CN115743353A - 一种轻质一体化双足机器人大腿结构 - Google Patents
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Abstract
一种轻质一体化双足机器人大腿结构,包括大髋部电机a、髋部电机b、膝部电机及大腿结构本体;大腿结构本体包括腿外壳、髋部电机a、髋部电机b以及膝部电机;大腿外壳的壳面采用轻量化的拓扑结构;大腿外壳的上部两侧相对设有一对安装孔a1,髋部电机a安装在安装孔a1上;大腿外壳的中部两侧相对设有一对安装孔b1,髋部电机b安装在安装孔b1上;大腿外壳的下部两侧相对设有一对安装孔c1,膝部电机安装在安装孔c1上;所述安装孔a1、安装孔b1、安装孔b1的孔壁采用轻量化的点阵结构。本发明融合拓扑优化+点阵填充两种轻量化设计手段,充分地挖掘出大腿结构的减重空间并采用激光选区熔化成型的工艺实现该类结构的制备。
Description
技术领域
本发明涉及机器人结构设计领域,尤其涉及一种轻质一体化双足机器人大腿结构。
背景技术
作为双足机器人中体现机器人运动性能的核心部件,大腿结构的设计的优劣对于提升双足机器人的运动指标具有十分重要的意义,其中大腿结构的质量和刚度直接影响着机器人的控制性能、续航能力。目前大部分双足机器人大腿结构基本采用分体设计紧固件连接的设计方式,选用高强度航空铝合金材料并采取传统减材机械加工的制造方法制备,由于传统减材加工的局限性导致通过传统方式设计制造的大腿结构大都存在由于分体设计导致的轻量化设计不彻底、刚性差及易发生连接失效的问题。
发明内容
为克服上述问题,本发明提供一种轻质一体化双足机器人大腿结构。
本发明采用的技术方案是:一种轻质一体化双足机器人大腿结构,包括大髋部电机a、髋部电机b、膝部电机及大腿结构本体;
所述大腿结构本体包括具有中空内腔的大腿外壳、髋部电机a、髋部电机b以及膝部电机;所述大腿外壳的壳面采用轻量化的拓扑结构,大腿外壳的上端设有一个与内腔连通的通过孔a1,髋部电机a、髋部电机b均从通过孔a1进入大腿外壳的内腔;大腿外壳的下端设有一个与内腔连通的通过孔a2,膝部电机从通过孔a2进入大腿外壳的内腔;
所述大腿外壳的上部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔a1,髋部电机a安装在安装孔a1上;所述大腿外壳的中部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔b1,髋部电机b安装在安装孔b1上;所述大腿外壳的下部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔c1,膝部电机安装在安装孔c1上;所述安装孔a1、安装孔b1、安装孔b1的孔壁采用轻量化的点阵结构。
进一步,所述轻量化拓扑结构是将传动双足机器人大腿结构中分体设计的零件进行合并处理并去除对应的紧固连接件,对合并零件后的一体模型进行拓扑优化,根据大腿结构的边界受力状态,对其进行拓扑优化得到材料分布情况去除大腿结构设计空间处多余材料得到的。
进一步,所述轻量化的点阵结构是对大腿结构未做拓扑优化的非设计空间结构进行点阵镂空填充,在满足强度刚度等各项力学指标的前提下挖掘大腿结构的减重裕度。
进一步,所述点阵镂空填充所采用的结构是BCC体心立方结构,以进一步实现大腿结构的轻量化设计。
进一步,所述大腿外壳、通过孔a1、通过孔a2、安装孔a1、安装孔b1、安装孔c1为一体成型结构。
进一步,所述大腿外壳、通过孔a1、通过孔a2、安装孔a1、安装孔b1、安装孔c1是基于激光选区熔化成型工艺进行制备。
进一步,所述激光选区熔化成型工艺采用高比强度的AlMgScZr粉末材料作为制备材料。
进一步,所述通过孔a1的轴心线、通过孔a2的轴心线与大腿外壳的轴心线共线。
进一步,所述一对安装孔a1的轴心线、一对安装孔b1的轴心线、一对安装孔c1的轴心线均垂直于大腿外壳的轴心线。
一种双足机器人单腿结构,包括上述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,大腿结构与小腿结构连接,小腿结构与足部结构连接。
本发明的设计思路是:由于传统减材机械加工方式的局限性,因此现有双足机器人大腿结构基本采用分体设计紧固件连接的设计方式,从而导致由于冗余连接件的存在导致腿部结构轻量化设计不彻底、刚性差及机器人跳跃冲击导致的易发生连接失效的问题。本发明旨在通过提供一种轻质一体化双足机器人大腿结构设计思路,首先结构一体化的设计方式摒弃使用紧固连接件,从而去除了紧固件该部分所带来的质量,此外也避免了紧固件连接导致的连接失效风险。其次,一体化大腿结构设计采用拓扑优化+点阵结构填充的设计思路,根据结构的边界受力状态,对其进行拓扑优化得到材料分布情况从而去除腿部结构设计空间的多余材料,此外在拓扑优化的基础上对非设计空间上的结构进一步实现点阵结构镂空填充,进一步实现轻量化的目标。最后,由于拓扑结构及点阵结构设计的引入,传统的制备工艺的局限性无法实现该结构的制备,因此针对该种融合拓扑结构+点阵结构的轻质一体化双足机器人大腿结构选用激光选区熔化成型工艺进行制备。
本发明的有益效果是:
