面臨的挑戰(zhàn)：

上海交通大學(xué)的研究人員面臨著以盡量低的成本在新機(jī)器人上提供高水平的速度、有效負(fù)載、耐用性及其他參數(shù)的挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng) 的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，例如采用方程或軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)及初級(jí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模，由于復(fù)雜動(dòng)態(tài)效應(yīng)的作用與日俱增，隨著機(jī)器人變得越 來(lái)越輕并且在更高負(fù)載下工作，這種方法逐 漸失效。設(shè)計(jì)師必須了解他們的設(shè)計(jì)方案能 夠承受多大的負(fù)載，在各種任務(wù)中的表現(xiàn)如 何，以及施加到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)并交付具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

來(lái)自海克斯康的解決方案：

用戶(hù)名稱(chēng)：上海交通大學(xué)
面臨挑戰(zhàn)：如何既能降低成本又能在新機(jī)器人上提供高水平的速度、有效負(fù)載、耐用性及其他參數(shù)的挑戰(zhàn)
產(chǎn)品、解決方案名稱(chēng)：MSC Adams軟件
實(shí)現(xiàn)效果：研究人員通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了樣機(jī)的性能與Adams預(yù)測(cè)相吻合，第一臺(tái)樣機(jī)就能完全按照預(yù)期工作，降低了研發(fā)成本。

上海交通大學(xué)的研究人員，其中包括上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任高峰博士以及上海交通大學(xué)博士后研究員潘陽(yáng)博士，設(shè)計(jì)了章魚(yú) III 六腿機(jī)器人，可用于在核輻射、火災(zāi)及水下等極端環(huán)境中進(jìn)行移動(dòng)、搜索、探測(cè)、修理及救援。六腿章魚(yú) III 機(jī)器人可利用有腿機(jī)器人的非常規(guī)能力， 例如橫動(dòng)崎嶇地形、克服障礙、進(jìn)行垂直爬升以及翻倒后自動(dòng)站立等。
與輪式機(jī)器人相比，由于有腿機(jī)器人需要更加復(fù)雜的機(jī)械原理和控制策略來(lái)保持平衡、方位、效率及速度，因此設(shè)計(jì)難度更大。章魚(yú) III 的六條腿分別有一個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)由帶有三個(gè)肢體的并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成。每條腿都有一個(gè)串聯(lián)有萬(wàn)向接頭和棱柱形關(guān)節(jié)的 UP 肢體以及兩個(gè)串聯(lián)有萬(wàn)向接頭、棱柱形關(guān)節(jié)及球節(jié)的 UPS 肢體。
機(jī)器人由一臺(tái)運(yùn)行在 Linux 操作系統(tǒng)上的機(jī)載計(jì)算機(jī)控制，能與運(yùn)行 Windows 操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信?？山?jīng)由 Windows 計(jì)算機(jī)上的人機(jī)接口（HMI）向機(jī)器人發(fā)出前進(jìn)或左轉(zhuǎn)彎等命令。機(jī)載計(jì)算機(jī)包含經(jīng)過(guò)優(yōu)化的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，并控制著機(jī)器人的 180 部伺服電機(jī)。機(jī)器人重約270kg，可攀爬20度的斜坡，并以1.09千米/小時(shí)的速度行走。

挑戰(zhàn)
上海交通大學(xué)的研究人員面臨著以盡量低的成本在新機(jī)器人上提供高水平的速度、有效負(fù)載、耐用性及其他參數(shù)的挑戰(zhàn)。對(duì)于傳統(tǒng) 的機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，例如采用方程或軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)及初級(jí)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模，由于復(fù)雜動(dòng)態(tài)效應(yīng)的作用與日俱增，隨著機(jī)器人變得越 來(lái)越輕并且在更高負(fù)載下工作，這種方法逐 漸失效。設(shè)計(jì)師必須了解他們的設(shè)計(jì)方案能 夠承受多大的負(fù)載，在各種任務(wù)中的表現(xiàn)如何，以及施加到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)并交付具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

