一种基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法及系统

本发明属于但不限于机器人，尤其涉及一种基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法及系统。

背景技术：

1、机器人产业是未来重点发展的行业之一，液压双足机器人在工业、军事和服务业中展现出广泛的应用潜力。其核心技术之一是在确保一定柔性的前提下实现高动态响应能力，同时尽可能降低机器人结构的重量。然而，液压双足机器人腿部结构通常较为笨重，这在一定程度上限制了其运动速度和灵活性，进而影响了其在动态操作中的应用表现。目前，液压双足机器人多采用线性执行器或多连杆机构驱动腿部结构，分别具有高控制精度和可调力矩-角度曲线等特点。然而，这些设计往往存在体积大、重量高的问题，从而降低了机器人灵活性和能效；或者其结构复杂，难以满足实际操作中的可靠性需求。拓扑优化作为一种新兴的工程技术，通过在设计阶段对产品结构进行优化，旨在满足功能要求的同时，降低材料使用量、提高制造效率，并降低成本。已有部分专家学者针对液压双足机器人腿部结构重量过大的问题，应用拓扑优化方法进行轻量化设计。例如，现有技术研究了变胞机器人腿部结构的轻量化设计；现有技术针对双足机器人腿部的拓扑优化设计进行了研究。本发明基于现有技术，选取大腿结构件为优化对象，通过拓扑优化对其进行改进。尽管该研究考虑了加工工艺和支撑连接的问题，优化设计较好地满足了机器人的使用需求，但由于单纯依赖abaqus进行分析，未能得到理想的结构模型，最终的后处理结果依赖于作者的经验进行修正调整。

2、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

3、现有技术研究考虑加工工艺和支撑连接的问题，优化设计较好地满足了机器人的使用需求，但由于单纯依赖abaqus进行分析，未能得到理想的结构模型，最终的后处理结果依赖于作者的经验进行修正调整。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法。

2、本发明是这样实现的，一种基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法，该方法包括：

3、s1：根据已有双足机器人机器腿空间定义三维几何模型；

4、s2：完善有限元模型的建立以及完成拓扑优化参数的定义进行拓扑优化和后处理设计；

5、s3：通过结果分析，筛选最佳构型进行仿真分析。

6、进一步，所述s2中，设计采用单侧大腿板替代整体大腿以简化计算，施加载荷时髋关节完全约束，膝关节施加扭矩和力；为保证连接结构的完整，髋关节、膝关节及十四个安装孔设置为不可设计区域；

7、在拓扑优化中，以体积分数为优化目标，设置最小值为0.3，确保优化后的结构既减重又保留足够的强度。

8、进一步，所述大腿材料选用7075铝合金，其密度低、强度高，适合轻量化要求。

9、进一步，所述s2中，进行机械腿部拓扑结构优化时，通过优化产品内部材料分布以提高零件性能、降低制造成本和提高生产效率；针对双足机器人大腿结构，采用变密度法进行拓扑优化，通过对模型网格划分和单元增减来实现轻量化设计，机械大腿初始质量为1102.2g，拓扑优化时选择部分区域进行优化，保留关键结构不变。

10、进一步，所述s3包括：通过调整网格密度及最小尺寸，得到四种不同拓扑结构进行对比分析；最终方案三的优化结果最符合设计要求，质量减轻且位移变形量显著降低，满足强度和刚度要求；因此，方案三被选为最终优化方案，并进行了仿真验证，确认了其优越性和可行性。

11、本发明另一目的在于提供一种基于所述基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法的基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计系统，该系统具体包括：

