人形机器人，正在拥抱3D打印

从Tesla Optimus、Figure到国内不断涌现的人形机器人产品行业正不断向更高的运动性能、更低的能耗和更高的可靠性发展。无论是奔跑、上下楼梯还是抓取、搬运等任务机器人都需要在尽可能轻量化的前提下实现更高的结构强度与刚度。机器人结构设计也在面临新的挑战。大腿、小腿、机械臂、关节支架、躯干框架等核心承力部件不仅要满足动态工况下的强度与刚度要求还要兼顾安装空间、装配接口和制造可行性。越来越多研发团队开始采用拓扑优化等方法并结合增材制造实现机器人复杂轻量化结构的高效开发。多工况载荷建模机器人腿部是整机最重要的承力结构之一。它不仅需要承受机器人自身重量还要在站立、迈步、奔跑、上下楼梯、起身等动作中承受来自多个方向、不同大小的交变载荷。基于漫格设计软件VoxelDance Design工程师首先定义设计空间、非设计区域以及关键安装接口并结合机器人典型运动姿态建立多工况载荷模型分别模拟站立支撑、抬腿以及侧向受力等典型工况使优化结果能够综合考虑不同运动状态下的受力特点更贴近实际应用需求。约束最小尺寸基于轻量化目标团队综合考虑机器人结构特点将刚度、接口位移、最小构件尺寸等要求纳入拓扑优化约束在既定载荷与边界条件下优化材料分布。通过多约束协同优化使最终结构在实现减重的同时兼顾制造可行性、装配要求和整体性能。减重约60%兼顾性能与制造在多种边界载荷的共同作用下拓扑优化后的机器人大腿骨骼保留了主要传力路径去除了低应力区域材料实现约60%的减重为机器人运动性能提升提供了更加轻量、高效的结构方案。从优化结果到制造落地拓扑优化生成的结构通常具有复杂的有机形态增材制造能够充分发挥复杂结构自由成形的优势使优化后的设计真正落地。机器人腿部结构只是增材制造在机器人领域应用的一个缩影。随着人形机器人向更高性能、更快迭代和更复杂功能发展越来越多承力结构、连接件、末端执行器以及热管理部件开始采用面向增材制造的设计方法。未来拓扑优化、晶格设计与工艺仿真等技术将进一步协同帮助工程师实现设计、分析与制造的一体化加速机器人产品从概念验证走向工程应用。依托VoxelDance Additive增材制造一体化平台工程师可在统一环境中完成结构设计、打印过程仿真以及数据准备减少多软件切换与数据转换提高复杂结构开发效率加快机器人产品研发迭代。