面(mian)臨的挑戰：

上(shang)海交(jiao)通大學(xue)的(de)(de)研究(jiu)人員面臨著以(yi)盡量(liang)低的(de)(de)成本在新機器人上(shang)提(ti)供高水平的(de)(de)速度、有效負載、耐(nai)用性(xing)及其他參數(shu)的(de)(de)挑戰。對于(yu)傳統(tong) 的(de)(de)機器人設計方法，例如(ru)采用方程或軟件對運動學(xue)及初級(ji)動力學(xue)進行建模，由于(yu)復雜動態(tai)效應的(de)(de)作用與日俱增，隨著機器人變(bian)得越 來越輕(qing)并且(qie)在更(geng)高負載下工作，這種方法逐 漸失效。設計師必須了解他們的(de)(de)設計方案能 夠承受多(duo)大的(de)(de)負載，在各(ge)種任務中(zhong)的(de)(de)表現如(ru) 何，以(yi)及施加到機器人各(ge)個關(guan)節上(shang)的(de)(de)作用力有多(duo)大，以(yi)便優化設計并交(jiao)付具(ju)有競爭力的(de)(de)產品。

來(lai)自海克斯康的解決(jue)方案：

用戶名(ming)稱：上海交通大學
面臨挑戰：如何既能(neng)降低成本又(you)能(neng)在新機器(qi)人(ren)上(shang)提供高水平的速(su)度、有(you)效負載(zai)、耐用性(xing)及(ji)其他(ta)參數的挑戰
產(chan)品、解(jie)決方案名稱：MSC Adams軟件
實(shi)現效果：研(yan)(yan)究人員通過實物實驗驗證了樣機的(de)性能與Adams預測相吻(wen)合，第(di)一臺樣機就能完全按照預期(qi)工(gong)作，降低(di)了研(yan)(yan)發成本。

上海交通(tong)大(da)學的(de)研究人(ren)(ren)員，其中包括上海交通(tong)大(da)學機械系統與振(zhen)動(dong)國家(jia)實驗(yan)室(shi)主任高峰(feng)博士(shi)以及(ji)上海交通(tong)大(da)學博士(shi)后研究員潘陽博士(shi)，設計(ji)了章(zhang)魚 III 六腿(tui)機器人(ren)(ren)，可用(yong)于在(zai)核輻射、火災及(ji)水下等(deng)極端環境中進(jin)行移動(dong)、搜(sou)索、探測、修理及(ji)救援(yuan)。六腿(tui)章(zhang)魚 III 機器人(ren)(ren)可利用(yong)有腿(tui)機器人(ren)(ren)的(de)非常規能力(li)， 例(li)如橫動(dong)崎嶇地形、克服障(zhang)礙、進(jin)行垂直爬升以及(ji)翻(fan)倒后自動(dong)站(zhan)立等(deng)。
與輪式機(ji)器人相比，由于有腿(tui)(tui)機(ji)器人需要更加復雜的(de)機(ji)械原理和控制策略來保持平(ping)衡(heng)、方(fang)位(wei)、效率及速度，因此(ci)設(she)計(ji)難度更大。章魚 III 的(de)六(liu)條腿(tui)(tui)分別有一個(ge)相同的(de)驅動機(ji)構，每個(ge)機(ji)構由帶有三(san)個(ge)肢(zhi)體的(de)并聯(lian)機(ji)構組(zu)成。每條腿(tui)(tui)都有一個(ge)串聯(lian)有萬向(xiang)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)和棱(leng)柱形關節的(de) UP 肢(zhi)體以及兩個(ge)串聯(lian)有萬向(xiang)接(jie)(jie)頭(tou)(tou)、棱(leng)柱形關節及球節的(de) UPS 肢(zhi)體。
機(ji)(ji)器(qi)人(ren)由一臺運行(xing)(xing)在 Linux 操(cao)作(zuo)系統上(shang)的(de)(de)機(ji)(ji)載(zai)計(ji)算(suan)機(ji)(ji)控制(zhi)(zhi)，能與運行(xing)(xing) Windows 操(cao)作(zuo)系統的(de)(de)遠程計(ji)算(suan)機(ji)(ji)進行(xing)(xing)無線通信。可(ke)經(jing)由 Windows 計(ji)算(suan)機(ji)(ji)上(shang)的(de)(de)人(ren)機(ji)(ji)接口(kou)（HMI）向機(ji)(ji)器(qi)人(ren)發(fa)出前進或(huo)左轉彎等命令。機(ji)(ji)載(zai)計(ji)算(suan)機(ji)(ji)包含經(jing)過(guo)優化的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)人(ren)運動學(xue)及動力(li)學(xue)模型，并控制(zhi)(zhi)著機(ji)(ji)器(qi)人(ren)的(de)(de) 180 部伺服電機(ji)(ji)。機(ji)(ji)器(qi)人(ren)重約270kg，可(ke)攀爬20度的(de)(de)斜坡，并以1.09千米/小(xiao)時(shi)的(de)(de)速度行(xing)(xing)走(zou)。

