51、仿人机器人大腿集成结构的轻量化设计与性能分析

仿人机器人大腿集成结构的轻量化设计与性能分析

1. 引言

仿人机器人基于仿生学发展而来，在运动稳定性和灵活性方面相较于其他类型机器人具有显著优势。其结构部件的设计目标主要包括轻量化、高强度、低转动惯量和高美观度。轻量化可降低机器人能耗、延长续航；高强度能满足不同工况下的运动和力学需求；低转动惯量便于机器人在运动中快速切换动作；高美观度能提升用户对机器人的好感，甚至可直接作为外观部件，进一步减轻整体重量。

目前，多数仿人机器人结构部件仍采用传统机械加工的板材或棒材，并通过螺栓连接，这种方式在机器人受到冲击时易出现连接故障。本文提出基于金属增材制造工艺的轻量化方法，将结构与外观集成于一个部件。

2. 实验过程

2.1 模型设计

• 轮廓确定 ：采用“结构 - 外观”集成方法，腿部轮廓依据机器人整体工业设计确定，同时明确连接特征，如上端连接髋关节的螺孔、下端连接膝关节的轴承配合面。
• 布线设计 ：完成连接特征后，需规划机器人电机的电气和通信线路以及足部六维力/扭矩传感器的布线，因此要设置合适尺寸的内部插槽。过大的插槽会影响结构刚度，过小则会导致电线端部无法顺利通过。
• 模型简化 ：考虑3D打印过程中内部腔体的变形以及支撑难以去除的问题，设计了无内腔的简化版本模型。
• 拓扑设计 ：设计模型包括承重部分和外观部分。承重部分采用拓扑设计减轻重量，通过密度法计算特定载荷下大腿内剩余材料的分布特征，重构承重部分轮廓。采用“减