阅读说明：本技术 轻质高承载减速器、减速器齿轮及其仿骨构造生成方法 (Light high-bearing speed reducer, speed reducer gear and bone-imitating structure generation method thereof ) 是由 黄强 范徐笑 黄日成 黄高 廖静平 余张国 刘兴中 左昱昱 于 2020-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种轻质高承载减速器、减速器齿轮及其仿骨构造生成方法。所述减速器齿轮包括：外轮廓层和被所述外轮廓层包覆的网状多孔基层,所述外轮廓层包括安装面层、齿面层和连接面层,所述连接面层连接在所述安装面层和齿面层之间并与所述安装面层和齿面层一起构成完整齿轮外轮廓；所述安装面层、齿面层和连接面层为密实构造；所述网状多孔基层位于所述外轮廓层形成的腔体内,所述网状多孔基层内具有呈多孔网架结构的纤维小梁。本发明实施例的减速器齿轮克服了减速器不能同时满足机器人要求的轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面要求的难题,在传动关键元器件,尤其是减速器方面为机器人实现超动态运动提供了更大的优势。(The invention provides a light high-bearing speed reducer, a speed reducer gear and a bone-like structure generation method thereof. The speed reducer gear includes: the outer contour layer comprises an installation surface layer, a tooth surface layer and a connecting surface layer, and the connecting surface layer is connected between the installation surface layer and the tooth surface layer and forms a complete gear outer contour together with the installation surface layer and the tooth surface layer; the mounting surface layer, the tooth surface layer and the connecting surface layer are of compact structures; the reticular porous base layer is positioned in the cavity formed by the outer contour layer, and a fiber trabecula in a porous grid structure is arranged in the reticular porous base layer. The reducer gear of the embodiment of the invention overcomes the difficulty that the reducer can not meet the requirements of light weight, high bearing impact resistance, high precision and high efficiency transmission of a robot at the same time, and provides greater advantages for realizing ultra-dynamic motion of the robot in the aspects of transmission key components, particularly the reducer.)

轻质高承载减速器、减速器齿轮及其仿骨构造生成方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，尤其涉及一种轻质高承载减速器、减速器齿轮及其仿骨构造生成方法。

背景技术

目前国内外，机器人(特别是仿生机器人)用减速器需要同时满足轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面使用需求。现有技术中主要包含3类不同结构原理的减速器：谐波类减速器虽具有轻质优点，但耐冲击和高效传动等方面严重不足；摆线类减速器(如RV减速器)虽耐冲击、传动精度高，但其自重同比过重；行星齿轮类减速器高精度高效率传动方面优势突出，轻质特性方面优于摆线类减速器，但劣于谐波类减速器，高承载耐冲击方面优于谐波类减速器，但劣于摆线类减速器。

现有技术中的减速器，不管是谐波类减速器、摆线类减速器或行星齿轮类减速器，少有对齿轮进行轻质、高承载耐冲击优化设计。另外，目前国内外基于金属3D打印工艺的结构件轻量化、高承载优化设计方法，都是针对被优化结构件的支撑连接部位均固定不变的静态或准静态载荷的使用工况，一般只把基体的支撑强度和支撑韧性纳入优化设计的初始条件或优化目标。而在类似减速器齿轮等，接触部位和承载载荷不断变化的周期性动态交变工况下，特别是仿生机器人关节用减速器齿轮等，有接触碰撞冲击载荷的工况下，现有的基于金属3D打印工艺的结构件轻量化、高承载优化设计方法较难同时兼顾内部基体支撑强度和韧性与表面接触强度和韧性作为优化设计的初始条件或优化目标。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种减速器齿轮、机器人用减速器以及减速器齿轮的生成方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种机器人用减速器齿轮，所述减速器齿轮包括：外轮廓层和被所述外轮廓层包覆的网状多孔基层，所述外轮廓层包括安装面层、齿面层和连接面层，所述连接面层连接在所述安装面层和齿面层之间并与所述安装面层和齿面层一起构成完整齿轮外轮廓；所述安装面层、齿面层和连接面层为密实构造；所述网状多孔基层位于所述外轮廓层形成的腔体内，所述网状多孔基层内具有呈多孔网架结构的纤维小梁。

