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)。對于傳統(tǒng) 的機(jī)器人設(shè)計方法，例如采用方程或軟件對運動學(xué)及初級動力學(xué)進(jìn)行建模，由于復(fù)雜動態(tài)效應(yīng)的作用與日俱增，隨著機(jī)器人變得越 來越輕并且在更高負(fù)載下工作，這種方法逐 漸失效。設(shè)計師必須了解他們的設(shè)計方案能 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)器人各個關(guān)節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設(shè)計并交付具有競爭力的產(chǎn)品。

來自?？怂箍档慕鉀Q方案：

用戶名稱：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：MSC Adams軟件
實現(xiàn)效果：研究人員通過實物實驗驗證了樣機(jī)的性能與Adams預(yù)測相吻合，第一臺樣機(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)與振動國家實驗室主任高峰博士以及上海交通大學(xué)博士后研究員潘陽博士，設(shè)計了章魚 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、搜索、探測、修理及救援。六腿章魚 III 機(jī)器人可利用有腿機(jī)器人的非常規(guī)能力， 例如橫動崎嶇地形、克服障礙、進(jìn)行垂直爬升以及翻倒后自動站立等。
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保持平衡、方位、效率及速度，因此設(shè)計難度更大。章魚 III 的六條腿分別有一個相同的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，每個機(jī)構(gòu)由帶有三個肢體的并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成。每條腿都有一個串聯(lián)有萬向接頭和棱柱形關(guān)節(jié)的 UP 肢體以及兩個串聯(lián)有萬向接頭、棱柱形關(guān)節(jié)及球節(jié)的 UPS 肢體。
機(jī)器人由一臺運行在 Linux 操作系統(tǒng)上的機(jī)載計算機(jī)控制，能與運行 Windows 操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)行無線通信?？山?jīng)由 Windows 計算機(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)載計算機(jī)包含經(jīng)過優(yōu)化的機(jī)器人運動學(xué)及動力學(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)。對于傳統(tǒng) 的機(jī)器人設(shè)計方法，例如采用方程或軟件對運動學(xué)及初級動力學(xué)進(jìn)行建模，由于復(fù)雜動態(tài)效應(yīng)的作用與日俱增，隨著機(jī)器人變得越 來越輕并且在更高負(fù)載下工作，這種方法逐 漸失效。設(shè)計師必須了解他們的設(shè)計方案能 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)器人各個關(guān)節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設(shè)計并交付具有競爭力的產(chǎn)品。

解決/驗證
潘博士使用 Adams 多體動力學(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)動閥門。潘博士采用SolidWorks 計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件開發(fā)了針對機(jī)器人設(shè)計方案的幾何體，并編寫了Adams/View 命令語言腳本，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 命令語言在機(jī)器人參數(shù)化建模方面表現(xiàn)良好，這是因為我可以通過編程創(chuàng)建單個文件來生成機(jī)器人設(shè)計，然后只需更改命令語言文件中的數(shù)字就可以生成新的設(shè)計變量?！?/span>
在 Adams/View 命令語言中，通過 Adams 接口執(zhí)行的許多動作具有等效性?？蓪⒚畲鎯υ谖募胁⒏鶕?jù)需要導(dǎo)入。
潘博士對許多候選的機(jī)器人并聯(lián)和串聯(lián)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行了評估，其中包括 1UP、2UPS、3UPS 及3PRS。Adams 能夠在設(shè)計過程的最初階段，將設(shè)計概念作為一個整體系統(tǒng)來評估動態(tài)性能。與通過樣機(jī)實驗獲得同樣的信息相比，潘博士借助 Adams 在設(shè)計過程初期就能以更短的時間、更低的成本對眾多不同機(jī)器人設(shè)計方案的瞬態(tài)動態(tài)行為進(jìn)行評估。他還可以加大機(jī)器人的速度和負(fù)載，同時確保機(jī)器人能夠穿越各類不同的表面。
在確定章魚 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 命令語言腳本中的變量即可實現(xiàn)。他對機(jī)器人執(zhí)行動作的各向同性能力進(jìn)行了評估， 即能夠以相同的速度、沿任何要求的方向移動給定的有效負(fù)載。他還使用仿真對設(shè)計方案中有可能導(dǎo)致機(jī)器人停止移動的特殊條件進(jìn)行了評估。
在進(jìn)行了大量的設(shè)計迭代之后，研究人員確定了可滿足其所有目標(biāo)的設(shè)計。此時，該團(tuán)隊以大約 100,000 元的成本對建造的樣機(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樣機(jī)進(jìn)行了測試，例如轉(zhuǎn)動閥門和開關(guān)、運送重達(dá) 500 千克的載荷，以評估其與預(yù)期任 務(wù)的符合情況。實物實驗表明，樣機(jī)的性能與 Adams 預(yù)測非常吻合。潘博士表示：“如果在建造樣機(jī)之前沒有使用 Adams 對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，我們或許還需要另外五臺樣機(jī)，每臺需要支付 100,000 元才能得到正確設(shè)計。借助 Adams，第一臺樣機(jī)就能完全按照預(yù)期工作，我們甚至無需進(jìn)行任何改動?！?/span>

客戶簡介：

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，是中國歷史最悠久、最負(fù)盛名的重點大學(xué)之一。2015 年，上海交通大學(xué)在國家自然科學(xué)基金項目數(shù)和經(jīng)費數(shù)上連續(xù)六年全國第一。高峰博士是上海交通大學(xué)機(jī)械工程系教授。他還是國家“973”項目“核電站緊急救災(zāi)機(jī)器人的基礎(chǔ)科學(xué)問題”首席科學(xué)家、國家科學(xué)基金杰出青年學(xué)者獲得者以及機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室主任。他的科研團(tuán)隊已取得 100 多項國內(nèi)專利。在過去 3 年里，該團(tuán)隊共獲得超過 7500 萬元人民幣的研究基金。

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