基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法。本发明专利技术中构建了腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统，对比总体设计需求和结构资源库系统中的功能介绍信息，能快速地选取合适模块而形成腿和腿干的结构构型初步设计方案。再利用建模工具建立机器人整体动力分析模型，针对模型进行动力学分析和结构精细化分析以获取腿和躯干的应力和应变。基于多目标的渐进结构拓扑优化方法，逐步得到优化后的腿结构和躯干结构。优化后的腿足结构和躯干结构的应力和应变能满足机器人的使用需求，同时腿足承载比和躯干承载比均有了大幅度提高、重量有了大幅度减轻，大大提高了四足机器人的承载能力、减轻了四足机器人的重量。重量。重量。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法


[0001]本专利技术涉及智能仿生足式机器人
，具体涉及一种基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法。

技术介绍

[0002]机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，发展机器人产业对提高创新能力、增强国家综合实力、带动整体经济发展都具有十分重要的意义，在我国，机器人技术创新和产业发展都是重要内容。
[0003]作为未来智能移动服务机器人的最为主要的发展，灵巧机动和自主作业的四足机器人正在成为下一代智能移动机器人的标志性研究热点，世界各国都在不遗余力的发展。2009年，我国开启高性能四足机器人项目论证。2011年“高性能四足机器人”、陆军“伴随保障四足机器人”等陆续开展项目支持。我国更是在陆军某特种机器人计划、科技部国家重点研发计划、自然基金委共融机器人重大研究计划等项目中，设置专门基金支持，意在大力发展，赶超世界水平。
[0004]目前国内外在四足机器人方面普遍存在承载能力较低、重量大的技术问题，难以满足四足机器人面向民生应用的能力需求，因此需要通过结构设计提高仿生腿足及躯干的承载比、减轻仿生腿足及躯干的重量。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，用以解决现有技术中足式机器人承载能力低、重量大的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法采用以下技术方案：
[0007]基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，包括以下步骤，第一步，提出腿和躯干的结构构型初步设计方案；第二步，针对提出的腿和躯干的结构构型初步设计方案建立机器人整体动力分析模型，针对建立的整体动力分析模型进行动力学分析、腿结构精细化分析和躯干结构精细化分析；第三步，通过多目标的渐进结构拓扑优化方法，对腿结构和躯干结构进行优化设计，得到优化后的腿结构和躯干结构；第四步，针对优化后的腿结构和躯干结构进行验证，验证结果满足设计需求则进入下一步，验证结果不能满足设计需求则调整第三步的参数并重新进行多目标的渐进结构拓扑优化；第五步，将第三步中优化后的结构作为最终结果并进行输出。
[0008]在所述第一步中，将腿部结构和躯干结构进行模块划分并形成腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统，所述腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统中存储有与相应模块一一对应的功能介绍信息，比对总体设计需求与所述功能介绍信息，选取合适的模块并基于此提出所述腿和躯干的结构构型初步设计方案。
[0009]在所述第一步中，所述模块包括一级分类模块、二级分类模块和三级分类模块，每
个一级分类模块下包括一个或多个二级分类模块，每个二级分类模块下包括一个或多个三级分类模块，所述三级分类模块中的每一具体选项与最终构成腿部结构/躯干结构的零件名称一一对应。
[0010]所述总体设计需求包括一体化需求、轻量化需求、快拆模块化需求和驱动集成度需求，所述功能介绍信息包括信息一体化程度、轻量化程度、快拆模块化程度和驱动集成度。
[0011]每一类功能介绍信息的程度以数字进行量化表示。
[0012]在所述第二步中，对模型进行整体动力学分析时，分别为模型施加三种初始条件，三种初始条件分别对应模型在刚性路面移动时的受力情况、在软土路面行走时的受力情况和遇外界扰动时的受力情况；针对所述初始条件，分别进行腿结构精细化分析和躯干结构精细化分析，得到不同初始条件下腿结构和躯干结构的应力和应变情况。
[0013]在所述第三步中，优化目标包括承载比最大、应力和应变能满足第二步的求解结果、重量最轻。
[0014]在承载比最大与重量最轻相冲突的情况下，对承载比和重量加权求和后的最大值所对应的结构作为最终结果进行输出。
[0015]所述第四步中的验证步骤包括，针对优化后的腿结构和躯干结构重新生成优化后的机器人整体动力学模型，针对优化后的模型计算腿的承载比和重量、躯干的承载比和重量，并在上述三种初始条件下分别进行动力学分析、腿结构精细化分析、躯干结构精细化分析，以求取不同初始条件下腿结构和躯干结构的应力和应变情况，腿和躯干的承载比、重量、应力和应变均能满足设计需求则进入第五步。