在一些实施例中，各纤维小梁沿其轴线上各点的粗细和各纤维小梁的空间排列连接关系按照齿轮工理想况载荷谱所产生的空间应力曲线确定。

在一些实施例中，所述网状多孔基层的纤维小梁分隔出的彼此贯通的梁间多孔空腔，至少部分多孔空腔内填充有韧性软体材料。

在一些实施例中，所述安装面层为齿轮在减速器中的支撑固定连接面，所述齿面层为减速器齿轮间相互啮合传递旋转运动和转矩的作用面；所述安装面层和齿面层各自不同局部点部位的厚度按照齿轮理想工况的承受力和转矩载荷确定。

在一些实施例中，所述安装面层的结构形式为轴孔配合的圆形孔状、花键孔状、矩形键孔状或正多边形孔状；所述齿面层的结构形式为渐开线齿形或摆线齿形。

在一些实施例中，所述网状多孔基层是通过利用3D打印方式打印的采用如下步骤构建的网状多孔基层结构而形成的：

根据安装面层和齿面层各不同局部点部位的力和转矩的综合载荷谱，换算出网状多孔基层被安装面层和齿面层包覆的包覆面的综合载荷谱；

以所述包覆面的综合载荷谱作为网状多孔基层优化设计的载荷边界条件，在保证力和力矩传递支撑强度的前提下，以轻量化为优化目标，通过有限元拓扑结构优化方法，得出网状多孔基层的空间应力谱；

基于网状多孔基层的空间应力谱进行网状多孔基层内部各空间点相应的材料分布设计，在网状多孔基层内部分配材料的各空间点构成纤维小梁，并基于分配了材料的空间点确定每段纤维小梁沿轴线上各点的粗细和各段纤维小梁的空间排列连接，由网状多孔基层内部没有被分配材料的各空间点构成梁间多孔空腔。

在一些实施例中，所述安装面层、齿面层和连接面层采用自熔合金粉末或丝材通过熔融涂覆或熔融沉积工艺和轮廓精加工工艺制成；所述网状多孔基层采用自熔合金粉末或丝材利用3D打印工艺制成。

在一些实施例中，所述安装面层和齿面层所使用材料为FeCSiB合金粉末，其包含元素成分的质量分数：C＝4.0％、Si＝2.0％、Cr＝1.0％、Mn＝0.7％、Mo＝0.25％、Cu≤0.2％、S≤0.035％、P≤0.035％。

在一些实施例中，所述网状多孔基层的纤维小梁所使用材料为Ti₆AlV₄合金粉末。

在一些实施例中，所述网状多孔基层的多孔空腔内填充的软体材料所使用材料为AlMg粉末或热固性塑料粉末，其中，AlMg粉末包含元素成分的质量分数：Al＝93％、Mg＝7.0％；热固性塑料粉末包含的元素成分的质量分数：Epoxy＝48％、PU＝35％、PF＝17％。

一种机器人用减速器，包括前述的机器人用减速器齿轮。

一种获得前述机器人用减速器齿轮的生成方法，包括如下步骤：

基于齿轮交变动载荷使用工况要求作为初始条件进行设计获得齿面层和安装面层各位置的厚度，从而获得网状多孔基层的设计空间；

基于齿面层和安装面的综合载荷，获得网状多孔基层被包覆面的综合载荷谱；

确定网状多孔基层的优化设计初始参数，该优化设计初始参数包括：所使用3D打印设备的加工能力参数；所述网状多孔基层的材料性能参数；以及安全系数；

对网状多孔基层的设计空间进行3D有限元网格划分；

对网状多孔基层设计空间划分出的3D有限元网格进行分层编号；

基于所述分层编号对主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号，并计算包含3D有限元个数最多的第一层的每个3D有限元网格到包含3D有限元个数最少的最后一层的最短传递路径，使得各层被编号的3D有限元网格至少1次被包含在全部最短传递路径中，并将这些最短传递路径作为纤维小梁生长布置的网格主干轴线；

对非主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号，根据所述网状多孔基层被包覆面的综合载荷谱以及所述网格主干轴线，获得全体3D有限元网格的周期性全应力谱组成的网状多孔基层设计空间的空间应力谱；

