面臨的挑戰(zhàn)：

上海交通大學的研究人員面臨著以盡量低的成本在新機器人上提供高水平的速度、有效負載、耐用性及其他參數(shù)的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng) 的機器人設計方法，例如采用方程或軟件對運動學及初級動力學進行建模，由于復雜動態(tài)效應的作用與日俱增，隨著機器人變得越 來越輕并且在更高負載下工作，這種方法逐 漸失效。設計師必須了解他們的設計方案能 夠承受多大的負載，在各種任務中的表現(xiàn)如 何，以及施加到機器人各個關節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設計并交付具有競爭力的產(chǎn)品。

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用戶名稱：上海交通大學
面臨挑戰(zhàn)：如何既能降低成本又能在新機器人上提供高水平的速度、有效負載、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的性能與Adams預測相吻合，第一臺樣機就能完全按照預期工作，降低了研發(fā)成本。

上海交通大學的研究人員，其中包括上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家實驗室主任高峰博士以及上海交通大學博士后研究員潘陽博士，設計了章魚 III 六腿機器人，可用于在核輻射、火災及水下等極端環(huán)境中進行移動、搜索、探測、修理及救援。六腿章魚 III 機器人可利用有腿機器人的非常規(guī)能力， 例如橫動崎嶇地形、克服障礙、進行垂直爬升以及翻倒后自動站立等。
與輪式機器人相比，由于有腿機器人需要更加復雜的機械原理和控制策略來保持平衡、方位、效率及速度，因此設計難度更大。章魚 III 的六條腿分別有一個相同的驅(qū)動機構，每個機構由帶有三個肢體的并聯(lián)機構組成。每條腿都有一個串聯(lián)有萬向接頭和棱柱形關節(jié)的 UP 肢體以及兩個串聯(lián)有萬向接頭、棱柱形關節(jié)及球節(jié)的 UPS 肢體。
機器人由一臺運行在 Linux 操作系統(tǒng)上的機載計算機控制，能與運行 Windows 操作系統(tǒng)的遠程計算機進行無線通信。可經(jīng)由 Windows 計算機上的人機接口（HMI）向機器人發(fā)出前進或左轉(zhuǎn)彎等命令。機載計算機包含經(jīng)過優(yōu)化的機器人運動學及動力學模型，并控制著機器人的 180 部伺服電機。機器人重約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)
上海交通大學的研究人員面臨著以盡量低的成本在新機器人上提供高水平的速度、有效負載、耐用性及其他參數(shù)的挑戰(zhàn)。對于傳統(tǒng) 的機器人設計方法，例如采用方程或軟件對運動學及初級動力學進行建模，由于復雜動態(tài)效應的作用與日俱增，隨著機器人變得越 來越輕并且在更高負載下工作，這種方法逐 漸失效。設計師必須了解他們的設計方案能 夠承受多大的負載，在各種任務中的表現(xiàn)如何，以及施加到機器人各個關節(jié)上的作用力有多大，以便優(yōu)化設計并交付具有競爭力的產(chǎn)品。

解決/驗證
潘博士使用 Adams 多體動力學軟件創(chuàng)建了完整的機器人及其所執(zhí)行任務的工作樣機，例如攜帶重載或轉(zhuǎn)動閥門。潘博士采用SolidWorks 計算機輔助設計（CAD）軟件開發(fā)了針對機器人設計方案的幾何體，并編寫了Adams/View 命令語言腳本，將幾何體轉(zhuǎn)換成Adams 模型，例如添加關節(jié)、軸承及電機。潘博士表示：“Adams/View 命令語言在機器人參數(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器人設計，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。可將命令存儲在文件中并根據(jù)需要導入。
潘博士對許多候選的機器人并聯(lián)和串聯(lián)機構 進行了評估，其中包括 1UP、2UPS、3UPS 及3PRS。Adams 能夠在設計過程的最初階段，將設計概念作為一個整體系統(tǒng)來評估動態(tài)性能。與通過樣機實驗獲得同樣的信息相比，潘博士借助 Adams 在設計過程初期就能以更短的時間、更低的成本對眾多不同機器人設計方案的瞬態(tài)動態(tài)行為進行評估。他還可以加大機器人的速度和負載，同時確保機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果之后，潘博士嘗試了眾多不同的關節(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)。他對機器人執(zhí)行動作的各向同性能力進行了評估， 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載。他還使用仿真對設計方案中有可能導致機器人停止移動的特殊條件進行了評估。
在進行了大量的設計迭代之后，研究人員確定了可滿足其所有目標的設計。此時，該團隊以大約 100,000 元的成本對建造的樣機進行調(diào)試。
結果
上海交通大學的研究人員在大量條件下對樣機進行了測試，例如轉(zhuǎn)動閥門和開關、運送重達 500 千克的載荷，以評估其與預期任 務的符合情況。實物實驗表明，樣機的性能與 Adams 預測非常吻合。潘博士表示：“如果在建造樣機之前沒有使用 Adams 對設計進行優(yōu)化，我們或許還需要另外五臺樣機，每臺需要支付 100,000 元才能得到正確設計。借助 Adams，第一臺樣機就能完全按照預期工作，我們甚至無需進行任何改動。”

客戶簡介：

上海交通大學成立于 1896 年，由光緒皇帝簽發(fā)圣旨而創(chuàng)立，是中國歷史最悠久、最負盛名的重點大學之一。2015 年，上海交通大學在國家自然科學基金項目數(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機械工程系教授。他還是國家“973”項目“核電站緊急救災機器人的基礎科學問題”首席科學家、國家科學基金杰出青年學者獲得者以及機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室主任。他的科研團隊已取得 100 多項國內(nèi)專利。在過去 3 年里，該團隊共獲得超過 7500 萬元人民幣的研究基金。

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