薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法及机器人小腿模型与流程

1.本发明涉及智能机器人结构设计领域，尤其涉及薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法及机器人小腿模型。


背景技术：

2.仿人机器人是从仿生的思想出发研制出的具有与人相似的身高、体重以及关节灵活性的机器人。因为人经过长期进化后形成了现在的肢体结构及关节灵活度特征，所以仿人机器人在运动稳定性、灵活性方面相比其它机型有明显的优势。目前仿人机器人可以实现奔跑、跳舞、跑酷等高难度动作，能在草地、雪地等户外环境中以人正常的速度行走，在搬运、消防等方面开始展现出价值。未来随着驱动关节性能，力、位置传感器，以及控制算法水平的进一步提升，仿人机器人可以成为家居必备的生活助理机器人。
3.仿人机器人结构件设计原则是轻质、高强、低转动惯性、高美观度。质量轻可以减少机器人的能耗，延长续航时间，对未来仿人机器人的落地应有意义；高强度可以满足机器人在各工况下的运动力学需要；低转动惯性使得机器人运动时能够完成动作的快速切换；高美观度能够提高用户对机器人的品质体验，并在美观度达到可以作为外观件的时候取代机器人的外观件，从而进一步减轻机器人的总体质量量。
4.目前国内做仿人机器人的研究单位不多，大多数结构件仍是设计成传统的机加工片体或棒体，并通过螺纹实现机械连接。该连接方式中螺钉多，美观度低，容易在运动时出现螺纹连接失效。