根据网状多孔基层设计空间的空间应力谱，在网状多孔基层空间内生长满足网状多孔基层的支撑强度和韧性要求的主干型纤维小梁；

生长补充分支型纤维小梁；

基于生成的所有纤维小梁得到网状多孔基层的3D打印模型；

使用3D打印方式制造网状多孔基层；

使用激光熔融涂覆或熔融沉积工艺制造外轮廓层，所述外轮廓层包括齿面层、安装面层和连接面层，并包覆所述网状多孔基层。

根据本发明实施例的减速器齿轮、机器人用减速器以及减速器齿轮的生成方法，可获得的有益效果至少包括：

本发明实施例的减速器齿轮克服了减速器不能同时满足机器人(特别是仿生机器人)要求的轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面要求的难题，在传动关键元器件，尤其是减速器方面为机器人实现超动态运动提供了更大的优势。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为现有技术中一般高等哺乳动物对身体起支撑承载作用的骨骼断面的结构示意图。

图2为本发明一实施例中的骨构造仿生齿轮的结构示意图。

图3为本发明一实施例中的骨构造仿生齿轮的优化设计方式的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明实施例针对行星齿轮类减速器轻质、高承载耐冲击优化目标的关键零件——齿轮(主要包括：太阳轮、行星轮、内齿圈等3类)进行骨构造仿生设计和制造，使减速器的齿轮，像生物骨骼般轻质且同比高承载耐冲击，从而有效提升了减速器整体的轻质、高承载耐冲击两方面特性，使用本发明减速器的仿生机器人在实现超动态运动方面将具有更大优势。

本发明实施例提供减速器齿轮、机器人用减速器以及减速器齿轮的生成方法，以克服减速器不能同时满足机器人(特别是仿生机器人)要求的轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面要求的难题。

根据本发明的一方面，本发明实施例提供一种机器人用减速器齿轮(一下也可称为骨构造仿生齿轮、仿生齿轮或齿轮)可为内齿轮或外齿轮的形式，如图2所示，减速器齿轮包括外轮廓层和被外轮廓层包覆的网状多孔基层30，即网状多孔基层30位于外轮廓层的中间位置。

外轮廓层包括安装面层20、齿面层10和连接面层，连接面层连接在安装面层20和齿面层10之间并与安装面层20和齿面层10一起构成完整齿轮外轮廓。在一实施例中，连接面层位于网状多孔基层30的两侧，可为环形构造，以结合安装面层20、齿面层10将网状多孔基层30封闭。

其中，安装面层20和齿面层10均为密实构造。网状多孔基层30位于外轮廓层形成的腔体内，网状多孔基层30内具有呈多孔网架结构的纤维小梁31。这些纤维小梁31将安装面层20和齿面层10相互朝向的周面连接，在满足齿轮的支撑强度和韧性要求的前提下，实现齿轮的轻量化设计。

在一些实施例中，各纤维小梁31沿其轴线上各点的粗细和各纤维小梁31的空间排列连接关系按照齿轮理想工况载荷谱所产生的空间应力曲线确定。

本发明实施例的骨构造仿生齿轮具有兼顾内部基体支撑强度和韧性、表面接触强度和韧性以及轻质等优点。

如图1和图2所示，本发明实施例的安装面层20和齿面层10是骨构造仿生齿轮的外层结构，其仿生高等哺乳动物骨构造中的分布在骨外周表面的骨密质2和外层软骨，具有优良的高接触强度和接触韧性。

本发明实施例的网状多孔基层30为骨构造仿生齿轮的中间结构，被安装面层20和齿面层10构成的外层结构包覆。其仿生高等哺乳动物骨构造中的被骨密质2包裹着的、由大量骨小梁连接呈多孔网架结构的、按应力曲线规律性排列、具有非均匀的各向异性的骨松质1。网状多孔基层30由大量纤维小梁31构成，每段纤维小梁31沿轴线上各点的粗细和各段纤维小梁31的空间排列连接关系，均按齿轮实际工况载荷谱所产生的空间应力曲线确定，网状多孔基层30具有优良的高支撑强度和支撑韧性。

在一些实施例中，网状多孔基层30的大量纤维小梁31分隔出的大量细小彼此贯通的梁间多孔空腔32，至少部分多孔空腔内填充有韧性软体材料。其中，梁间多孔空腔32根据使用工况需求，可在一定区间空腔内填充高韧性软体材料。其仿生高等哺乳动物骨构造中的充实于骨松质部分多孔空腔内，具有填充支撑增强功能的骨髓3。软体材料优先采用高韧性软体材料，以增强该区域位置支撑强度和韧性。

