CN116401792A - 机器人机身设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种机器人机身设计方法，包括：生成机器人机身的基础模型，机器人机身的基础模型包括用于与机器人的四肢及颈部连接的接口；在机器人机身前倾旋转预设角度，且机器人的手臂与机器人的肩部齐平的姿态下，对机器人机身施加单位载荷，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构；根据拓扑结构，生成机器人机身的结构。本申请在设计机器人机身时，可以得到考虑了单位载荷的轻量化的机器人机身的结构，机器人机身可以适应更多载荷工况，同时本设计方法易于标准化，易于推广应用。

Description

机器人机身设计方法
技术领域
本申请涉及机器人结构设计技术领域，尤其涉及一种机器人机身设计方法。
背景技术
机器人是一种具有高度智能的信息化的仿生人，具有高扭力、高转速、高稳定、反应灵敏、高精度、转动角度大等性能要求，因此本体结构的轻量化是机器人安全和稳定运行的重要指标。
随着机器人的轻量化和紧凑化的设计发展方向，对机器人机身的结构的承载能力要求越来越高。拓扑优化和形状优化技术是结构轻量化设计的关键技术，在汽车、风电等行业已得到广泛应用，在机器人结构设计领域也已经开始应用。
然而，拓扑优化和形状优化技术仅简单用于机械臂和腿部结构，且尚未形成结构优化设计的标准化流程。主要原因在于：1）机器人作业过程的姿态时刻变化，载荷工况也随之实时变化，难以提取全面的极限载荷工况；2）机器人身体结构件非常零散，且零件之间的耦合性较强，要兼顾多零件、多姿态的结构形态，在设计时需要建立大量姿态的静力学模型，难以满足机器人开发效率的要求，难以形成规范化、标准化的设计方法。
发明内容
本申请提供一种机器人机身设计方法，可以得到包含较多载荷工况的机器人机身的结构，且设计方法易于标准化。
本申请提供一种机器人机身设计方法，包括：
生成机器人机身的基础模型，所述机器人机身的基础模型包括用于与机器人的四肢及颈部连接的接口；
在所述机器人机身前倾旋转预设角度，且机器人的手臂与机器人的肩部齐平的姿态下，对所述机器人机身施加单位载荷，生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构；
根据所述拓扑结构，生成所述机器人机身的结构。
可选的，在所述根据所述拓扑结构，生成所述机器人机身的结构之前，所述方法包括：
对所述机器人机身施加极限载荷，并对所述拓扑结构进行有限元分析，根据有限元分析结果对所述拓扑结构进行形状优化。
可选的，在所述根据有限元分析结果对所述拓扑结构进行形状优化之后，所述方法包括：
对所述形状优化的结果进行几何重构。
可选的，所述生成所述机器人机身的结构，包括：
对所述几何重构的结果进行有限元分析；
根据有限元分析结果，生成所述机器人机身的结构。
可选的，所述对所述机器人机身施加单位载荷，包括：
分别对所述机器人的手臂中点、所述机器人的头部重心、所述机器人的重心施加多个单位载荷。
可选的，所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构，包括：
根据所述多个单位载荷的比重系数，生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构。
可选的，在所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构之后，所述方法包括：
对所述拓扑结构进行几何重构。
可选的，所述机器人机身的基础模型沿所述机器人的中轴线左右对称。
可选的，所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构，包括：
生成不包括所述接口的所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的机器人机身设计方法。
在一些实施例中，在对机器人机身施加单位载荷的工况下，通过拓扑优化生成机器人机身的拓扑结构，并根据该拓扑结构，得到优化的机器人机身的结构，如此在设计机器人机身时，可以得到考虑了单位载荷的轻量化的机器人机身的结构，机器人机身可以适应更多载荷工况，同时本设计方法易于标准化，易于推广应用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1所示为本申请的机器人机身设计方法的一个实施例的流程图。
图2所示为机器人机身的基础模型的一个实施例的结构示意图。
图3为图2所示的机器人机身的基础模型的另一个角度的结构示意图。
图4所示为通过拓扑优化得到的机器人机身的拓扑结构的一个实施例的云图。
图5所示为对图4所示的拓扑结构进行几何重构得到的机器人机身的结构示意图。
图6所示为通过本申请的机器人机身设计方法得到的机器人机身的一个实施例的结构示意图。