1、双足机器人大腿结构采用一体化设计思路,摒弃了传统大腿结构分体设计紧固件拼接的设计方式,由于取消各类紧固件的使用及采用零部件一体设计成型的方式,极大地提升了大腿结构的刚性,同时避免了紧固件连接处失效导致的双足机器人大腿结构失效的风险。本发明中一体化大腿结构突破传统的机械加工工艺局限性,通过一体化拓扑优化设计,为双足机器人大腿结构的轻量化提供了更大的设计空间。
2、为进一步挖掘大腿结构的轻量化设计空间,引入点阵结构的设计进一步对大腿结构非拓扑优化设计空间内部进行镂空点阵结构的填充,由于点阵结构具有高比强度的特点,从而对大腿结构的进一步轻量化提供了方向。本发明融合拓扑优化+点阵填充两种轻量化设计手段,充分地挖掘出大腿结构的减重空间并采用激光选区熔化成型的工艺实现该类结构的制备,为后续双足机器人大腿结构提供了新的设计思路。
附图说明
图1是本发明的双足机器人单腿装配图。
图2是本发明的轻质一体化双足机器人大腿结构示意图。
图3是本发明的轻质一体化双足机器人大腿结构剖面示意图。
图4是本发明的轻质一体化双足机器人大腿结构BCC单胞示意图。
图5是本发明的轻质一体化双足机器人结构的优化后仿真校核位移示意图。
图6是本发明的轻质一体化双足机器人结构的优化后仿真校核应力示意图。
图7是本发明的轻质一体化双足机器人结构的优化设计流程。
附图标记说明:1为髋部电机a;2为髋部电机b;3为膝部电机,4为安装孔a1;5为安装孔a2;6为安装孔b1;7为安装孔b2;8为安装孔c1;9为安装孔c2;10为通过孔a1;11为通过孔a2;12为大腿结构本体;13为双足机器人小腿结构;14为双足机器人足部结构。151、152、153均为点阵。16为BCC。
具体实施方式
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。
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。
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。
参照附图,一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:包括大髋部电机a、髋部电机b、膝部电机及大腿结构本体;
所述大腿结构本体包括具有中空内腔的大腿外壳、髋部电机a、髋部电机b以及膝部电机;所述大腿外壳的壳面采用轻量化的拓扑结构,大腿外壳的上端设有一个与内腔连通的通过孔a1,髋部电机a、髋部电机b均从通过孔a1进入大腿外壳的内腔;大腿外壳的下端设有一个与内腔连通的通过孔a2,膝部电机从通过孔a2进入大腿外壳的内腔;
所述大腿外壳的上部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔a1,髋部电机a安装在安装孔a1上;所述大腿外壳的中部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔b1,髋部电机b安装在安装孔b1上;所述大腿外壳的下部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔c1,膝部电机安装在安装孔c1上;所述安装孔a1、安装孔b1、安装孔b1的孔壁采用轻量化的点阵结构。
具体的,结合附图1、附图2、附图3及附图4,对本发明的轻质一体化双足机器人结构做如下说明:
大腿结构主要包含髋部电机a1、髋部电机b2、膝部电机3及大腿结构本体12。所述的髋部电机b2从所述图上方经过通过孔a110进入大腿结构本体12内腔,然后安装在安装孔b16及安装孔b27上,髋部电机a1同理从所述图上方经过通过孔a110进入大腿结构本体12内腔,安装在安装孔a14及安装孔a25上,所述的膝部电机3从所述图下方经过通过孔a211进入大腿结构本体12内腔,安装在安装孔c18及安装孔c29上。
本发明将所有传统分体设计的零件进行合并处理并去除对应的紧固连接件,对合并零件后的一体模型进行拓扑优化,根据大腿结构的边界受力状态,对其进行拓扑优化得到材料分布情况去除大腿结构设计空间处多余材料从而得到轻量化拓扑结构。
本发明中一体化大腿结构突破传统的机械加工工艺局限性,通过一体化拓扑优化设计,为双足机器人大腿结构的轻量化提供了更大的设计空间。本发明融合拓扑优化+点阵填充两种轻量化设计手段,充分地挖掘出大腿结构的减重空间并采用激光选区熔化成型的工艺实现该类结构的制备,为后续双足机器人大腿结构提供了新的设计思路。
本发明的实施例中,为了进一步在拓扑优化的基础上进一步降低大腿结构的质量,结合激光选区熔化成型的工艺特点,对大腿结构未做拓扑优化的非设计空间结构进行点阵15镂空填充设计,在满足强度刚度等各项力学指标的前提下挖掘大腿结构的减重裕度。
本发明的实施例中,所述轻质一体化双足机器人大腿结构中点阵15填充结构采用BCC16体心立方结构,BCC16结构具有使用广泛,比强度高的优点,对大腿结构非拓扑优化设计空间进行BCC16点阵15结构填充既能够满足使用要求的同时,进一步有效地实现大腿结构的轻量化设计。
本发明的实施例中,所述轻质一体化双足机器人大腿结构在轻量化设计方面有机融合拓扑优化+点阵填充两项技术,由于传统机械加工对上述两种设计思路的局限性,本发明所述的一体化双足机器人大腿结构将基于激光选区熔化成型工艺进行制备。
本发明的实施例中,所述轻质一体化双足机器人大腿结构为保证轻质高强的性能要求,采用高比强度的AlMgScZr粉末材料作为制备材料,从而进一步为轻质一体化双足机器人大腿结构的使用提供材料保障。