[0016]本专利技术方法具有如下优点：本专利技术中构建了腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统，对比总体设计需求和上述结构资源库系统中的功能介绍信息，能快速地选取合适模块而形成腿和腿干的结构构型初步设计方案。再利用建模工具建立机器人整体动力分析模型，针对模型进行动力学分析和结构精细化分析以获取腿和躯干的应力和应变。基于多目标的渐进结构拓扑优化方法，逐步得到优化后的腿结构和躯干结构。经验证，优化后的腿足结构和躯干结构的应力和应变能满足机器人的使用需求，同时腿足承载比和躯干承载比均有了大幅度提高、重量有了大幅度减轻，大大提高了四足机器人的承载能力、减轻了四足机器人的重量。
[0017]本专利技术中，对模型进行整体动力学分析时，分别为模型施加三种初始条件，针对三种初始条件分别进行整体动力学分析、腿结构精细化分析和躯干结构精细化分析，使得优化后的模型在刚性路面、软土路面均能良好行走，并在遇外界扰动时能保持稳定。
附图说明
[0018]图1是本专利技术的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法的流程图。
具体实施方式
[0019]下面将结合具体实施方案对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述，但是本领域技术人员应当理解，下文所述的实施方案仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。基于本专利技术中的实施方案，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施方案，都属于本专利技术保护的范围。
[0020]本专利技术的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法的实施例：
[0021]本专利技术的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法包括以下步骤：
[0022]第一步，将腿部结构和躯干结构进行模块划分并形成腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统，所述腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统中存储有与相应模块一一对应的功能介绍信息，比对总体设计需求与所述功能介绍信息，选取合适的模块并基于此提出腿和躯干的结构构型初步设计方案。
[0023]该步骤中，所述模块包括一级分类模块、二级分类模块和三级分类模块，一级分类模块下包括一个或多个二级分类模块，二级分类模块下包括一个或多个三级分类模块，其最终目的是保证量下一级的分类模块中的每一具体选项与最终构成腿部结构/躯干结构的零件名称一一对应。在其他实施例中，根据具体的划分方式所述模块的级数也可以更多或是更少。
[0024]该步骤中，所述总体设计需求包括一体化需求、轻量化需求、快拆模块化需求和驱动集成度需求。相应地，所述功能介绍信息也包括信息一体化程度、轻量化程度、快拆模块化程度和驱动集成度，并可针对每一类信息的程度以数字进行量化的表示，这能进一步缩短腿和躯干的结构构型初步设计方案的提出周期。当然，在其他实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤，第一步，提出腿和躯干的结构构型初步设计方案；第二步，针对提出的腿和躯干的结构构型初步设计方案建立机器人整体动力分析模型，针对建立的整体动力分析模型进行动力学分析、腿结构精细化分析和躯干结构精细化分析；第三步，通过多目标的渐进结构拓扑优化方法，对腿结构和躯干结构进行优化设计，得到优化后的腿结构和躯干结构；第四步，针对优化后的腿结构和躯干结构进行验证，验证结果满足设计需求则进入下一步，验证结果不能满足设计需求则调整第三步的参数并重新进行多目标的渐进结构拓扑优化；第五步，将第三步中优化后的结构作为最终结果并进行输出。2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，其特征在于：在所述第一步中，将腿部结构和躯干结构进行模块划分并形成腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统，所述腿部结构资源库系统和躯干结构资源库系统中存储有与相应模块一一对应的功能介绍信息，比对总体设计需求与所述功能介绍信息，选取合适的模块并基于此提出所述腿和躯干的结构构型初步设计方案。3.根据权利要求2所述的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，其特征在于：在所述第一步中，所述模块包括一级分类模块、二级分类模块和三级分类模块，每个一级分类模块下包括一个或多个二级分类模块，每个二级分类模块下包括一个或多个三级分类模块，所述三级分类模块中的每一具体选项与最终构成腿部结构/躯干结构的零件名称一一对应。4.根据权利要求2所述的基于拓扑优化技术的仿生腿足及躯干结构设计方法，其特征在于：所述总体设计需求包括一体化需求、轻量化需求、快拆模块化...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海峰，刘振宇，高连国，孙俊达，高峰，李鹏飞，
申请(专利权)人：北京炎凌半步机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：