工程仿真技術是機器人研究領域中的一個重要部分。隨著機器人研究的不斷深入和機器人領域的不斷發展，機器人仿真系統作為機器人設計和研究過程中安全可靠、靈活方便的工具，發揮著越來越重要的作用。通過仿真試驗來研究機器人的各種性能和特點，已經是機器人理論研究必備方法之一。同時，仿真試驗結果也為制造機器人提供了有效的參考依據。

目前國內對機器人仿真的研究基本上還處于探索階段，大部分研究都依附于已有的軟件而進行的二次開發。優飛迪依托國際領先的工程仿真軟件以及強大的技術服務能力與豐富的機器人行業服務經驗，基于“仿真驅動設計”的新研發模式，針對各種仿真需求，創造性的提出機器人行業仿真設計解決方案，以解決目前機器人行業存在的三大痛點問題： 找不到適合本企業和工程師團隊的工程仿真軟件、仿真精度難以滿足本企業的需求、求解速度難以滿足本企業的需求。

 

一 行業概述

機器人行業涉及的研發問題眾多，從物理學的角度來講，機器人研發涉及的學科領域如下圖所示：

通過仿真可以在設計前期發現產品問題，并提供改進方向。整體來說，機器人行業的主要CAE問題包括：

1、結構強度、剛度分析

結構強度、剛度是機器人產品的基本要求。分析內容包括：

• 零部件和整機產品的強度、剛度
• 部件和整機裝配連接分析（螺栓連接和預緊、裝配應力，接觸應力）

2、結構動特性分析

結構動特性是影響工業機器人產品性能的一個重要指標。工作條件下工作頻率是否遠離 系統的固有頻率，是否發生共振。 機器人產品的動特性分析包括：

• 零部件和整機的模態分析
• 工作過程的的瞬態響應分析
• 零部件動特性匹配：頻率響應分析
• 接合面動剛度、阻尼特性

3、結構優化分析

優化產品結構是降低產品成本、提高產品性能的有效方法。對于機器人產品，可以進行的優化有：

• 滿足設計要求的材料參數優化
• 節省材料的構架結構截面尺寸優化
• 零部件最優結構形式的拓撲形狀優化
• 滿足強度、模態、動響應等多學科要求的多學科優化

4、疲勞壽命分析及優化

準確預測和合理設計零部件的疲勞壽命對于預防事故、降低產品成本和提升產品質量具有十分重要的意義。機器人產品的疲勞分析及優化包括：

• 疲勞載荷譜的編制
• 零部件和整機的疲勞強度計算
• 零部件和整機的疲勞壽命預測
• 疲勞靈敏度分析及優化

5、機構運動特性分析及優化

機器人產品的工作功能是通過機構運動來實現的，因此對其進行機構運動特性分析和優化 是檢驗產品性能，優化產品設計的有效方法。 通過建立機器人產品的功能化數字樣機，可 以對機器人產品進行如下分析：

• 整機運動協調性
• 零部件運動軌跡、工作范圍
• 工作過程零部件受力分析
• 定位精度、工作精度分析
• 剛彈耦合分析，工作過程中關鍵部件變形、精度影響分析
• 機構設計方案比較和參數優化

6、控制系統特性分析及優化

液壓系統和氣動系統是機器人產品主要的運動控制系統，直接控制著機器人產品的運動。控制系統的性能直接影響機器人的工作性能。控制系統特性分析和優化包括：

• 液壓/機構的耦合作用對整機的影響
• 執行機構的受控運動和對電液系統的反饋
• 液壓系統動力源、管路的能量損失和壓力波動
• 閥和執行環節的動態響應
• 液壓油特性和流動狀態的變化，液壓油溫度變化
• 部件參數對整體系統性能的影響

7、多學科耦合分析

機器人是集成結構、液壓、電氣、控制、運動等多學科耦合的機電液一體化復雜產品。其中結構、機構運動、液壓控制等具有較強的交互作用，需要對其進行多學科耦合分析。包括：

• 剛-彈耦合分析
• 運動-控制聯合分析，運動系統和控制系統的耦合
• 結構-運動-疲勞一體化分析

 

二 解決方案

機器人行業工程仿真在機器人的各個研發階段得到了廣泛的應用，其中7大關鍵技術是機器人研發成敗的關鍵：（1）柔性系統動力學仿真MBD-FEA；（2）耦合仿真MBD-Nonlinear；（3）控制系統集成Mechatronics；（4）晃動效應及齒輪噪聲預測；（5）振動分析；（6）試驗設計與優化DOE/ Optimization；（7）一體化的疲勞壽命預測工具MSCFatigue。