挑戰
上海交通大(da)學(xue)(xue)的研究人員面臨著以盡量低的成本在新(xin)機(ji)器(qi)(qi)(qi)人上提供高水(shui)平的速(su)度、有效(xiao)負載、耐用(yong)性及(ji)其他(ta)參數的挑戰。對于傳統 的機(ji)器(qi)(qi)(qi)人設計方法，例(li)如采用(yong)方程或軟(ruan)件對運動(dong)學(xue)(xue)及(ji)初級動(dong)力學(xue)(xue)進(jin)行建模，由于復雜動(dong)態效(xiao)應的作用(yong)與日(ri)俱(ju)增，隨著機(ji)器(qi)(qi)(qi)人變(bian)得越 來(lai)越輕(qing)并且在更高負載下(xia)工作，這種方法逐 漸(jian)失效(xiao)。設計師必須了解他(ta)們(men)的設計方案能 夠承受(shou)多大(da)的負載，在各(ge)(ge)種任務中的表現如何(he)，以及(ji)施加到機(ji)器(qi)(qi)(qi)人各(ge)(ge)個(ge)關節上的作用(yong)力有多大(da)，以便優化設計并交付(fu)具(ju)有競爭力的產品。

解決/驗證
潘博士使用 Adams 多體動力(li)學軟件(jian)創(chuang)建了(le)完整(zheng)的(de)機(ji)器人(ren)及(ji)其所執行任務(wu)的(de)工作樣機(ji)，例如(ru)攜(xie)帶重載或轉動閥門。潘博士采用SolidWorks 計(ji)(ji)算機(ji)輔助設(she)計(ji)(ji)（CAD）軟件(jian)開發了(le)針(zhen)對機(ji)器人(ren)設(she)計(ji)(ji)方案的(de)幾何(he)體，并編寫了(le)Adams/View 命(ming)令(ling)語(yu)言腳本，將幾何(he)體轉換成(cheng)(cheng)Adams 模型，例如(ru)添加關節、軸承(cheng)及(ji)電(dian)機(ji)。潘博士表示：“Adams/View 命(ming)令(ling)語(yu)言在機(ji)器人(ren)參數(shu)化建模方面表現良好(hao)，這是因(yin)為(wei)我可以通過編程創(chuang)建單個文(wen)件(jian)來(lai)生成(cheng)(cheng)機(ji)器人(ren)設(she)計(ji)(ji)，然后只需更改(gai)命(ming)令(ling)語(yu)言文(wen)件(jian)中的(de)數(shu)字就可以生成(cheng)(cheng)新的(de)設(she)計(ji)(ji)變量(liang)。”
在 Adams/View 命(ming)令語言中(zhong)，通過 Adams 接口執行的許多(duo)動作(zuo)具有等(deng)效性。可將命(ming)令存(cun)儲在文件中(zhong)并根(gen)據需要導入。
潘博士(shi)對許多候(hou)選的(de)機(ji)(ji)器(qi)人并聯(lian)和串聯(lian)機(ji)(ji)構 進行了評估(gu)，其中包括(kuo) 1UP、2UPS、3UPS 及3PRS。Adams 能(neng)夠(gou)(gou)在設(she)(she)計過程的(de)最初(chu)階段，將設(she)(she)計概念(nian)作為一個(ge)整體系(xi)統來評估(gu)動態(tai)性能(neng)。與通過樣機(ji)(ji)實驗(yan)獲得同樣的(de)信息相比，潘博士(shi)借助(zhu) Adams 在設(she)(she)計過程初(chu)期就能(neng)以更短的(de)時(shi)間、更低的(de)成本對眾多不(bu)同機(ji)(ji)器(qi)人設(she)(she)計方案的(de)瞬(shun)態(tai)動態(tai)行為進行評估(gu)。他還(huan)可以加(jia)大機(ji)(ji)器(qi)人的(de)速度和負載，同時(shi)確(que)保機(ji)(ji)器(qi)人能(neng)夠(gou)(gou)穿越各類不(bu)同的(de)表面。
