中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (9): 2185-2193.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.09.011
• 机械基础工程 • 上一篇
收稿日期:2025-04-11
出版日期:2026-09-25
发布日期:2026-10-21
通讯作者:
高杰
作者简介:朱佳怡,女,2000 年生,博士研究生。研究方向为拓扑优化。 E-mail:zhujiayi@hust.edu.cn基金资助:
ZHU Jiayi1(
), GAO Jie1(
), GAO Liang2, CAO Huai2
Received:2025-04-11
Online:2026-09-25
Published:2026-10-21
Contact:
GAO Jie
摘要:
目前在双足机器人轻量化设计过程中,许多零件的优化设计仍未能获得理想的结构形态,最终只能依靠设计者的经验进行后续的调整和修正。基于此,对现有的拓扑优化方法进行了系统梳理,并将其引入机械大腿的结构设计中。通过构建机械大腿轻量化优化设计的数学模型,并按照拓扑优化的流程对机械大腿的初始设计几何模型进行了不同单元密度和优化最小尺寸的减重设计,最终获得了四种拓扑结构,分别使质量减小了535.4 g、494.3 g、423.8 g和569.2 g。根据实际工况和机加工工艺的要求,选择了第三种方案进行强度仿真校核,仿真结果表明,与已加工构型相比,在设定分布力的工况下,优化设计的最大位移变形量为0.9012 mm,明显小于原设计的最大位移变形量1.188 mm;在设定分布力及力矩合力的工况下,最大位移变形量为1.799 mm,也小于原设计的最大位移变形量2.377 mm。部件质量减小了38.45%,优化设计的性能表现优于原设计,验证了有限元模型的准确性及优化设计的有效性。
中图分类号:
朱佳怡, 高杰, 高亮, 曹淮. 轻量化液压双足机器人机械腿拓扑优化设计[J]. 中国机械工程, 2026, 37(9): 2185-2193.
ZHU Jiayi, GAO Jie, GAO Liang, CAO Huai. Topology Optimization for Lightweight Design of Mechanical Legs of Hydraulic Bipedal Robots[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(9): 2185-2193.
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 566.8 | 48.58 |
| 设定分布力的工况情况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.035 | 12.88 |
| 设定分布力及力矩合力的工况下位移变形量/mm | 2.337 | 2.171 | 7.11 |
表1 方案一机器人机械腿拓扑优化结果对比
Tab.1 Comparison of topology optimization results of robot legs in scheme 1
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 566.8 | 48.58 |
| 设定分布力的工况情况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.035 | 12.88 |
| 设定分布力及力矩合力的工况下位移变形量/mm | 2.337 | 2.171 | 7.11 |
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 607.9 | 44.85 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.017 | 14.4 |
设定分布力及力矩合力的工况下位移变 形量/mm | 2.337 | 2.034 | 12.97 |
表2 方案二机器人机械腿拓扑优化结果对比
Tab.2 Comparison of topology optimization results of robot legs in scheme 2
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 607.9 | 44.85 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.017 | 14.4 |
设定分布力及力矩合力的工况下位移变 形量/mm | 2.337 | 2.034 | 12.97 |
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 678.4 | 38.45 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 0.9012 | 23.02 |
| 设定分布力及力矩合力的工况下位移变形量/mm | 2.337 | 1.799 | 24.14 |
表3 方案三机器人机械腿拓扑优化结果对比
Tab.3 Comparison of topology optimization results of robot legs in scheme 3
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 678.4 | 38.45 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 0.9012 | 23.02 |
| 设定分布力及力矩合力的工况下位移变形量/mm | 2.337 | 1.799 | 24.14 |
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 533 | 51.64 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.103 | 7.15 |
设定分布力及力矩合力的工况下位移变 形量/mm | 2.337 | 2.206 | 5.61 |
表4 方案四机器人机械腿拓扑优化结果对比
Tab.4 Comparison of topology optimization results of robot legs in scheme 4
| 参数 | 初始结构 | 优化结构 | 优化比重/% |
|---|---|---|---|
| 质量/g | 1102.2 | 533 | 51.64 |
| 设定分布力的工况下位移变形量/mm | 1.188 | 1.103 | 7.15 |
设定分布力及力矩合力的工况下位移变 形量/mm | 2.337 | 2.206 | 5.61 |
| 阶数 | 原始设计 | 方案三 |
|---|---|---|
| 一阶 | 3.103 10×10-2 | 3.259 70×10-2 |
| 二阶 | 0.169 14 | 0.191 54 |
| 三阶 | 0.242 25 | 0.284 98 |
| 四阶 | 0.266 28 | 0.300 92 |
| 五阶 | 0.450 64 | 0.527 40 |
| 六阶 | 0.710 55 | 0.756 10 |
| 七阶 | 0.864 98 | 0.958 02 |
| 八阶 | 1.2801 | 1.2923 |
| 九阶 | 1.3956 | 1.4811 |
| 十阶 | 1.5418 | 1.7636 |
表5 方案三与原始设计结果十阶频率数据对比
Tab. 5 Comparison of the tenth-order frequency data between scheme 3 and the original design results
| 阶数 | 原始设计 | 方案三 |
|---|---|---|
| 一阶 | 3.103 10×10-2 | 3.259 70×10-2 |
| 二阶 | 0.169 14 | 0.191 54 |
| 三阶 | 0.242 25 | 0.284 98 |
| 四阶 | 0.266 28 | 0.300 92 |
| 五阶 | 0.450 64 | 0.527 40 |
| 六阶 | 0.710 55 | 0.756 10 |
| 七阶 | 0.864 98 | 0.958 02 |
| 八阶 | 1.2801 | 1.2923 |
| 九阶 | 1.3956 | 1.4811 |
| 十阶 | 1.5418 | 1.7636 |
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