主要考虑自身重力以及上身施加的重力，电机扭矩，机器人行走 时的冲击力。上身重力主要由铰接轴5对大腿轴孔2和小腿轴孔4分别进行施加，电机设 置在电机安装孔10处，通过传送带传送到下端大腿安装孔3、小腿安装孔9进行转动。
[0031] 下面给出采用本发明双足类人机器人腿部结构的轻量化设计方法所得到的新模 型的参数优化结果。机器人腿部依靠电机驱动，腿部可靠性受固有频率的影响。对类人机 器人腿部原/新结果的基频、最大应力、质量做分析对比，如下表：
[0032]
【权利要求】
1. 一种双足类人机器人腿部结构的轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将双足类人机器人的大腿与小腿上端由铰接轴固定，下部轴孔处完全固定；设定 两种工况进行有限元分析：工况一为大腿与小腿夹角为180°的直立状态，工况二为大腿 与小腿夹角为150°的弯曲状态； 将双足类人机器人的大腿与小腿的三维虚拟实验样机模型分别导入有限元分析软件， 进行材料属性设置，组装部件，定义分析步，设置两种工况的载荷和边界条件，将网格划分 为四节点二次四面体单元； 将辅助分析的大腿轴孔、大腿安装孔、小腿轴孔、小腿安装孔、电机安装孔、驱动器安装 位置以及螺栓滑槽进行冻结，以盖板的垂直方向采用拔模方向约束； 将工况一、工况二分别设置为大腿与小腿夹角为180°和150°，将大腿下端的大腿安 装孔和小腿下端的小腿安装孔分别固定，在大腿上端的大腿轴孔和小腿上段的小腿轴孔的 位置分别施加身体重力对腿部影响的载荷； (2) 以两种载荷工况的和的应变能为目标函数，以体积为约束条件，对大腿和小腿分 别进行拓扑结构优化，随着体积分数的减少，应变能缓慢增加，综合应变能和体积分数的结 果，选取最优结果作为设计的参考模型； (3) 根据参考模型以及优化过程中体积减少的先后顺序，进行新模型的设计。
【文档编号】G06F17/50GK104318038SQ201410649705
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】叶冬森, 孙少明, 骆敏舟, 李涛, 陈赛旋, 刘效, 江喻飞, 张丽华 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院, 常州先进制造技术研究所