本文原刊登于Ansys Blog：《Productivity Within Arms’ Reach: Universal Robots Develops Collaborative Robot Arms Using Simulation》

作者：Vishnu Venkataraman | Ansys高級應(yīng)用工程師

各種各樣的機器人看起來都酷炫無比。事實上，有些機器人已經(jīng)非常先進，很難想象它們還會有更進一步的創(chuàng)新。但是，許多人形機器人還很笨重，隨著技術(shù)的進步和需求的增加，機器人制造商的任務(wù)是創(chuàng)建比這些“大塊頭前輩”更輕便、更緊湊、更強大的新一代機器人。

為了實現(xiàn)這一目標，總部位于丹麥的Universal Robots（UR）正在使用Ansys多物理場仿真來創(chuàng)建更小巧靈活的工業(yè)協(xié)作式機械臂（也被稱為協(xié)作式機器人）。這個系列的最新型號UR20是該公司的首款新一代協(xié)作式機器人，預(yù)計將在今年晚些時候上市。

為了創(chuàng)建高級模型，UR工程師集成了Ansys Mechanical有限元分析（FEA）工具、Ansys Motion多體動力學仿真工具以及Ansys nCode DesignLife耐久性和疲勞預(yù)測分析工具。當使用這些工具來打造有望推動工業(yè)設(shè)備變革的全新UR20時，UR不僅降低了成本，最大限度地減少了實物測試，而且還提高了生產(chǎn)力。

憑借1750毫米的作業(yè)距離和20千克的有效載荷能力，UR20可以處理更多的任務(wù)，適應(yīng)更多的應(yīng)用場景，并在更多前所未有的環(huán)境中肩負重任。其中一些任務(wù)包括碼垛、焊接、物料搬運、機器裝載和機器維護。

但是，是什么讓這款協(xié)作式機器人得以成為典型的“新一代”機器人呢？首先，UR20的每個關(guān)節(jié)的部件減少了50%。此外，這種更整潔的設(shè)計提高了可靠性，從而減少了定期檢修的需求和停工時間。

UR研發(fā)部硬件經(jīng)理Simon S?nderg?rd Taber及其團隊依靠Mechanical進行結(jié)構(gòu)分析以及參數(shù)、形狀（網(wǎng)格變形）和拓撲優(yōu)化。工程師使用Mechanical界面中的Motion進行多體動力學分析，例如系統(tǒng)運動性能、應(yīng)力-安全性、振動和疲勞分析。nCode也可以與Mechanical結(jié)合使用，幫助設(shè)計人員評估UR20的疲勞壽命。通過Mechanical的FEA仿真結(jié)果，nCode可以分析重復性載荷所造成的損壞，從而確定產(chǎn)品的預(yù)測壽命。

Taber表示：“我們大量使用了Ansys Mechanical、Ansys Motion和Ansys nCode等產(chǎn)品來優(yōu)化UR20的結(jié)構(gòu)組件。  通過結(jié)合使用這些產(chǎn)品，我們能夠執(zhí)行虛擬測試，最大限度地提高剛度和耐久性，同時消減冗余重量，從而幫助我們最大限度地提高協(xié)作式機器人的整體性能。“這種改進后的性能表現(xiàn)有助于我們的客戶實現(xiàn)更高吞吐量的目標。”

UR20最獨特的方面是它全新設(shè)計的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，與之前的UR型號都不同。例如，新的關(guān)節(jié)設(shè)計將所有關(guān)節(jié)的扭矩承載能力提高了約25%，關(guān)節(jié)速度提高了30%。在某些情況下，根據(jù)關(guān)節(jié)尺寸，關(guān)節(jié)速度最多可提高65%。因此，設(shè)計人員可以減少協(xié)作式機器人的重量。

Taber說他的座右銘是：“重量少一克，質(zhì)量多一分。”

“由于協(xié)作式機器人的機械臂必須提舉自身的重量，因此每一克都很重要。任何重量減輕都有助于我們提高性能或增加協(xié)作式機器人的有效載荷能力，”Taber說道，“這就是重量優(yōu)化對我們來說非常重要的原因。”