1、柔性系統動力學仿真MBD-FEA

柔性系統動力學仿真

包含部件柔性，從任意的有限元分析軟件獲得部件的柔性信息。

• Nastran
• Marc
• Abaqus
• Ansys

好處：

• 捕捉部件的變形
• 計算精度更高的機器人手臂軌跡
• 包含線性和非線性柔性

2、耦合仿真MBD-Nonlinear

3、控制系統集成Mechatronics

控制系統集成仿真

同時模擬和理解機械系統與控制系統的操作。

好處：

• 研究控制（電子、液壓和氣動）與機械系統的相互作用
• 系統仿真的更高保真度
• 可以模擬所有的非線性因素，包括柔性和碰撞
• 與控制系統模型無縫集成
• MATLAB/Simulink
• Easy5
• FMI支持的軟件

4、晃動效應及齒輪噪聲預測

解決哪些問題？

• 研究齒輪間隙的影響
• 齒輪副之間的接觸力預測
• 研究齒輪摩擦的影響
• 評估和降低齒輪的聲響

△ 齒隙引起的晃動效應

齒輪嚙合傳動時，為了在嚙合齒廓之間形成潤滑油膜，避免因輪齒摩檫發熱膨脹而卡死，齒廓之間必須留有間隙，此間隙稱為齒側間隙，簡稱側隙。齒側間隙的存在會產生齒間沖擊，影響齒輪傳動的平穩性。

△ 齒輪箱輻射噪聲預測

5、振動分析

振動分析

解決哪些問題？

• 輕量化機器人可能會改變其固有特性
• 驗證工作頻率是否遠離固有頻率，避免共振
• 部件越輕，柔度越大，可能會看到更多的振動現象
• 工藝機器人，刀具和工件之間存在較強的相互作用，可能引起過大的熱和振動問題

執行系統級的振動分析

• 正則模態分析
• 頻率響應分析

好處：

• 使用同一個模型
• 減少重復勞動
• 節約時間
• 相比時域法，頻域法分析速度更快

6、試驗設計與優化DOE / Optimization

試驗設計與優化DOE

運用Adams/Insight優化設計。

• 調整設計變量，最大限度提高性能指標
• 設置不同設計變量的變化范圍
• 添加一般運動副，以保持整體范圍內的優化設計

好處：

• 自動生成試驗設計的網頁或Excel表格形式的仿真結果
• 降低成本，并從模型中獲得設計信心

7、一體化的疲勞壽命預測工具MSC Fatigue

機器人典型的疲勞計算是使用動態響應和模態迭加來進行的，流程如上圖所示。首先對彈性組件（機械臂）進行網格劃分，然后應用模態衰減技術來獲取組件模態彈性和組件模態應力，系統運動過程分析中會結合使用縮減的彈性模型，且為每一事件進行完整的瞬態分析，系統運動分析之后會立刻進行疲勞計算，這種流程解決問題效率非常高。

 

三 應用案例

1、FANUC

FANUC仿真

2、ABB

ABB仿真

它們為各種客戶提供服務，每個客戶對生產線機器人有不同的要求。經驗證的Adams模型為現場工程師提供了通過所需操作運行模型來確認這些自定義配置的能力，以確定功能成功和扭矩需求等重要指標。Adams模型還用于改進控制器開發，以便在進入物理試驗之前對它們進行更正確的調整，從而可以避免昂貴的下游迭代循環。

3、南特通信與控制研究院（IRCCyN）

研究人員通過Adams搭建視覺機器人模型，并與Matlab/Simulink進行聯合仿真分析，可以精確預測機器人的位置方位，同時模型在驗證理論過程中至關重要，避免了用復雜的方程式預測并聯機器人的動力學特性。

4、Italian Institute of Technology（意大利技術研究所）

采用MSC Adams和Nastran搭建爬行機器人虛擬模型進行研究，比傳統分析方法節約了80%的時間，且剛柔耦合模型仿真分析的位移、力與實際測試高度吻合。經過驗證的機器人模型便于研究機器人復雜工況的運動性能。

5、Pipetronix

使用Adams建立了油管管路探測機器人模型，通過在油管中進行運動分析，及早在設計階段發現問題，減少產品卡在油管中的概率，最終樣機完成了超過800公里的油管探測任務，確保了機構運作安全且可靠。

6、多學科仿真流程

多學科仿真流程

1) 從CAD導入幾何

2) 執行瞬態動力學仿真以進行載荷預測

3) 集成部件柔性

4) 振動分析以避免共振

5) 多體動力學-控制系統集成以評估控制算法

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