本發(fā)明涉及機器人設(shè)計，具體而言，涉及一種機器人的腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、裝置、設(shè)備及存儲介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、人形機器人主要包括腿部、軀干、手臂和頭部，關(guān)節(jié)自由度多，整機重量對關(guān)節(jié)電機影響較大，尤其對于腿部電機。過重的整機重量不僅影響電機選型，增加成本，還會造成嚴(yán)重的電機發(fā)熱問題，影響機器人的正常運行。因此，結(jié)構(gòu)輕量化是人形機器人設(shè)計過程中關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計本質(zhì)是重量和剛度兩個指標(biāo)的平衡。一般來說，重量越輕，剛度越弱，結(jié)構(gòu)越容易發(fā)生破壞。輕量化設(shè)計就是要在滿足剛度條件下，對結(jié)構(gòu)的重量進行優(yōu)化。

3、拓?fù)鋬?yōu)化是輕量化設(shè)計常用的技術(shù)手段。拓?fù)鋬?yōu)化主要包括兩個方面：結(jié)構(gòu)拓?fù)浜蛷姸刃：?。結(jié)構(gòu)拓?fù)洌丛诔跏冀Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，定義材料屬性，劃分有限元網(wǎng)格，施加邊界約束和載荷條件，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化區(qū)域，在指定質(zhì)量減小指標(biāo)下優(yōu)化出剛度最大的結(jié)構(gòu)方案。完成拓?fù)浜?，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行模型重構(gòu)，再施加對應(yīng)的載荷進行仿真計算，評估強度是否滿足要求。

4、相關(guān)技術(shù)中，尚不存在對機器人腿部結(jié)構(gòu)進行拓?fù)鋬?yōu)化的技術(shù)方案。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種機器人的腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、裝置、設(shè)備及存儲介質(zhì)，以便對機器人腿部結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)件進行拓?fù)鋬?yōu)化，使得拓?fù)鋬?yōu)化的機器人在滿足剛度條件下，重量得到優(yōu)化。

2、為實現(xiàn)上述目的，本技術(shù)實施例采用的技術(shù)方案如下：

3、第一方面，本技術(shù)實施例提供了一種機器人的腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括：獲取機器人的腿部結(jié)構(gòu)的初始三維模型；根據(jù)所述初始三維模型和預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第一跌落仿真模型，并為所述第一跌落仿真模型進行多體動力學(xué)分析配置；采用多體動力學(xué)分析配置后的所述第一跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件在跌落過程中的極限載荷信息；根據(jù)所述極限載荷信息，對所述初始三維模型中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。

4、在一種實施方式中，所述根據(jù)所述初始三維模型和預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第一跌落仿真模型，包括：對所述初始三維模型中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之外的其他結(jié)構(gòu)件進行簡化處理，并將所述其他結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量添加至所述其他結(jié)構(gòu)件所在的對應(yīng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的剛體簡化模型；將所述剛體簡化模型的末端組件與所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的接觸面進行關(guān)聯(lián)，得到所述第一跌落仿真模型。

5、在一種實施方式中，所述采用多體動力學(xué)分析配置后的所述第一跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件在跌落過程中的極限載荷信息，包括：采用多體動力學(xué)分析配置后的所述第一跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到跌落過程中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷變化信息；根據(jù)所述載荷變化信息，確定所述極限載荷信息。

6、在一種實施方式中，所述為所述第一跌落仿真模型進行多體動力學(xué)分析配置，包括：為所述第一跌落仿真模型設(shè)置所述腿部結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的材料密度信息；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中的多個連接副，每個連接副包括相互連接的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中動力轉(zhuǎn)動副對應(yīng)位置的扭簧并設(shè)置所述扭簧的扭簧配置參數(shù)；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中末端組件和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的第一接觸配置參數(shù)；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷測量事項，以在所述多體動力學(xué)分析中計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷變化信息。

7、在一種實施方式中，所述對所述初始三維模型中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型，包括：根據(jù)所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型，建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浞抡婺Ｐ停桓鶕?jù)所述極限載荷信息，對所述拓?fù)浞抡婺Ｐ瓦M行拓?fù)浞治雠渲?；采用拓?fù)浞治雠渲煤蟮乃瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浞抡婺Ｐ停瑢λ瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。

8、在一種實施方式中，所述根據(jù)所述極限載荷信息，對所述拓?fù)浞抡婺Ｐ瓦M行拓?fù)浞治雠渲茫ǎ簽樗鐾負(fù)浞抡婺Ｐ团渲盟瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)件的材料以及材料屬性參數(shù)；建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件中的端部參考點和所述端部參考點的周圍區(qū)域的耦合約束；建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件中的末端參考點的位移約束，并設(shè)置首端參考點的載荷輸入信息為所述極限載荷信息；建立所述拓?fù)浞抡婺Ｐ椭械耐負(fù)鋬?yōu)化任務(wù)，并設(shè)置所述拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)的目標(biāo)應(yīng)變函數(shù)、體積約束函數(shù)以及結(jié)構(gòu)約束條件。