在確(que)定章魚 III 中(zhong)所采(cai)用的(de)(de) UP 和 UPS 組合所能得到最佳結果之后，潘博士嘗試了(le)(le)眾多不同的(de)(de)關節尺寸，這些工(gong)作只需(xu)更改(gai) Adams/ View 命(ming)令語言腳本中(zhong)的(de)(de)變量即(ji)可實現。他對機器(qi)(qi)人執(zhi)行動作的(de)(de)各向(xiang)同性能力(li)進行了(le)(le)評估， 即(ji)能夠以相同的(de)(de)速度、沿任何要求的(de)(de)方(fang)向(xiang)移動給定的(de)(de)有(you)效負(fu)載。他還使用仿真對設計方(fang)案中(zhong)有(you)可能導致(zhi)機器(qi)(qi)人停止(zhi)移動的(de)(de)特(te)殊(shu)條件(jian)進行了(le)(le)評估。
在(zai)進(jin)行了(le)大量的設計迭代之(zhi)后，研究人員(yuan)確定了(le)可滿足其所有目(mu)標的設計。此(ci)時，該團(tuan)隊以(yi)大約(yue) 100,000 元的成本(ben)對建(jian)造的樣機進(jin)行調試。
結(jie)果(guo)
上海交通(tong)大學的(de)研究人員在大量條(tiao)件下對樣(yang)機(ji)進(jin)行了測(ce)試，例(li)如轉動閥(fa)門(men)和開關(guan)、運送(song)重(zhong)達 500 千克的(de)載荷，以(yi)評估其與預(yu)期任 務的(de)符合情(qing)況(kuang)。實物實驗(yan)表明(ming)，樣(yang)機(ji)的(de)性能(neng)與 Adams 預(yu)測(ce)非常吻合。潘博(bo)士(shi)表示：“如果在建造樣(yang)機(ji)之前沒有使用 Adams 對設(she)計進(jin)行優(you)化，我們或許還需要另外五臺(tai)樣(yang)機(ji)，每(mei)臺(tai)需要支付 100,000 元才能(neng)得到正確(que)設(she)計。借助 Adams，第一臺(tai)樣(yang)機(ji)就(jiu)能(neng)完全(quan)按(an)照(zhao)預(yu)期工作(zuo)，我們甚至無需進(jin)行任何改動。”

客(ke)戶簡(jian)介(jie)：

上(shang)海(hai)交通(tong)(tong)大(da)(da)學(xue)成(cheng)立(li)于 1896 年(nian)，由光緒皇帝(di)簽發(fa)圣旨而(er)創立(li)，是中國歷史最(zui)悠久、最(zui)負盛名的重點大(da)(da)學(xue)之(zhi)一。2015 年(nian)，上(shang)海(hai)交通(tong)(tong)大(da)(da)學(xue)在國家(jia)自然科(ke)(ke)學(xue)基金(jin)(jin)(jin)項(xiang)目(mu)數(shu)和經費(fei)數(shu)上(shang)連續六年(nian)全國第一。高(gao)峰博士(shi)是上(shang)海(hai)交通(tong)(tong)大(da)(da)學(xue)機(ji)(ji)械工程(cheng)系教(jiao)授(shou)。他還(huan)是國家(jia)“973”項(xiang)目(mu)“核電站緊急救災機(ji)(ji)器人(ren)的基礎科(ke)(ke)學(xue)問題”首席(xi)科(ke)(ke)學(xue)家(jia)、國家(jia)科(ke)(ke)學(xue)基金(jin)(jin)(jin)杰出青(qing)年(nian)學(xue)者獲得(de)(de)者以及機(ji)(ji)械系統與振動(dong)國家(jia)重點實驗室主任。他的科(ke)(ke)研團隊已取得(de)(de) 100 多(duo)項(xiang)國內(nei)專利。在過去 3 年(nian)里，該團隊共獲得(de)(de)超過 7500 萬元人(ren)民幣的研究基金(jin)(jin)(jin)。

返回