本发明属于机器人设计制造领域，具体涉及一种驱动机器人轻量化设计与制造方法。
背景技术：
1、液压机器人零件设计的一个重要目标是实现高强度和轻量化。为实现这一目标，世界各地的研究人员不断在设计方法上进行着创新，但是目前的液压驱动机器人轻量化设计与制造普遍存在整体组件数较多、结构集成度低的问题。2016年，claudio semini等人在“鲁棒控制器的设计方法——带干扰观测器的液压传动系统”中提出了一种用于液压制动器的鲁棒控制器，以弥补传统方法的不足。2020年，andy lin等人在“多工况下机器人轻量化设计的拓扑优化方法”中提出了一种基于有限元分析的多工况拓扑优化方法。2022年，王玉超等人在“基于响应算法和moga的机械臂轻量化设计”中提出了一种结合响应面方法学和多目标遗传算法的轻量化设计思路。虽然上述的这些研究人员采用的各种方法都对传统设计过程有所改进和提升，但目前仍然没有建立明确的液压机器人零件设计思路和工艺流程。
2、轮足机器人的特点是在平地上机动性强，在复杂地形上适应能力强，尤其是在遇到障碍物时的跳跃能力强。因此在设计过程中，需要考虑到重量轻，惯性小，以保证在相同驱动能力下，有效提高机器人的运动性能。其次，要使得机器人有优秀的抗冲击性，防止其在受到冲击时造成损坏。可以采用适当的材料分布和设计合适的几何形状来同时实现轻质和抗冲击的目标。而在制造过程中，本发明主要从保证结构刚强度、减轻重量和节约制造成本的角度来考虑。虽然任何形状的理论模型都可以通过3d打印技术来进行制造成型，但在设计过程中必须考虑到零件在减材制造过程中的装夹、定位等工艺要求。同时，在设计过程中也需要考虑装夹、定位、测量等过程。此外，液压流动管道的设计应该尽可能顺畅，以减少流动阻力。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有的液压驱动机器人轻量化设计与制造过程存在整体组件数较多、结构集成度低的问题。
2、一种液压驱动机器人轻量化设计方法，包括以下步骤：
3、首先进行功能设计：根据机器人的整体外形设计零件的形状和尺寸，再根据零件尺寸范围内的负载和运动要求设计执行机构；然后根据关节运动要求设计传动机构；
4、然后根据功能设计的结果进行载荷计算，并根据零件的安装位置和运动范围确定设计域，设计域指将功能设计得到的分散实体连接起来的区域；再根据载荷和设计域，生成材料优化分布区域，即在满足载荷条件情况下，用最少的材料实现将功能设计得到的分散实体连接成一个整体；根据生成材料优化分布区域的结果，利用拓扑优化技术重建零件的机械结构，对优化分布区域进行优化；基于载荷的有限元分析，然后反复修改拓扑结构，直到零件满足负载条件且拓扑结构对应的零件的机械结构最大程度轻量化；
5、最后进行液压零件细节设计，设计过程中，对流道的优化并对配件的安装孔和表面进行局部设计和优化。
6、进一步地，在进行载荷计算的过程中，根据机器人的实际运动，将零件重力基于运动带来的冲击力进行叠加得到最大负载条件，从而得到零件对应的载荷。
7、进一步地，利用拓扑优化技术重建零件的机械结构，对优化分布区域进行优化的过程包括以下步骤：
8、设计域被离散为n个有限元，每个有限元用一个优化变量ρe∈(0,1]来表示其相对密度，其中ρe＝1表示充满材料的有限元，ρe趋于0表示空洞单元，e∈1,…,n，ρe汇总为一个矢量ρ，优化ρ的平衡方程描述为
9、k(ρ)u＝f
10、其中，k(ρ)是结构的整体刚度矩阵，u代表整体结点位移矢量，f代表在极限工况下作用在构件上的外部荷载；
11、为了将最终设计结果限制在仅包括材料和空隙的区域，针对优化变量的中间值引入惩罚，拓扑优化问题写为：
12、
13、subject tok(ρ)u＝f
14、f(σe)≤σy
15、swρ＝0,sbρ＝i
16、ε≤ρe≤1
17、其中，me是填充材料的元素的质量，α是密度处于中间值时产生非零项的惩罚因子；σy是材料的屈服强度；ρ表示有限元的优化变量，sw和sb为fisher线性判别散度矩阵，ε为0～1之间的设定参数，i为判定系数矩阵；f(σe)为材料的失效函数。
18、进一步地，材料的失效函数f(σe)从von mises失效准则中获得：
19、
20、
21、其中，σe表示材料的一个有限元单元收到的应力，ρe表示这个有限元单元的相对密度，σvm表示材料受到的von mises应力；σij表示应力张量，σ11、σ22、σ33为三维空间中三个正应力分量，σ12、σ23、σ31为三维空间中三个剪应力分量。