9、在一種實施方式中，所述方法還包括：根據(jù)所述初始三維模型和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第二跌落仿真模型，并為所述第二跌落仿真模型進行瞬態(tài)動力學(xué)分析配置；將所述拓?fù)渲貥?gòu)模型導(dǎo)入所述第二跌落仿真模型，以對所述第二跌落仿真模型中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)三維模型進行更新；采用導(dǎo)入所述拓?fù)渲貥?gòu)模型后的所述第二跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行強度校核，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化后的強度校核結(jié)果。

10、在一種實施方式中，在所述根據(jù)所述初始三維模型和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第二跌落仿真模型之前，所述方法還包括：采用導(dǎo)入所述拓?fù)渲貥?gòu)模型前的所述第二跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行強度校核，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化前的強度校核結(jié)果。

11、在一種實施方式中，所述根據(jù)所述初始三維模型和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第二跌落仿真模型，包括：將所述初始三維模型中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之外的其他結(jié)構(gòu)件替換為相應(yīng)質(zhì)量點，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的柔性簡化模型；將所述柔性簡化模型的末端組件與所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的接觸面進行關(guān)聯(lián)，得到所述第二跌落仿真模型。

12、在一種實施方式中，所述為所述第二跌落仿真模型進行瞬態(tài)動力學(xué)分析配置，包括：為所述第二跌落仿真模型中各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)置材料以及材料屬性參數(shù)；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中末端組件和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的第二接觸配置參數(shù)；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，為所述第二跌落仿真模型中的各質(zhì)量點設(shè)置相應(yīng)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量參數(shù)，并建立所述各質(zhì)量點和對應(yīng)其他結(jié)構(gòu)件的連接耦合、固定結(jié)構(gòu)件之間的綁定關(guān)系；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，建立所述第二跌落仿真模型中的多個運動副，每個運動副包括相互運動關(guān)聯(lián)的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件；設(shè)置所述第二跌落仿真模型中的運動邊界約束條件以及載荷設(shè)置參數(shù)。

13、第二方面，本技術(shù)實施例還提供了一種機器人的腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化裝置，包括：獲取模塊，被配置為獲取機器人的腿部結(jié)構(gòu)的初始三維模型；配置模塊，被配置為根據(jù)所述初始三維模型和預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第一跌落仿真模型，并為所述第一跌落仿真模型進行多體動力學(xué)分析配置；處理模塊，被配置為采用多體動力學(xué)分析配置后的所述第一跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件在跌落過程中的極限載荷信息；優(yōu)化模塊，被配置為根據(jù)所述極限載荷信息，對所述初始三維模型中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。

14、在一種實施方式中，所述配置模塊被配置為：對所述初始三維模型中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之外的其他結(jié)構(gòu)件進行簡化處理，并將所述其他結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量添加至所述其他結(jié)構(gòu)件所在的對應(yīng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件上，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的剛體簡化模型；將所述剛體簡化模型的末端組件與所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的接觸面進行關(guān)聯(lián)，得到所述第一跌落仿真模型。

15、在一種實施方式中，所述處理模塊被配置為：采用多體動力學(xué)分析配置后的所述第一跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到跌落過程中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷變化信息；根據(jù)所述載荷變化信息，確定所述極限載荷信息。

16、在一種實施方式中，所述配置模塊被配置為：為所述第一跌落仿真模型設(shè)置所述腿部結(jié)構(gòu)中各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的材料密度信息；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中的多個連接副，每個連接副包括相互連接的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中動力轉(zhuǎn)動副對應(yīng)位置的扭簧并設(shè)置所述扭簧的扭簧配置參數(shù)；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中末端組件和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的第一接觸配置參數(shù)；根據(jù)所述第一跌落仿真模型，建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷測量事項，以在所述多體動力學(xué)分析中計算所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的載荷變化信息。

17、在一種實施方式中，所述優(yōu)化模塊被配置為：根據(jù)所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型，建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浞抡婺Ｐ?；根?jù)所述極限載荷信息，對所述拓?fù)浞抡婺Ｐ瓦M行拓?fù)浞治雠渲?；采用拓?fù)浞治雠渲煤蟮乃瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浞抡婺Ｐ?，對所述目?biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。