在一些实施例中，安装面层20为齿轮在减速器中的支撑固定连接面，齿面层10为减速器齿轮间相互啮合传递旋转运动和转矩的作用面；齿轮设计时，按齿轮实际工况，安装面层20和齿面层10各自不同局部点部位的厚度按照齿轮理想工况的承受力和转矩载荷确定，以满足齿轮在安装面层20和齿面层10各不同局部点部位需要高接触强度和接触韧性要求。

在一些实施例中，安装面层20结构形式可为根据实际设计安装需要的多种形式，包括但不限于：轴孔配合的圆形孔状、花键孔状、矩形键孔状、正多边形孔状等。齿面层10结构形式可为根据实际设计行星减速器齿轮啮合需要的多种形式，包括但不限于渐开线齿形、摆线齿形等。

在一些实施例中，网状多孔基层30为安装面层20和齿面层10包覆的齿轮内部力和转矩传递的主要介质；网状多孔基层30是通过利用3D打印方式打印的采用如下步骤构建的网状多孔基层结构而形成的：

根据安装面层20和齿面层10各不同局部点部位的力和转矩的综合载荷谱，换算出网状多孔基层30被安装面层20和齿面层10包覆的包覆面的综合载荷谱；

以包覆面的综合载荷谱作为网状多孔基层30优化设计的载荷边界条件，在保证力和力矩传递支撑强度的前提下，以轻量化为优化目标，通过有限元等拓扑结构优化方法，得出网状多孔基层30的空间应力谱；

以网状多孔基层30的空间应力谱进行网状多孔基层30内部各空间点相应的材料分布设计，网状多孔基层30内部被分配了材料的各空间点即构成了大量纤维小梁31，并由这些分配了材料的空间点，确定每段纤维小梁31沿轴线上各点的粗细和各段纤维小梁31的空间排列连接，网状多孔基层30内部没有被分配材料的各空间点即构成了梁间多孔空腔32。

在一些实施例中，梁间多孔空腔32可根据实际工况部分或全部填充高韧性软体材料。具体为，根据实际工况使用需求，按网状多孔基层30的空间应力谱，在梁间多孔空腔32相对的高应力点分配软体材料，被分配了软体材料的梁间多孔空腔32高应力点即构成了完整的填充高韧性软体。

在一些实施例中，骨构造仿生齿轮的两侧端面均具有将网状多孔基层30封闭且密实的连接面层，连接面层与安装面层20和齿面层10的材质相同。此外，连接面层可以与安装面层20和齿面层10以相同的加工工艺制成，如激光熔融涂覆、熔融沉积等先进增材制造工艺。

在一些实施例中，齿面层10和安装面层20各部位的厚度应根据交变动载荷使用工况要求作为初始条件进行优化设计(可利用目前常用的有限元算法实现)，而不能过厚，过厚则具有以下缺点：①增加齿轮重量；②表面硬脆性过大，易表面疲劳剥落。齿面层10和安装面层20各部位的厚度也不能过薄，过薄则不能提供足够的表面接触强度，在工作时造成表面塑性变形，产生破坏。

本发明所述的齿面层10和安装面层20的材料和加工工艺是齿面层10和安装面层20满足性能要求的关键因素。

在一些实施例中，齿面层10和安装面层20所选材料仿生骨密质，应具有的各项物理性质，可以采用组织致密、硬度较高、适合激光熔融涂覆、熔融沉积等先进增材制造工艺、表面接触强度和接触韧性较高的自熔合金粉末或丝材。齿面层10和安装面层20具体材料牌号或成分的选择，需结合优化设计综合权衡齿轮实际工况对齿轮表面硬度、耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化性和抗蠕变性等性能要求，同时需考虑与网状多孔基层纤维小梁31材料结合度等因素。

