基于点阵结构的仿人机器人下肢轻量化研究

参考人体下肢骨骼系统的结构和行走步态，建立了仿人机器人下肢的原始模型。其次根据机器人的重量和平地行走步态，通过步态仿真获得了机器人下肢，各零部件的主要受力情况。根据机器人足踝部、小腿和大腿的受力情况，分别使用拓扑优化方法和衍生式设计方法对其进行结构优化设计。对机器人下肢三个主要部件的衍生式设计模型进行点阵结构优化，并根据点阵结构的表皮、支柱截面、节点尺寸对模型强度的影响，从这三个方面对模型细节进行修改，使得最终优化模型的强度和刚度满足要求，保证二次优化模型的有效性。之后，对优化模型进行 3D 打印仿真，验证模型的可制造性。 最后，设计了点阵结构试样的小型疲劳试验机，对体心立方结构、面心立方结构和六边形点阵结构试样的疲劳寿命进行了试验，在等效应力相近的情况下比较各试样的疲劳寿命，并根据相应的仿真应力评估机器人下肢的疲劳寿命。试验和仿真结果均表明优化模型的强度和刚度满足要求，轻量化设计模型有效，机器人下肢单腿质量仅为6.46kg。