技术实现要素：

5.为克服上述问题，本发明提供。
6.本发明的第一个方面提供一种薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，包括以下步骤：
7.(1)根据机器人运动过程提炼两个步态作为两种工况，工况一为机器人一只脚站立、另一脚接触地面时的步态；工况二为机器人从低到高的起身步态；
8.(2)复合工况一和工况二，设计初始小腿模型并进行有限元计算；
9.(3)采用以最大刚度和最少材料为原则的拓扑设计方法来重构轻量化的小腿模型；
10.(4)对重构轻量化的小腿模型，外表面的壳体基础厚度保持2mm，芯部镂空，将芯部替换成点阵结构；
11.(5)根据有限元计算结果，对壳体进行变厚度设计，即在壳体内表面附近设置可变厚度区域，该处等效应力大时，可变厚度增加，等效应力小时，可变厚度减小；
12.(6)对芯部的点阵结构进行晶胞边长或者杆径变化的设计，采用软件gui语言种参数设置或者编程软件中代码编写的方法，根据晶胞的边长或杆径关于空间位置的函数，来设置晶胞或者杆径的变化；
13.(7)对拓扑设计的结果进行动态迭代，趋近于获得均匀应力场。
14.进一步，步骤2中，将站立时自身重量的3倍以上和起身时膝盖位置扭矩的峰值作为复合载荷的输入。
15.进一步，步骤3所述重构轻量化的模型是连续体，重构轻量化的小腿模型反映结构件有限元模拟后的材料分布特征。
16.进一步，步骤4中，外表面壳体的厚度为2mm，芯部为等密度的点阵。
17.进一步，薄壁厚度和芯部点阵密度通过应力场的模拟结果进行映射。
18.进一步，在第一次映射完成并计算新模型的应力场，然后优化迭代模型参数，直到应力场中最大应力和最小应力只差小于50mpa。
19.本发明的第二个方面提供一种薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法制成的机器人小腿模型，包括四根拓扑小腿管，相邻的两个拓扑小腿管之间连接有多个拓扑小腿第一短柱和拓扑小腿第二长柱；四根拓扑小腿管的底部连为一点；四根拓扑小腿管的其中两根拓扑小腿管的顶端连接有轴承安装面，另外两根拓扑小腿管的顶端连接有电机安装板；轴承安装面上设有拓扑小腿走线孔；拓扑小腿管的表面设有拓扑小腿表面壳体，拓扑小腿表面壳体上设有壳体连接孔局部加厚区域；拓扑小腿管的芯部设有芯部点阵或者变密度点阵。
20.本发明的工作原理具体为：结构件轻量化的终极目标是“均匀应力场”，即在应用工况下结构件的应力场中最大应力和最小应力的差值在小的范围，应力场趋向均匀。要想达到这样的目标，需要宏观和微观的协同设计，通过宏观的拓扑设计，可以减除小应力部位的材料，保留大应力部位的材料；通过在宏观构型的基础上，将内部应力较小的区域设计成点阵，并且根据应力的大小来调整点阵的密度。通过这样宏观和微观的协同设计，结构件的可以在保持结构件连接位置精度的同时，大程度的降低结构的重量。
21.本发明的有益效果是：通过宏观的拓扑设计，实现了机器人结构件的一体化和轻量化，对于本案例中拓扑设计的小腿，宏观拓扑结构能够实现与传统机加工结构件相比减重10％；在宏观拓扑设计基础上进一步的微观拓扑，通过内部空间的点阵取代宏观拓扑结构芯部实体，以及根据应力场调整局部壁厚的方式，使得结构重量相比于传统机加工件进一步地减轻20％。宏微观协同拓扑设计在实现结构件一体化、高美观度的基础上，总共减轻重量30％。同时强度和刚度满足机器人的使用要求。
附图说明
22.图1是拓扑小腿的初始模型图；
23.图2是拓扑小腿结构图；
24.图3是拓扑小腿的镂空壳体结构图；
25.图4是变厚度壳体示意图；
26.图5拓扑小腿芯部的点阵示意图；
27.图6是图5中a处的局部放大图；
28.图7是变密度点阵示意图。
29.附图标记说明：初始模型小腿管1；电机安装板2、电机反安装板21；轴承安装面3；走线孔4；拓扑小腿管5、拓扑小腿第一长柱51、拓扑小腿第一短柱52、拓扑小腿第二长柱53；
拓扑小腿横梁；54、拓扑小腿底端；6；拓扑小腿走线孔7；拓扑小腿表面壳体8、壳体连接孔局部加厚区域81；芯部点阵9；变密度点阵10。
具体实施方式
30.下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.实施例一
34.参照附图，薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，包括以下步骤：
35.(1)根据机器人运动过程提炼两个步态作为两种工况，工况一为机器人一只脚站立、另一脚接触地面时的步态；工况二为机器人从低到高的起身步态；
36.(2)复合工况一和工况二，将站立时自身重量的3倍以上和起身时膝盖位置扭矩的峰值作为复合载荷的输入。设计如图1所示初始小腿模型并进行有限元计算；初始模型能够反映小腿与大腿、脚等部位的连接位置及位置精度。构建小腿的初始构型，初始构型应准确反映小腿与电机、大腿、脚踝等的连接位置及精度，同时应保证机器人在运动任意运动步态下，都不会发生结构件之间的干涉。
37.(3)采用以最大刚度和最少材料为原则的拓扑设计方法来重构轻量化的小腿模型；重构轻量化的模型是连续体，重构轻量化的小腿模型反映结构件有限元模拟后的材料分布特征。
38.(4)对重构轻量化的小腿模型，外表面的壳体基础厚度为2mm，芯部镂空，将芯部替换成等密度的点阵结构；
39.(5)根据有限元计算结果，对壳体进行变厚度设计，即在壳体内表面附近设置可变厚度区域，该处等效应力大时，可变厚度增加，等效应力小时，可变厚度减小；
40.(6)对芯部的点阵结构进行晶胞边长或者杆径变化的设计，采用软件gui语言种参数设置或者编程软件中代码编写的方法，根据晶胞的边长或杆径关于空间位置的函数，来设置晶胞或者杆径的变化；
41.(7)对拓扑设计的结果进行动态迭代，趋近于获得均匀应力场。薄壁厚度和芯部点阵密度通过应力场的模拟结果进行映射。在第一次映射完成并计算新模型的应力场，然后
优化迭代模型参数，直到应力场中最大应力和最小应力只差小于50mpa。
42.该方法可以实现机器人结构件的高强度、轻量化设计，轻量化效果趋近于理论极限。
43.本发明的工作原理具体为：结构件轻量化的终极目标是“均匀应力场”，即在应用工况下结构件的应力场中最大应力和最小应力的差值在小的范围，应力场趋向均匀。要想达到这样的目标，需要宏观和微观的协同设计，通过宏观的拓扑设计，可以减除小应力部位的材料，保留大应力部位的材料；通过在宏观构型的基础上，将内部应力较小的区域设计成点阵，并且根据应力的大小来调整点阵的密度。通过这样宏观和微观的协同设计，结构件的可以在保持结构件连接位置精度的同时，大程度的降低结构的重量。
44.本发明的特点在于：采用了“变厚度壳体+变密度点阵”的设计方法设计机器人小腿结构，使得小腿比机加工件减轻了30％。小腿的外表面为变厚度的连续壳体，壳体的厚度随该处的应力大小而变，应力越大，壳体厚度越大；应力小，壳体的厚度小。芯部的点阵密度也随着应力大小而变，应力越大，点阵的密度大。点阵的密度可以通过胞元尺寸而变，也可以通过胞元中杆的直径而变。
45.实施例二采用薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法制成的机器人小腿模型，所述小腿模型包括四根拓扑小腿管5，相邻的两个拓扑小腿管5之间连接有多个拓扑小腿第一短柱52和拓扑小腿第二长柱53；四根拓扑小腿管5的底部连为一点，；四根拓扑小腿管5的其中两根拓扑小腿管5的顶端连接有轴承安装面3，另外两根拓扑小腿管5的顶端连接有电机安装板2；轴承安装面3上设有拓扑小腿走线孔7；拓扑小腿管5的表面设有拓扑小腿表面壳体8，拓扑小腿表面壳体8上设有壳体连接孔局部加厚区域81；拓扑小腿管5的芯部设有芯部点阵或者变密度点阵10。
[0046][0047]
我们在机器人结构件的设计实践中总结出一种提升连接件轻质高强性能的方法，即变密度点阵与变厚度壳体协同的设计方法。该方法中宏观的拓扑构型可以起到轻质、高美观度的作用。微观的拓扑构型表现为空间点阵，是在宏观拓扑构型基础上的进一步轻量化。
[0048]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