根据本发明的另一方面，也提供了一种骨构造仿生齿轮的制造方法，该制造方法可基于下文所述优化设计方法所获得的骨构造仿生齿轮的3D打印模型，包括：

首先使用增材制造工艺方式制造网状多孔基层30；

再网状多孔基层30的基础上使用激光熔融涂覆或熔融沉积工艺制造齿面层和安装面层，并在齿面层和安装面层的表面熔覆；

最后对齿轮的齿面层进行磨齿或高速滚齿精加工，对齿轮的安装面层进行磨内圆或高速铣精加工以获得设计使用要求的骨构造仿生齿轮。

此处所述的高速铣是指采用高的进给速度和小的切削参数，高速铣削的主轴转速一般为15000r/min～40000r/min，最高可达100000r/min。高速铣削加工精度一般为10速铣或者更高，其表面粗糙度Ra一般小于1μ于。

本发明所述的齿轮使用场合可采用自配FeCSiB合金粉末(例如，少量元素成分的质量分数：C≈4.0％、Si≈2.0％、Cr≈1.0％、Mn≈0.7％、Mo≈0.25％、Cu≤0.2％、S≤0.035％、P≤0，035％)，添加少量CaF₂(例如3g CaF₂/1kg FeCSiB合金，可有效减少熔覆飞溅和合金元素烧损，提高与基层纤维小梁的结合度，显著改善熔覆工艺性)作为齿面层和安装面层材料，熔覆层适宜厚度1～3mm(熔覆厚度应预留磨削精加工的加工去除量0.3～0.5mm)，激光熔融涂覆设备功率需求2.0kW～2.5kW，聚焦光斑选择3～4mm，扫描速度选择0.1～0.5m/min，工艺全程氩气保护。可得齿面层表面硬度HRC52～65，表面波纹度W_z≤16μm。

本发明实施例的齿面层10和安装面层20经过熔覆等增材制造工艺后，轮廓尺寸精度和表面光洁度一般均难直接达到设计使用要求，需要进一步精加工。齿轮的齿面层10需要经过磨齿或高速滚齿精加工，齿轮的安装面层20需要经过磨内圆或高速铣等精加工，使齿轮的齿形齿向精度、安装面尺寸和形位精度、表面光洁度最终达到设计使用要求。

本发明所述的大量纤维小梁31构成的网状多孔基层30，及其梁间多孔空腔32内可能填充软体的优化设计，是本发明所述齿轮轻质、高承载耐冲击优化设计方法的轻质减重，同时保证支撑强度和韧性的优化过程的重要组成部分。

在一些实施例中，网状多孔基层30的纤维小梁32所选材料仿生骨松质，应具有各项物理性质，可采用质轻比重较小、抗拉强度和屈服强度较高、适合金属3D打印等先进增材制造工艺、网状多孔结构支撑强度和支撑韧性较高的自熔合金粉末或丝材。具体材料牌号或成分的选择，需结合优化设计综合权衡齿轮实际工况对齿轮基体各点部位承载、抗冲击和抗蠕变性等性能要求，同时需考虑与齿面层和安装面层熔覆材料结合度等因素。例如，本发明所述齿轮使用场合可采用Ti6AlV4合金粉末作为网状多孔基层的纤维小梁的3D打印材料。

梁间多孔空腔32内可能填充软体所选材料仿生骨松质间骨髓3，应具有优良的材料性质，可采用质轻比重很小、弹性模量适中、支撑韧性优良、抗塑性变形、耐火性优良、适合与金属3D打印材料共同进行多材料3D打印等先进增材制造工艺、多连续颗粒状结构支撑强度和支撑韧性较高的金属或非金属的粉末或丝材。具体材料牌号或成分的选择，需结合优化设计结果确定。例如，本发明所述齿轮使用场合可采用自配AlMg粉末(质量分数：Al≈93％、Mg≈7.0％)或自配热固性塑料粉末(质量分数：Epoxy≈48％、PU≈35％、PF≈17％)作为与金属3D打印材料共同进行多材料3D打印的填充软体3D打印材料。

根据本发明的再一方面，也提供了一种包括前述机器人用减速器齿轮的机器人用减速器，该减速器由于采用骨构造的仿生齿轮，兼顾支撑强度和韧性、表面接触强度和韧性以及轻质等优点。

根据本发明的其他方面，为获得3D打印工艺的网状多孔基层30的纤维小梁31及其梁间多孔空腔32内可能填充的软体空间实体，本发明还提供了一种获得前述机器人用减速器齿轮的生成方法，以对机器人用减速器齿轮进行优化设计，如图3所示，具体包括如下步骤：

