Lightweight Design of Limb Leg Units for Hydraulic Quadruped Robots by Topology Optimization and Lattice Filling

摘要

摘要： 液压四足机器人具有离散的落足点和较大的负重能力等特点，在无人监测、灾难救援和物资运输等场景中具有广阔的应用前景和重要的研究价值。作为四足机器人最关键的运动单元，肢腿单元的重量直接影响其动态性能。因此，根据肢腿单元的运动特点开展轻量化设计显得尤为重要。针对SpurlosⅡ肢腿单元的大腿结构存在较多冗余重量的问题，利用变密度惩罚法对其进行拓扑优化，通过基于B样条拟合二维切片轮廓的方法对优化后的网格型模型进行重构。针对模型重构带来的局部应力集中问题，引入晶格填充结构，实现局部优化。优化后，大腿部件的重量为1 007.19 g，降低了36.01%；大幅度减重的同时，大腿部件的最大等效应力降低了1.41%。最后，优化后的肢腿单元在不同频率下的轨迹跟踪试验中表现出的更好的动态特性，证明所提出方法的有效性。