12、模型定义模块，根据已有双足机器人机器腿空间定义三维几何模型；

13、拓扑优化模块，与模型定义模块连接，完善有限元模型的建立以及完成拓扑优化参数的定义进行拓扑优化和后处理设计；

14、结果分析模块，与拓扑优化模块连接，通过结果分析，筛选最佳构型进行仿真分析。

15、本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法的步骤。

16、本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法的步骤。

17、本发明另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计系统。

18、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

19、第一、本发明基于拓扑优化方法，成功建立了液压双足机器人机械腿的数学模型，并根据设计要求准确确定了初始几何空间和分析模型。通过拓扑优化对大腿组件进行了减重优化，得到了四种不同的拓扑结构，分别对应的质量为535.4g、494.3g、423.8g和569.2g。经过数学建模，优化过程的目标是最大限度地提高机械腿的性能，同时确保其在承受负载时的安全性和可靠性。模型通过变密度法进行拓扑优化，优化后的设计不仅减少了材料的使用，还确保了结构的刚性和强度。

20、数学模型的核心可表示为：

21、find:x＝{x1,x2,x3,…,xn}t∈ω

22、min:c＝ftu＝utku

23、

24、其中，xi为单元的设计变量，ω为材料相对密度，f为外部负载，u为位移矢量矩阵，k为结构的整体刚度矩阵，v0和v为优化前后的体积，a为体积优化系数，xmin为最小相对密度(取值为0.001)。

25、基于此优化方法，液压双足机器人机械腿的大腿部件通过拓扑优化实现了结构的轻量化，保证了在强度和使用寿命方面达到预定要求。

26、经过严格的仿真验证，四种优化方案在强度、安全系数和使用寿命方面进行了全面评估。具体结果如下：

27、方案三(质量423.8g)表现出最佳的性能，在强度和安全系数上均达到了设计要求，并且在模拟运行环境下，显示出较原设计更长的使用寿命。方案三在强度、耐久性与轻量化之间达到了最佳平衡，相比原设计，整体性能有了显著提升，优化效果优于传统设计，证明了该优化方法在实际应用中的可行性与优越性。通过对比分析，方案三在重量减少的同时，没有牺牲机械腿的性能和结构稳定性，展示了拓扑优化在高性能要求下的应用潜力。

28、因此，本发明的优化设计不仅减少了机器人重量，提升了运动效率，还确保了安全性和耐用性，具有明显的技术优势和应用前景

29、第二，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

30、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

31、本发明的基于拓扑优化的液压双足机器人机械腿轻量化设计方法，通过优化大腿组件的结构，成功降低了机器人总重量约10％-15％。根据这一重量减轻，预计机器人在实际应用中可以获得以下收益：

32、1.提升电池续航：优化后的设计可以有效提高机器人电池的使用时间，预计电池续航提升约20％-30％，使得机器人在远程任务或长时间工作的应用中更加高效。

33、2.提高运动效率：减轻重量的同时，机械腿的结构得到优化，运动效率提升，能够在复杂地形下更好地适应并减少能量消耗，预计能提高整体运动效率10％-15％。

34、3.降低制造和材料成本：通过减少不必要的材料使用，尤其是在关键部件的结构上，本发明预计可以节省大约5％-10％的材料成本。根据市场调研，制造成本可降低约8％-12％。符合我国的绿色发展理念。

35、4.市场拓展与应用：优化后的轻量化机器人更适合在多种场景中应用，如搜救、军事、物流等领域。预计该技术的应用可为相关行业带来数百万美元的市场价值，并在未来3-5年内占领约5％-10％的市场份额。

36、(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

37、目前市面上的液压双足机器人在轻量化方面普遍依赖传统材料减重策略，难以在保持强度的同时大幅减轻重量。本发明首次将拓扑优化技术引入液压机器人领域，突破了设计局限。

38、(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

39、现有的液压机器人轻量化设计通常未能在兼顾性能和成本方面找到平衡，尤其是在复杂的机器人结构优化中，往往难以避免设计冗余和无效的材料使用，从而影响了整体性能和生产成本。本发明通过引入基于拓扑优化的方法，利用计算机程序生成优化结构，能够在不牺牲性能的前提下，去除冗余部分，达到最优的轻量化设计。这一创新方法有效解决了液压双足机器人机械腿设计中性能与成本难以平衡的问题。

40、(4)本发明的技术方案克服了技术偏见：

41、传统观点认为液压系统难以通过结构优化减重，而本发明证明了结合拓扑优化的设计策略是可行且高效的，开辟了新路径。