技术特征：
1.薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据机器人运动过程提炼两个步态作为两种工况，工况一为机器人一只脚站立、另一脚接触地面时的步态；工况二为机器人从低到高的起身步态；(2)复合工况一和工况二，设计初始小腿模型并进行有限元计算；(3)采用以最大刚度和最少材料为原则的拓扑设计方法来重构轻量化的小腿模型；(4)对重构轻量化的小腿模型，外表面的壳体基础厚度保持2mm，芯部镂空，将芯部替换成点阵结构；(5)根据有限元计算结果，对壳体进行变厚度设计，即在壳体内表面附近设置可变厚度区域，该处等效应力大时，可变厚度增加，等效应力小时，可变厚度减小；(6)对芯部的点阵结构进行晶胞边长或者杆径变化的设计，采用软件gui语言种参数设置或者编程软件中代码编写的方法，根据晶胞的边长或杆径关于空间位置的函数，来设置晶胞或者杆径的变化；(7)对拓扑设计的结果进行动态迭代，趋近于获得均匀应力场。2.如权利要求1所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于：步骤2中，将站立时自身重量的3倍以上和起身时膝盖位置扭矩的峰值作为复合载荷的输入。3.如权利要求1所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于：步骤3所述重构轻量化的模型是连续体，重构轻量化的小腿模型反映结构件有限元模拟后的材料分布特征。4.如权利要求1所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于：步骤4中，外表面壳体的厚度为2mm，芯部为等密度的点阵。5.如权利要求4所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于：薄壁厚度和芯部点阵密度通过应力场的模拟结果进行映射。6.如权利要求5所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，其特征在于：在第一次映射完成并计算新模型的应力场，然后优化迭代模型参数，直到应力场中最大应力和最小应力只差小于50mpa。7.采用权利要求1-6任意一项所述的薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法制成的机器人小腿模型，其特征在于：包括四根拓扑小腿管(5)，相邻的两个拓扑小腿管(5)之间连接有多个拓扑小腿第一短柱(52)和拓扑小腿第二长柱(53)；四根拓扑小腿管(5)的底部连为一点；四根拓扑小腿管(5)的其中两根拓扑小腿管(5)的顶端连接有轴承安装面(3)，另外两根拓扑小腿管(5)的顶端连接有电机安装板(2)；轴承安装面(3)上设有拓扑小腿走线孔(7)；拓扑小腿管(5)的表面设有拓扑小腿表面壳体(8)，拓扑小腿表面壳体(8)上设有壳体连接孔局部加厚区域(81)；拓扑小腿管(5)的芯部设有芯部点阵或者变密度点阵(10)。

技术总结
一种薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法，包括以下步骤：(1)设置工况一和工况二(2)复合工况一和工况二，设计初始小腿模型并进行有限元计算；(3)采用拓扑设计的方法重构轻量化的小腿模型；(4)对重构轻量化的小腿模型，外表面的壳体厚度保持2mm，芯部替换成点阵结构；(5)根据有限元计算结果，对壳体进行变厚度设计；(6)对芯部的点阵结构进行晶胞变边长或者杆径变化设计；(7)对拓扑设计的结果进行动态迭代，获得均匀应力场。本发明还提供一种薄壁结构的宏微观协同拓扑设计方法的机器人小腿模型。本发明宏微观协同拓扑设计在实现结构件一体化、高美观度的基础上，总共减轻重量30％，同时强度和刚度满足机器人的使用要求。度和刚度满足机器人的使用要求。度和刚度满足机器人的使用要求。


技术研发人员：朱世强 聂大明 谢安桓 孔令雨 姜红建 黄冠宇
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.03.30
技术公布日：2023/7/12