机器人轻量化设计是机器人研究领域的热点问题之一,尤其在仿人机器人领域备受各方学者关注。本文目的在于进一步提高仿人机器人的轻量化程度,结合了拓扑优化、衍生式设计、点阵结构三种优化方法,对机器人的下肢主要结构件进行了轻量化设计,并通过仿真分析和试验研究优化模型的强度、刚度、疲劳寿命等一系列参数。首先参考人体下肢骨骼系统的结构和行走步态,建立了仿人机器人下肢的原始模型。其次根据机器人的重量和平地行走步态,在ADAMS中通过步态仿真获得了机器人下肢各零部件的主要受力情况。根据机器人足踝部、小腿和大腿的受力情况,分别使用拓扑优化方法和衍生式设计方法对其进行结构优化设计,得到一个拓扑优化模型和多个衍生式设计模型,并进行强度、刚度和质量的比较,选出最优模型。根据机器人下肢三个主要部件的尺寸比例和受力情况,建立缩小近似试样,使用试样对体心立方结构、面心立方结构和六边形点阵结构的强度、刚度进行仿真分析,在一定程度可以类比机器人下肢零部件的点阵结构优化效果。经过轻量化效果和强度、刚度的综合比较,选出最适用于相应零部件的点阵结构,将其用于衍生式设计模型的二次优化。对机器人下肢三个主要部件的衍生式设计模型进行点阵结构优化,并根据点阵结构的表皮、支柱截面、节点尺寸对模型强度的影响,从这三个方面对模型细节进行修改,使得最终优化模型的强度和刚度满足要求,保证二次优化模型的有效性。之后,对优化模型进行3D打印仿真,验证模型的可制造性。最后,设计了点阵结构试样的小型疲劳试验机,对体心立方结构、面心立方结构和六边形点阵结构试样的疲劳寿命进行了试验,在等效应力相近的情况下比较各试样的疲劳寿命,并根据相应的仿真应力评估机器人下肢的疲劳寿命。试验和仿真结果均表明优化模型的强度和刚度满足要求,轻量化设计模型有效,机器人下肢单腿质量仅为6.46kg。