浙江大学 | 基于增材制造和拓扑优化的液压四足机器人肢腿单元仿生轻量化设计

疾速奔跑的猎豹和灵活攀岩的山羊等均表现出卓越的运动能力，如何学习动物的运动机理，辅助人类在非结构化环境中开展作业成为研究热点。四足机器人应运而生，依靠其离散的落足点，进而可适应多种地形，被广泛应用于地形勘探、城市作战、物资运输等领域。其中，液压四足机器人凭借其出色的大负载搬运能力，在诸多场合备受重视。肢腿单元作为机器人基本的运动单元，直接决定机器人的动态性能。

受猎豹等生物的骨骼肌肉系统的启发，浙江大学机械工程学院张军辉、纵怀志等学者组成的研究团队设计了一款高度集成、轻量化的伺服液压执行器，利用金属增材制造技术，实现集成多元件接口和内嵌流道的缸筒设计。

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▲论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s42242-023-00256-0

研究团队针对活塞杆直接出力、异形结构难以开展轻量化设计的难题，创新提出混合晶格概念，将混合晶格结构填充在活塞杆中部，用定制的晶格结构替换更大的中空区域，实现性能定制。利用变密度惩罚法对大、小腿结构件进行拓扑优化，去除应力较小区域的冗余材料。优化后的肢腿单元质量降低了24.5%，优化后的肢腿单元表现出更好的动态性能：随着运动频率的增加，呈现出色的轨迹跟踪效果。 该 研究为液压 足式机器 人的轻 量化设计和轻量化后的 动态性能量化评价提供参考。

图文概要

图1 足式机器人肢腿单元的仿生轻量化设计

图2 液压执行器的仿生设计

图3 缸筒和活塞杆的建模和力学性能验证。(a) 缸筒模型；(b) 缸筒受力分析；(c) 缸筒有限元分析；(d) 单一晶格结构；(e) 混合晶格单元；(f) 0.1体积比下的晶格屈服强度；(g) 活塞杆模型；(h) 活塞杆受力分析；(i) 活塞杆有限元分析

图4 液压执行器制造。(a) 缸筒实物图；(b) 活塞杆实物图；(c) 执行器辅件；(d) 高度集成的液压执行器

图5 肢腿单元结构件的优化流程。(a) 骨骼结构特征；(b) 原始模型；(c) 受力分析；(d) 优化前的有限元仿真结果；(e) 拓扑优化过程；(f) 优化后的模型；(g) 优化后模型的有限元仿真结果；(h) 拓扑优化后的结构件实物图

图6 不同频率下的足端轨迹跟踪效果。(a) 优化前；(b) 优化后

图7 不同频率下的髋、膝关节跟踪误差

论文应用信息：

Zong H, Zhang J, Jiang L, et al., 2023. Bionic lightweight design of limb leg units for hydraulic quadruped robots by additive manufacturing and topology optimization. Bio-des Manuf (Early Access). https://doi.org/10.1007/s42242-023-00256-0

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