18、在一種實施方式中，所述優(yōu)化模塊被配置為：為所述拓?fù)浞抡婺Ｐ团渲盟瞿繕?biāo)結(jié)構(gòu)件的材料以及材料屬性參數(shù)；建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件中的端部參考點和所述端部參考點的周圍區(qū)域的耦合約束；建立所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件中的末端參考點的位移約束，并設(shè)置首端參考點的載荷輸入信息為所述極限載荷信息；建立所述拓?fù)浞抡婺Ｐ椭械耐負(fù)鋬?yōu)化任務(wù)，并設(shè)置所述拓?fù)鋬?yōu)化任務(wù)的目標(biāo)應(yīng)變函數(shù)、體積約束函數(shù)以及結(jié)構(gòu)約束條件。

19、在一種實施方式中，所述機器人的腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化裝置還包括強度校核模塊，所述強度校核模塊被配置為：根據(jù)所述初始三維模型和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)的第二跌落仿真模型，并為所述第二跌落仿真模型進行瞬態(tài)動力學(xué)分析配置；將所述拓?fù)渲貥?gòu)模型導(dǎo)入所述第二跌落仿真模型，以對所述第二跌落仿真模型中所述目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)三維模型進行更新；采用導(dǎo)入所述拓?fù)渲貥?gòu)模型后的所述第二跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行強度校核，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化后的強度校核結(jié)果。

20、在一種實施方式中，所述強度校核模塊被配置為：采用導(dǎo)入所述拓?fù)渲貥?gòu)模型前的所述第二跌落仿真模型，對所述腿部結(jié)構(gòu)進行強度校核，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化前的強度校核結(jié)果。

21、在一種實施方式中，所述強度校核模塊被配置為：將所述初始三維模型中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之外的其他結(jié)構(gòu)件替換為相應(yīng)質(zhì)量點，得到所述腿部結(jié)構(gòu)的柔性簡化模型；將所述柔性簡化模型的末端組件與所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的接觸面進行關(guān)聯(lián)，得到所述第二跌落仿真模型。

22、在一種實施方式中，所述強度校核模塊被配置為：為所述第二跌落仿真模型中各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件設(shè)置材料以及材料屬性參數(shù)；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，建立所述腿部結(jié)構(gòu)中末端組件和所述預(yù)設(shè)接觸面三維模型的第二接觸配置參數(shù)；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，為所述第二跌落仿真模型中的各質(zhì)量點設(shè)置相應(yīng)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量參數(shù)，并建立所述各質(zhì)量點和對應(yīng)其他結(jié)構(gòu)件的連接耦合、固定結(jié)構(gòu)件之間的綁定關(guān)系；根據(jù)所述第二跌落仿真模型，建立所述第二跌落仿真模型中的多個運動副，每個運動副包括相互運動關(guān)聯(lián)的兩個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件；設(shè)置所述第二跌落仿真模型中的運動邊界約束條件以及載荷設(shè)置參數(shù)。

23、第三方面，本技術(shù)實施例還提供了一種計算機設(shè)備，包括：處理器、存儲介質(zhì)和總線，所述存儲介質(zhì)存儲有所述處理器可執(zhí)行的程序指令，當(dāng)計算機設(shè)備運行時，所述處理器與所述存儲介質(zhì)之間通過總線通信，所述處理器執(zhí)行所述程序指令，以執(zhí)行上述任意一種方法的步驟。

24、第四方面，本技術(shù)實施例還提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述存儲介質(zhì)上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器運行時執(zhí)行上述任意一種方法的步驟。

25、本技術(shù)的有益效果是：獲取機器人的腿部結(jié)構(gòu)的初始三維模型；根據(jù)初始三維模型和預(yù)設(shè)接觸面三維模型，建立腿部結(jié)構(gòu)的第一跌落仿真模型，并為第一跌落仿真模型進行多體動力學(xué)分析配置；采用多體動力學(xué)分析配置后的第一跌落仿真模型，對腿部結(jié)構(gòu)進行多體動力學(xué)分析，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件在跌落過程中的極限載荷信息；根據(jù)極限載荷信息，對初始三維模型中目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。通過在多體動力學(xué)分析軟件中建立機器人腿部結(jié)構(gòu)的跌落仿真模型，對其進行多體動力學(xué)分析，得到極限載荷信息，并根據(jù)該極限載荷信息對機器人腿部結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)件(比如：大腿骨架和/或小腿骨架)的初始結(jié)構(gòu)模型進行拓?fù)鋬?yōu)化，得到目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的拓?fù)渲貥?gòu)模型。如此，能夠?qū)C器人腿部結(jié)構(gòu)中的目標(biāo)結(jié)構(gòu)件進行拓?fù)鋬?yōu)化，使得拓?fù)鋬?yōu)化的機器人在滿足剛度條件下，重量得到優(yōu)化(重量更輕)，減小機器人對其電機的影響，提高機器人的運行能力，安全性、穩(wěn)固性以及延長機器人的使用壽命。