图7所示为本申请的机器人机身设计系统的一个实施例的结构框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例的机器人机身设计方法包括：生成机器人机身的基础模型，机器人机身的基础模型包括用于与机器人的四肢及颈部连接的接口；在机器人机身前倾旋转预设角度，且机器人的手臂与机器人的肩部齐平的姿态下，对机器人机身施加单位载荷，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构；根据拓扑结构，生成机器人机身的结构。在对机器人机身施加单位载荷的工况下，通过拓扑优化生成机器人机身的拓扑结构，并根据该拓扑结构，得到优化的机器人机身的结构，如此在设计机器人机身时，可以得到考虑了单位载荷的轻量化的机器人机身的结构，机器人机身可以适应更多载荷工况，同时本设计方法易于标准化，易于推广应用。
本申请提供一种机器人机身设计方法。下面结合附图，对本申请的机器人机身设计方法进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
图1所示为本申请的机器人机身设计方法10的一个实施例的流程图。如图1所示，机器人机身设计方法10包括步骤11~步骤13。
步骤11，生成机器人机身的基础模型。其中，机器人机身的基础模型包括用于与机器人的四肢及颈部连接的接口。图2所示为机器人机身的基础模型的一个实施例的结构示意图。图3为图2所示的机器人机身的基础模型的另一个角度的结构示意图。机器人机身的基础模型包括左肩接口22、颈部接口23、右肩接口21、第一腰部接口24和第二腰部接口25，分别用于连接机器人的四肢及颈部。在一些实施例中，机器人机身的基础模型沿机器人的中轴线左右对称。机器人机身的基础模型为规整结构，可以方便后续设计机器人机身时进行网格划分，提高设计效率。在图2和图3所示的实施例中，机器人机身的基础模型为长方体结构。
步骤12，在机器人机身前倾旋转预设角度，且机器人的手臂与机器人的肩部齐平的姿态下，对机器人机身施加单位载荷，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构。
在一些实施例中，预设角度为30°，为机器人机身可以前倾旋转的最大角度。
生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构，单位载荷所包含的工况更多，避免了设计机器人机身时只考虑时序极限载荷。
在步骤12中，对机器人机身施加单位载荷，包括：分别对机器人的手臂中点、机器人的头部重心、机器人的重心施加多个单位载荷。
表1为对机器人机身施加的单位载荷工况的一个实施例。
Figure SMS_1
在表1中，Mx_pos为沿正方向绕x轴的力矩，Mx_neg为沿负方向绕x轴的力矩，My_pos为沿正方向绕y轴的力矩，Mz_pos为沿正方向绕z轴的力矩，Fx_pos为沿x轴正方向的力，Fx_neg为沿x轴负方向的力，Fy_pos为沿y轴正方向的力，Fy_neg为沿y轴负方向的力，Fz_pos为沿z轴正方向的力，Fz_neg为沿z轴负方向的力，RIF为机器人全局的转矩。
在一些实施例中，对步骤11生成的机器人机身的基础模型施加如表1所示的单位载荷，通过拓扑优化得到机器人机身的拓扑结构。图4所示为通过拓扑优化得到的机器人机身的拓扑结构的一个实施例的云图。通过拓扑优化的得到的拓扑结构可以展现机器人机身的应力承受情况，为机器人机身结构设计给出方向。
在步骤12中，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构，包括：根据多个单位载荷的比重系数，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构。对机器人机身施加多个单位载荷，分别对机器人机身在每个单位载荷下进行拓扑优化，并可以设定每个单位载荷的比重系数，最终综合得到机器人机身的拓扑结构。
在步骤12中，生成机器人机身在单位载荷下的拓扑结构，包括：生成不包括接口的机器人机身在单位载荷下的拓扑结构。机器人机身的基础模型的接口为非设计空间，在生成机器人机身的拓扑结构时，不对接口进行设计。
步骤13，根据拓扑结构，生成机器人机身的结构。根据拓扑优化得到的拓扑结构，生成机器人机身的结构。
在一些实施例中，在对机器人机身施加单位载荷的工况下，通过拓扑优化生成机器人机身的拓扑结构，并根据该拓扑结构，得到优化的机器人机身的结构，如此在设计机器人机身时，可以得到考虑了单位载荷的轻量化的机器人机身的结构，机器人机身可以适应更多载荷工况，同时本设计方法易于标准化，易于推广应用。
在步骤12之后，机器人机身设计方法10包括：对拓扑结构进行几何重构。
图5所示为对图4所示的拓扑结构进行几何重构得到的机器人机身的结构示意图。基于设计经验和零部件的安装位置，对步骤12得到的拓扑结构进行几何重构，得到初步的机器人机身的结构。
在步骤13之前，机器人机身设计方法10包括：对机器人机身施加极限载荷，并对拓扑结构进行有限元分析，根据有限元分析结果对拓扑结构进行形状优化。