本发明的实施例中,对所述轻质一体化双足机器人大腿结构进行有限元仿真,得到相应的位移及应力分布云图,结果显示位移变化及应力值均处在设计范围内。
具体的,参照图7,所述轻质一体化双足机器人大腿结构具体设计步骤如下,根据设计需求,导入CAD模型后对CAD模型进行设计空间及非设计空间的划分,通过拓扑设计及晶胞设计两种设计方法对设计空间及非设计空间进行优化设计,分别得到拓扑模型及点阵模型,随后对上述两种模型进行几何合并,然后对其进行数值模拟计算,若数值计算结果符合则完成本次设计优化,若数值计算结果不满足设计需求则返回重新开始拓扑优化及晶胞设计至符合设计要求完成本次优化设计。
本发明是采用拓扑优化一体设计对整体结构进行轻量化,相比双足机器人腿部结构常规采用分体设计再通过紧固件相连的方式,一体化设计的优势在于能够极大地减少各类冗余连接件及紧固件的数量从而提供了轻量化设计的空间,同时一体化设计也能够极大地提升大腿结构的刚性并减少连接失效的风险。
该双足机器人大腿结构对非拓扑优化设计空间进行点阵填充设计,通过引入点阵结构进一步加大大腿结构的轻量化比例。本发明在双足机器人大腿结构设计中融合拓扑优化+点阵结构两种轻量化设计手段,最大比例的实现大腿结构的轻量化设计空间,为后续双足机器人大腿结构的轻量化设计提供了一种新的方法。
一种轻质一体化双足机器人大腿结构,对于降低机器人质量、增加腿部刚度及腿部结构的可靠性从而提升机器人运动性能指标具有重要意义。
上面对本发明的实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:包括大髋部电机a、髋部电机b、膝部电机及大腿结构本体;
所述大腿结构本体包括具有中空内腔的大腿外壳、髋部电机a、髋部电机b以及膝部电机;所述大腿外壳的壳面采用轻量化的拓扑结构,大腿外壳的上端设有一个与内腔连通的通过孔a1,髋部电机a、髋部电机b均从通过孔a1进入大腿外壳的内腔;大腿外壳的下端设有一个与内腔连通的通过孔a2,膝部电机从通过孔a2进入大腿外壳的内腔;
所述大腿外壳的上部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔a1,髋部电机a安装在安装孔a1上;所述大腿外壳的中部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔b1,髋部电机b安装在安装孔b1上;所述大腿外壳的下部两侧相对设有一对与所述内腔连通的安装孔c1,膝部电机安装在安装孔c1上;所述安装孔a1、安装孔b1、安装孔b1的孔壁采用轻量化的点阵结构。
2.如权利要求1所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述轻量化拓扑结构是将传动双足机器人大腿结构中分体设计的零件进行合并处理并去除对应的紧固连接件,对合并零件后的一体模型进行拓扑优化,根据大腿结构的边界受力状态,对其进行拓扑优化得到材料分布情况去除大腿结构设计空间处多余材料得到的。
3.如权利要求1所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述轻量化的点阵结构是对大腿结构未做拓扑优化的非设计空间结构进行点阵镂空填充,在满足强度刚度等各项力学指标的前提下挖掘大腿结构的减重裕度。
4.如权利要求3所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述点阵镂空填充所采用的结构是BCC体心立方结构,以进一步实现大腿结构的轻量化设计。
5.如权利要求1所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述大腿外壳、通过孔a1、通过孔a2、安装孔a1、安装孔b1、安装孔c1为一体成型结构。
6.如权利要求5所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述大腿外壳、通过孔a1、通过孔a2、安装孔a1、安装孔b1、安装孔c1是基于激光选区熔化成型工艺进行制备。
7.如权利要求6所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述激光选区熔化成型工艺采用高比强度的AlMgScZr粉末材料作为制备材料。
8.如权利要求1所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述通过孔a1的轴心线、通过孔a2的轴心线与大腿外壳的轴心线共线。
9.如权利要求8所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,其特征在于:所述一对安装孔a1的轴心线、一对安装孔b1的轴心线、一对安装孔c1的轴心线均垂直于大腿外壳的轴心线。
10.一种双足机器人单腿结构,其特征在于:包括如权利要求1-9任一项所述的一种轻质一体化双足机器人大腿结构,大腿结构与小腿结构连接,小腿结构与足部结构连接。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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