步骤①：基于交变动载荷使用工况要求作为初始条件进行优化设计后获得齿面层10和安装面层20各部位的厚度，得到包裹网状多孔基层30的***轮廓被包覆面结构，即可得到网状多孔基层30的优化空间(或称为设计空间)，以及从齿面层10和安装面层20传递来的、网状多孔基层30***轮廓被包覆面上各点部位的综合载荷，即网状多孔基层30被包覆面综合载荷谱。基于齿轮交变动载荷使用工况要求作为初始条件进行设计获得齿面层和安装面层各部位的厚度、获得网状多孔基层的厚度、计算齿面层和安装面的综合载荷可采用现有技术中常用的有限元算法实现。交变动载荷是指齿轮在工作过程中受到大小、方向随时间呈周期性变化的载荷作用。

步骤②：确定优化设计需要的初始参数：如与3D打印设备能力相关的最小实体厚度(本发明可取0.2～0.5mm)、最小细节尺寸(本发明可取0.15mm)、最大实体倾斜角(打印放置状态，实体斜面与竖直面夹角，本发明可取55°)等，与3D打印金属材料和软体材料性能相关的弹性模量、泊松比、横截面积最大变化量(本发明可取2.3mm)等，以及安全系数(根据齿轮实际工况，本发明可取1.2)。

步骤③：对网状多孔基层30优化空间进行3D有限元网格划分，所选3D有限单元类型阶次以及网格细致度，主要由预估初设的纤维小梁31最小直径决定。

步骤④：对网状多孔基层30优化空间划分出的3D有限元网格进行分层编号。分层编号方式为：网状多孔基层优化空间中，紧贴齿面层的3D有限元网格组成初始层，暂记为S_i1层；紧贴安装面层的3D有限元网格组成终止层，暂记为S_t1层。然后，分别从初始层和终止层相向且同步分层编号，即紧贴S_i1层的3D有限元网格组成内部下一层，暂记为S_i2层；即紧贴S_t1层的3D有限元网格组成内部下一层，暂记为S_t2层。以此法相向分层，直至完全相遇，所有3D有限元网格均被分层编号。设共有n层，此时，对比S_i1层和S_t1层分别包含的3D有限元网格数量多少(一般外齿轮，S_i1层3D有限元网格数＞S_t1层3D有限元网格数，内齿轮则相反)，按从多向少的方向，重新对所有层进行编号。S_i1层和S_t1层，包含的3D有限元网格数量多的重新记为S₁，包含的3D有限元网格数量少的重新记为S_n，中间所有相邻层编号相邻。

步骤⑤：对主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号。方式为：以S₁层作为层内二维坐标的编号基础；以S_n层作为空间展开投影基础。S₁层内基础编号二维坐标系一般取轴向某方向为x轴正向，径向按右手拇指x轴正向四指环绕展开为y轴正向，原点位置确定方式为保证S₁层内相邻3D有限元网格的二维坐标编号(S₁，x，y)均为相邻正整数(即x、y∈Z⁺)，其余各层内相邻3D有限元网格的二维坐标编号因各层3D有限元网格数量均在变化，所以为正整数，但可能并不相邻。从S₁层到S_n层的空间展开投影，并从S₁层到S_n层，逐层对3D有限元网格进行层内二维坐标编号。首先，对S₁层的每个3D有限元网格可以分别计算出到S_n层的最短传递路径(即S₁层的每个3D有限元网格都可以找的到S_n层的某个3D有限元网格所经过的相邻3D有限元网格数量最少的传递路径)。除去S₁层外，统计各层所有3D有限元网格所被经历传递路径的次数和各次被经历传递路径的上层来源端3D有限元网格。对于按既定顺序编号到S_k层(1＜k≤n)的某个3D有限元网格，其被经历的传递路径次数和来源端3D有限元网格为：a₁次源于3D有限元网格(S_k-1，x_a1，y_a1)、a₂次源于3D有限元网格(S_k-1，x_a2，y_a2)、…、a_m次源于3D有限元网格(S_k-1，x_am，y_am)，设该3D有限元网格(S_k，x_t，y_t)，则：x_t为正整数x_a1、x_a2、…、x_am中最接近的数，y_t为正整数y_a1、y_a2、…、y_am中最接近