解決/驗(yàn)證
潘博士使用 Adams 多體動(dòng)力學(xué)軟件創(chuàng)建了完整的機(jī)器人及其所執(zhí)行任務(wù)的工作樣機(jī)，例如攜帶重載或轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)。潘博士采用SolidWorks 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件開(kāi)發(fā)了針對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的幾何體，并編寫(xiě)了Adams/View 命令語(yǔ)言腳本，將幾何體轉(zhuǎn)換成Adams 模型，例如添加關(guān)節(jié)、軸承及電機(jī)。潘博士表示：“Adams/View 命令語(yǔ)言在機(jī)器人參數(shù)化建模方面表現(xiàn)良好，這是因?yàn)槲铱梢酝ㄟ^(guò)編程創(chuàng)建單個(gè)文件來(lái)生成機(jī)器人設(shè)計(jì)，然后只需更改命令語(yǔ)言文件中的數(shù)字就可以生成新的設(shè)計(jì)變量?！?/span>
在 Adams/View 命令語(yǔ)言中，通過(guò) Adams 接口執(zhí)行的許多動(dòng)作具有等效性。可將命令存儲(chǔ)在文件中并根據(jù)需要導(dǎo)入。
潘博士對(duì)許多候選的機(jī)器人并聯(lián)和串聯(lián)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行了評(píng)估，其中包括 1UP、2UPS、3UPS 及3PRS。Adams 能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程的最初階段，將設(shè)計(jì)概念作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)評(píng)估動(dòng)態(tài)性能。與通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)獲得同樣的信息相比，潘博士借助 Adams 在設(shè)計(jì)過(guò)程初期就能以更短的時(shí)間、更低的成本對(duì)眾多不同機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行評(píng)估。他還可以加大機(jī)器人的速度和負(fù)載，同時(shí)確保機(jī)器人能夠穿越各類(lèi)不同的表面。
在確定章魚(yú) III 中所采用的 UP 和 UPS 組合所能得到最佳結(jié)果之后，潘博士嘗試了眾多不同的關(guān)節(jié)尺寸，這些工作只需更改 Adams/ View 命令語(yǔ)言腳本中的變量即可實(shí)現(xiàn)。他對(duì)機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作的各向同性能力進(jìn)行了評(píng)估， 即能夠以相同的速度、沿任何要求的方向移動(dòng)給定的有效負(fù)載。他還使用仿真對(duì)設(shè)計(jì)方案中有可能導(dǎo)致機(jī)器人停止移動(dòng)的特殊條件進(jìn)行了評(píng)估。
在進(jìn)行了大量的設(shè)計(jì)迭代之后，研究人員確定了可滿(mǎn)足其所有目標(biāo)的設(shè)計(jì)。此時(shí)，該團(tuán)隊(duì)以大約 100,000 元的成本對(duì)建造的樣機(jī)進(jìn)行調(diào)試。
結(jié)果
上海交通大學(xué)的研究人員在大量條件下對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，例如轉(zhuǎn)動(dòng)閥門(mén)和開(kāi)關(guān)、運(yùn)送重達(dá) 500 千克的載荷，以評(píng)估其與預(yù)期任 務(wù)的符合情況。實(shí)物實(shí)驗(yàn)表明，樣機(jī)的性能與 Adams 預(yù)測(cè)非常吻合。潘博士表示：“如果在建造樣機(jī)之前沒(méi)有使用 Adams 對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，我們或許還需要另外五臺(tái)樣機(jī)，每臺(tái)需要支付 100,000 元才能得到正確設(shè)計(jì)。借助 Adams，第一臺(tái)樣機(jī)就能完全按照預(yù)期工作，我們甚至無(wú)需進(jìn)行任何改動(dòng)?！?/span>

客戶(hù)簡(jiǎn)介：

上海交通大學(xué)成立于 1896 年，由光緒皇帝簽發(fā)圣旨而創(chuàng)立，是中國(guó)歷史最悠久、最負(fù)盛名的重點(diǎn)大學(xué)之一。2015 年，上海交通大學(xué)在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目數(shù)和經(jīng)費(fèi)數(shù)上連續(xù)六年全國(guó)第一。高峰博士是上海交通大學(xué)機(jī)械工程系教授。他還是國(guó)家“973”項(xiàng)目“核電站緊急救災(zāi)機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”首席科學(xué)家、國(guó)家科學(xué)基金杰出青年學(xué)者獲得者以及機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。他的科研團(tuán)隊(duì)已取得 100 多項(xiàng)國(guó)內(nèi)專(zhuān)利。在過(guò)去 3 年里，該團(tuán)隊(duì)共獲得超過(guò) 7500 萬(wàn)元人民幣的研究基金。

返回