将步骤12得到的拓扑结构或经过几何重构的拓扑结构导入有限元分析软件，进行极限强度校核，并根据分析结果，对拓扑结构承受应力较大的位置，做形状优化，尽可能降低应力集中。在进行形状优化时，对机器人机身施加的是极限载荷，如此得到的机器人机身结构可以适应于更多载荷工况。
在根据有限元分析结果对拓扑结构进行形状优化之后，机器人机身设计方法10包括：对形状优化的结果进行几何重构。基于设计经验和零部件的安装位置，对形状优化的结果进行几何重构，得到详细的机器人机身的结构。
在步骤13中，生成机器人机身的结构，包括：对几何重构的结果进行有限元分析；根据有限元分析结果，生成机器人机身的结构。在对形状优化的结果进行几何重构之后，通过有限元分析软件进行极限强度校核，并根据有限元分析结果，调整局部结构尺寸，最终得到机器人机身的结构。图6所示为通过本申请的机器人机身设计方法10得到的机器人机身的一个实施例的结构示意图。经过生成机器人机身的基础模型、对基础模型进行拓扑优化得到拓扑结构、对拓扑结构几何重构、形状优化、再次几何重构，最终可以得到能够适应较多载荷工况的轻量化机器人机身。
如图7所示，本申请提供一种机器人机身设计系统，包括一个或多个处理器31，用于实现如上所述的机器人机身设计方法10。上述实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。
在一些实施例中，机器人机身设计系统可以包括计算机可读存储介质32，计算机可读存储介质32可以存储有可被处理器31调用的程序，可以包括非易失性存储介质。在一些实施例中，机器人机身设计系统可以包括内存33和接口34。在一些实施例中，机器人机身设计系统还可以根据实际应用包括其他硬件。
本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上文所述的机器人机身设计方法10。计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存（PRAM）、静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、其他类型的随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器（CD-ROM）、数字多功能光盘（DVD）或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种机器人机身设计方法，其特征在于，包括：
生成机器人机身的基础模型，所述机器人机身的基础模型包括用于与机器人的四肢及颈部连接的接口；
在所述机器人机身前倾旋转预设角度，且机器人的手臂与机器人的肩部齐平的姿态下，对所述机器人机身施加单位载荷，生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构；
根据所述拓扑结构，生成所述机器人机身的结构。
2.根据权利要求1所述的机器人机身设计方法，其特征在于，在所述根据所述拓扑结构，生成所述机器人机身的结构之前，所述方法包括：
对所述机器人机身施加极限载荷，并对所述拓扑结构进行有限元分析，根据有限元分析结果对所述拓扑结构进行形状优化。
3.根据权利要求2所述的机器人机身设计方法，其特征在于，在所述根据有限元分析结果对所述拓扑结构进行形状优化之后，所述方法包括：
对所述形状优化的结果进行几何重构。
4.根据权利要求3所述的机器人机身设计方法，其特征在于，所述生成所述机器人机身的结构，包括：
对所述几何重构的结果进行有限元分析；
根据有限元分析结果，生成所述机器人机身的结构。
5.根据权利要求1所述的机器人机身设计方法，其特征在于，所述对所述机器人机身施加单位载荷，包括：
分别对所述机器人的手臂中点、所述机器人的头部重心、所述机器人的重心施加多个单位载荷。
6.根据权利要求5所述的机器人机身设计方法，其特征在于，所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构，包括：
根据所述多个单位载荷的比重系数，生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构。
7.根据权利要求1所述的机器人机身设计方法，其特征在于，在所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构之后，所述方法包括：
对所述拓扑结构进行几何重构。
8.根据权利要求1所述的机器人机身设计方法，其特征在于，所述机器人机身的基础模型沿所述机器人的中轴线左右对称。
9.根据权利要求1所述的机器人机身设计方法，其特征在于，所述生成所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构，包括：
生成不包括所述接口的所述机器人机身在所述单位载荷下的拓扑结构。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的机器人机身设计方法。
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