的数。至此，各层所有被编号的3D有限元网格均至少1次被包含在从S₁层各3D有限元网格到S_n层的所有最短传递路径中，而这些最短传递路径即为网状多孔基层的纤维小梁生长布置的网格主干轴线。

步骤⑥：对非主干轴线上的3D有限元网格进行层内二维坐标编号。方式为：在各层，以主干轴线上已获编号的各个3D有限元网格为该层面上的局部原点，以层内二维坐标确定的x轴正方向和y轴正方向为编号正方向，同一层内，以各局部原点为同心圆中心作同步扩散，以此为先后顺序进行编号，直至各层所有非主干轴线上的，未编号的3D有限元网格都被编号。编号为(S_k，x_a，y_a)(α，β)的S_k层非主干轴线上的3D有限元网格，表示其距本层主干轴线上的3D有限元网格(S_k，x_a，y_a)在层内二维坐标x轴上的投影距离为α，在层内二维坐标y轴上的投影距离为β(α、β∈Z，α、β≠0)，且(S_k，x_a，y_a)(α，β)非主干轴线上的3D有限元网格与本层所有主干轴线上的3D有限元网格的距离中，与(S_k，x_a，y_a)主干轴线上的3D有限元网格的距离最短，最短距离为|α|+|β|，表示两者途径|α|+|β|个相邻的3D有限元网格，既可彼此达到。

步骤⑦：对网状多孔基层空间计算空间应力谱。方式为：首先，将网状多孔基层包覆面综合载荷谱的一个周期段分为S_i1层上的外力载荷谱和S_t1层上的支撑载荷谱，两者平均幅值相等，相位相反。然后，将外力载荷谱在S_i1层上分解到每一个3D有限元网格，将支撑载荷谱在S_t1层上分解到每一个3D有限元网格。接着，根据步骤⑤生成的网格主干轴线，对每条单网格传递路径确定传递函数。接着按S₁层上各3D有限元网格的编号顺序计算每条单网格传递路径上每个3D有限元网格的一个周期内的周期性单路径应力谱，若多条传递路径经过同一个3D有限元网格，则每条传递路径在该3D有限元网格的周期性单路径应力谱应进行叠加，最后得到该3D有限元网格的周期性全应力谱，全体3D有限元网格的周期性全应力谱组成了网状多孔基层的空间应力曲线，即其空间应力谱。

步骤⑧：在网状多孔基层空间30内生长主干型纤维小梁。方式为：根据网状多孔基层的空间应力谱，在各层以主干轴线上各3D有限元网格的基础中心，以最少携挂原则，由近至远地携挂周围的非主干轴线上的3D有限元网格，各方向携挂的数量由该3D有限元网格(S_k，x_t，y_t)的周期性全应力谱，结合打印材料性能相关的弹性模量和泊松比等初始参数确定，以满足网状多孔基层的支撑强度和韧性要求R(S_k，x_t，y_t)。若无法满足R(S_k，x_t，y_t)，则返回步骤③，调整初始参数，重新划分3D有限元网格，并记入返回迭代次数T_⑧，当T_⑧＞设定次数T_⑧s，并估算判断后续通过空腔软体填充可补充支撑强度以满足要求时，则不再返回步骤③迭代，取各次迭代计算中对支撑强度和韧性要求的最优解OS_⑧(S_k，x_t，y_t)，进入步骤⑨。

一般地，主干轴线上某3D有限元网格的周期性全应力谱某方向应力幅值越大，则沿此方向携挂的非主干轴线3D有限元网格越多。若主干轴线上某3D有限元网格的周期性全应力谱各方向应力幅值均为零，则经过该3D有限元网格的传递路径不生长主干型纤维小梁(此情况为该3D有限元网格传递路径的S_i1层上初始网格并没有分担到外力载荷)。