22、进一步地，在流道的优化步骤中，以减少材料减轻质量为目的对生成设计进行优化。
23、一种液压驱动机器人轻量化制造方法，针对所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法设计的液压驱动机器人进行制造，包括：模型加工步骤，激光成形和后处理步骤，以及减材制造步骤；
24、所述模型加工步骤：根据设计的液压驱动机器人零件进行模型加工，并加入支撑材料，支撑材料用于支撑后续打印层的生长；在三维建模软件中对零件进行切片分割，检查是否存在影响零件使用性能的问题；
25、所述激光成形和后处理步骤：在金属3d打印机中自动打印零件，然后进行热处理，最后去除支撑材料并抛光零件表面；
26、所述减材制造步骤：对需要与其他零件装配和配合的表面和孔进行精密加工。
27、进一步地，在模型加工的步骤中，遵循减少打印粉末材料用量原则规划零件的最佳打印方向，同时保证关键表面的成型质量，并设置加工余量，作为后续磨削和切割的加工量。
28、进一步地，打印零件的过程采用粉末烧结打印的方式进行。
29、进一步地，对需要与其他零件装配和配合的表面和孔进行精密加工过程中，先校准基准，然后进行机械加工，然后进行液压管路抛光，之后进行表面处理，最后进行清洗。
30、进一步地，进行液压管路抛光的过程中，采用粗抛与精抛结合的工艺实现管路抛光。
31、有益效果：
32、1、本发明根据机器人的运动要求计算载荷并进行功能设计，不仅能够保证设计制造的机器人能够满足所有的运动要求，而且零件在机器人运动过程最恶劣工况下的结构可靠性。
33、2、本发明并不是采用先整体设计再针对零部件设计的方式，而是根据整体轻量化的设计的方案，尤其是根据零件的安装位置和运动范围确定设计域，进而得到的分散实体连接成一个整体，并通过反复有限元分析和结构优化，不仅能够减少组件数量，提升结构集成度，进一步提升了机器人运动过程最恶劣工况下的结构可靠性；而且可以在保证结构可靠性的前提下，大大减轻零部件的重量，保证了单个零部件的轻量化，也保证了整体结构的最大程度轻量化，以采用减材制造工艺生产的集成大腿为例，本发明优化后的大腿能够实现重量减轻50％以上的效果。
1.一种液压驱动机器人轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法，其特征在于，在进行载荷计算的过程中，根据机器人的实际运动，将零件重力基于运动带来的冲击力进行叠加得到最大负载条件，从而得到零件对应的载荷。
3.根据权利要求1或2所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法，其特征在于，利用拓扑优化技术重建零件的机械结构，对优化分布区域进行优化的过程包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法，其特征在于，材料的失效函数f(σe)从von mises失效准则中获得：
5.根据权利要求4所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法，其特征在于，在流道的优化步骤中，以减少材料减轻质量为目的对生成设计进行优化。
6.一种液压驱动机器人轻量化制造方法，其特征在于，针对权利要求1至5任意一项所述的一种液压驱动机器人轻量化设计方法设计的液压驱动机器人进行制造，包括：模型加工步骤，激光成形和后处理步骤，以及减材制造步骤；
7.根据权利要求6所述的一种液压驱动机器人轻量化制造方法，其特征在于，在模型加工的步骤中，遵循减少打印粉末材料用量原则规划零件的最佳打印方向，同时保证关键表面的成型质量，并设置加工余量，作为后续磨削和切割的加工量。
8.根据权利要求6所述的一种液压驱动机器人轻量化制造方法，其特征在于，打印零件的过程采用粉末烧结打印的方式进行。
9.根据权利要求6所述的一种液压驱动机器人轻量化制造方法，其特征在于，对需要与其他零件装配和配合的表面和孔进行精密加工过程中，先校准基准，然后进行机械加工，然后进行液压管路抛光，之后进行表面处理，最后进行清洗。
10.根据权利要求9所述的一种液压驱动机器人轻量化制造方法，其特征在于，进行液压管路抛光的过程中，采用粗抛与精抛结合的工艺实现管路抛光。
