[發明專利]基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法

在審

• 申請號: 202111146299.8
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN114036653A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 楊海峰;劉振宇;高連國;孫俊達;高峰;李鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京炎凌嘉業機電設備有限公司;北京炎凌半步機器人科技有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14;G06F119/20
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 王慶彬

1.基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：包括以下步驟，第一步，提出腿和軀干的結構構型初步設計方案；第二步，針對提出的腿和軀干的結構構型初步設計方案建立機器人整體動力分析模型，針對建立的整體動力分析模型進行動力學分析、腿結構精細化分析和軀干結構精細化分析；第三步，通過多目標的漸進結構拓撲優化方法，對腿結構和軀干結構進行優化設計，得到優化后的腿結構和軀干結構；第四步，針對優化后的腿結構和軀干結構進行驗證，驗證結果滿足設計需求則進入下一步，驗證結果不能滿足設計需求則調整第三步的參數并重新進行多目標的漸進結構拓撲優化；第五步，將第三步中優化后的結構作為最終結果并進行輸出。

2.根據權利要求1所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：在所述第一步中，將腿部結構和軀干結構進行模塊劃分并形成腿部結構資源庫系統和軀干結構資源庫系統，所述腿部結構資源庫系統和軀干結構資源庫系統中存儲有與相應模塊一一對應的功能介紹信息，比對總體設計需求與所述功能介紹信息，選取合適的模塊并基于此提出所述腿和軀干的結構構型初步設計方案。

3.根據權利要求2所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：在所述第一步中，所述模塊包括一級分類模塊、二級分類模塊和三級分類模塊，每個一級分類模塊下包括一個或多個二級分類模塊，每個二級分類模塊下包括一個或多個三級分類模塊，所述三級分類模塊中的每一具體選項與最終構成腿部結構/軀干結構的零件名稱一一對應。

4.根據權利要求2所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：所述總體設計需求包括一體化需求、輕量化需求、快拆模塊化需求和驅動集成度需求，所述功能介紹信息包括信息一體化程度、輕量化程度、快拆模塊化程度和驅動集成度。

5.根據權利要求4所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：每一類功能介紹信息的程度以數字進行量化表示。

6.根據權利要求1所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：在所述第二步中，對模型進行整體動力學分析時，分別為模型施加三種初始條件，三種初始條件分別對應模型在剛性路面移動時的受力情況、在軟土路面行走時的受力情況和遇外界擾動時的受力情況；針對所述初始條件，分別進行腿結構精細化分析和軀干結構精細化分析，得到不同初始條件下腿結構和軀干結構的應力和應變情況。

7.根據權利要求1所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：在所述第三步中，優化目標包括承載比最大、應力和應變能滿足第二步的求解結果、重量最輕。

8.根據權利要求7所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：在承載比最大與重量最輕相沖突的情況下，對承載比和重量加權求和后的最大值所對應的結構作為最終結果進行輸出。

9.根據權利要求7所述的基于拓撲優化技術的仿生腿足及軀干結構設計方法，其特征在于：所述第四步中的驗證步驟包括，針對優化后的腿結構和軀干結構重新生成優化后的機器人整體動力學模型，針對優化后的模型計算腿的承載比和重量、軀干的承載比和重量，并在上述三種初始條件下分別進行動力學分析、腿結構精細化分析、軀干結構精細化分析，以求取不同初始條件下腿結構和軀干結構的應力和應變情況，腿和軀干的承載比、重量、應力和應變均能滿足設計需求則進入第五步。