步骤⑨：修正主干型纤维小梁，并以其为基础上生长补充分支型纤维小梁。经步骤⑧初代解算生成的主干型纤维小梁，通常并不满足优化设计初始参数要求的最小实体厚度、最小细节尺寸、最大实体倾斜角、横截面积最大变化量和安全系数等要求，因此需要对各主干型纤维小梁逐层在各方向增减修正所携挂的非主干轴线3D有限元网格。若某主干型纤维小梁局部仅靠修正无法同时满足形状要求与支撑强度韧性要求，则需要在该主干型纤维小梁局部附近3D有限元网格(S_j，x_a，y_a)(α，β)生长补充分支型纤维小梁，以同时满足该局部相关纤维小梁的形状要求与支撑强度韧性要求R(S_j，x_a，y_a)(α，β)。

若步骤⑧是以最优解OS_⑧(S_k，x_t，y_t)的形式放松要求进入本步骤，则本步骤只需同时满足该局部相关纤维小梁的形状要求与最优解OS_⑧(S_k，x_t，y_t)的要求。补充分支型纤维小梁应满足补充路径最短，并满足初始参数要求。若修正主干型纤维小梁及生长补充分支型纤维小梁无法满足形状要求与支撑强度韧性要求R(S_k，x_t，y_t)或最优解OS_⑧(S_k，x_t，y_t)，以及R(S_j，x_a，y_a)(α，β)的要求，则返回步骤⑧，调整初始参数，重新生长主干型纤维小梁，并记入返回迭代次数T_⑨，当T_⑨＞设定次数T_⑨s，并估算判断后续通过空腔软体填充可补充支撑强度以满足要求时，则不再返回步骤⑧迭代，取各次迭代计算中对支撑强度和韧性要求的最优解进入步骤⑩。

步骤⑩：生成所有纤维小梁3D实体，进行3D打印模型封闭性和流形性校核。若所有纤维小梁组成的3D实体模型无法满足3D打印工艺要求的封闭性和流形性要求，则返回步骤⑨进行修正。

步骤若步骤⑧和步骤⑨，任意一个或两者均存在以最优解放松要求进行下一步骤的情况，则需要在梁间多孔空腔内填充软体，以补充网状多孔基层的支撑强度和韧性。具体方式为：若存在OS_⑧(S_k，x_t，y_t)，则以R(S_k，x_t，y_t)-OS_⑧(S_k，x_t，y_t)为3D有限元网格(S_k，x_t，y_t)附近局部梁间多孔空腔的软体填充优化设计载荷谱，按步骤⑧和步骤⑨相同方式携挂附近梁间多孔空腔空间内的3D有限元网格，形成软体填充实体3D模型。若存在OS_⑨(S_j，x_a，y_a)(α，β)，则以方式相同形成软体填充实体3D模型。

步骤完成网状多孔基层的纤维小梁和梁间多孔空腔内可能填充的软体实体的具体优化设计，得到最终全体纤维小梁实体可3D打印模型，或其与梁间多孔空腔内填充软体可多材料3D打印模型。

以上优化过程，传递路径最短和最少携挂原则，保证了全体纤维小梁31实体和可能填充的软体在满足网状多孔基层30支撑强度和支撑韧性的前提下，重量最轻。

最后基于生成的所有纤维小梁得到网状多孔基层的3D打印模型，使用3D打印方式制造网状多孔基层，使用激光熔融涂覆或熔融沉积工艺制造外轮廓层，外轮廓层包括齿面层、安装面层和连接面层，并包覆网状多孔基层。

以本发明所述齿轮设计制造方法，所能加工齿轮的最小模数为网状多孔基层的纤维小梁加工工艺所能达到的最小加工厚度的3～4倍。网状多孔基层的纤维小梁一般用金属3D打印加工，目前金属3D打印工艺最小加工厚度可达0.2mm，因此本发明所述工艺能加工齿轮的最小模数为0.6～0.8mm。

本发明所述的减速器齿轮、机器人用减速器以及减速器齿轮的生成方法，也适用于其他结构件，如锥齿轮、带轮、链轮和传动轴等。

根据本发明的其他方面，也提供了一种仿生机器人，包括前述机器人用减速器，该减速器可为谐波类减速器、摆线类减速器或行星齿轮类减速器等形式。该减速器的齿轮采用骨构造仿生齿轮。

本发明实施例的减速器齿轮、机器人用减速器克服了减速器不能同时满足机器人(特别是仿生机器人)要求的轻质、高承载耐冲击、高精度高效率传动三方面要求的难题，在传动关键元器件，尤其是减速器方面为机器人实现超动态运动提供了更大的优势。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。