UR20規(guī)格

• 工作半徑：1750毫米/68.9英寸

• 有效載荷：20千克/44.1磅

• 占地面積/大小：直徑為245毫米

• 重量：64千克/141.1磅

團隊的目標是制造出一款盡可能既堅固又輕便的協(xié)作式機器人。減輕重量使協(xié)作式機器人更易于部署和重新部署，并提高其整體有效載荷能力。然而，減輕重量往往會降低產(chǎn)品的剛度。仿真則使UR能夠在重量和剛度之間保持最佳平衡。

Taber表示：“正因為如此，我們使用Ansys技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以最大限度地提高剛度、減輕重量并最大限度地提高性能，同時確保我們滿足所有的結(jié)構(gòu)要求，而這些工作都是在構(gòu)建物理原型之前就完成的。”

與采用帶有可拆卸蓋的開放式設(shè)計的UR其它型號不同，最新的關(guān)節(jié)設(shè)計采用增強型全封閉殼體以增加剛度此外，該團隊還在UR20中實施了運動控制功能，以便更好地監(jiān)控和管理有效載荷能力，從而確保安全性。

Taber表示：“UR20是Universal Robots的首款新一代工業(yè)協(xié)作式機器人。從支持新的主動減振功能的軟件，到能夠在封閉殼體內(nèi)提高速度和扭矩性能的關(guān)節(jié)動力總成系統(tǒng)，我們都進行了重新設(shè)計。我們把在制造和銷售50,000多個協(xié)作式機器人的過程中獲得的豐富經(jīng)驗和知識，全部應(yīng)用于創(chuàng)建UR有史以來最出色、最強大的協(xié)作式機器人。”

UR20是Universal Robot首款新一代機型，與早期機型相比，其零件減少了50 %，并且連接結(jié)構(gòu)更加耐用

協(xié)作式機器人和機器人是相對復雜且高度耦合的多物理場系統(tǒng)。因此，Taber表示，Ansys多物理場仿真是UR仿真功能的重要組成部分。

除了針對疲勞、剛度和重量優(yōu)化結(jié)構(gòu)組件之外，Ansys工具還使UR能夠了解模型之外的情況。

Taber表示：“僅基于單個物理場的仿真很難做出準確的系統(tǒng)級預(yù)測，正因為如此，我們相信Ansys多物理場仿真使我們能夠在開發(fā)流程中，比以前更早地對新設(shè)計開展系統(tǒng)級評估。

因此，我們將不必像現(xiàn)在這這種程度地依賴實物測試。這不僅可以減少搭建實物原型機的數(shù)量，更有趣的是，它可以使我們快速測試新設(shè)計，執(zhí)行虛擬測試，并創(chuàng)建更快的設(shè)計迭代。”

UR最早開始使用Ansys仿真是在2018年，當大多數(shù)制造商在COVID-19疫情期間面臨供應(yīng)鏈問題時，這項工作就變得更有價值。當制造商在收集用于構(gòu)建實物原型機的組件和材料方面遇到挑戰(zhàn)，虛擬設(shè)計提供了一個更簡單的替代方案。

如今，UR繼續(xù)在設(shè)計的所有階段大量應(yīng)用仿真技術(shù)。

Taber表示：“仿真已成為我們開發(fā)流程中日益重要的一部分，如今，我們每天都在使用Ansys產(chǎn)品進行設(shè)計評估、設(shè)計優(yōu)化、虛擬驗證和生成實物測試的輸入數(shù)據(jù)。我們在開發(fā)流程中使用“設(shè)計-構(gòu)建-測試-學習”循環(huán)，當然，在硬件開發(fā)和實物測試方面，這一循環(huán)可能非常昂貴且繁瑣。但是，通過虛擬測試和仿真功能，我們可以顯著加快這一循環(huán)步驟。”

這種來自仿真的持續(xù)洞察可幫助UR工程師設(shè)計更出色的協(xié)作式機器人，并減少后期階段出現(xiàn)通常成本非常高昂的設(shè)計失效。

通過使用仿真，UR減少了實物原型機的搭建，從而節(jié)省了時間、材料成本和運營成本。Taber還表示，仿真的真正價值在于它使UR能夠創(chuàng)造更出色的產(chǎn)品。例如，如果沒有仿真，產(chǎn)品開發(fā)可能會涉及多個實物原型機，但是，借助仿真，實物原型機數(shù)量可以得到顯著減少，有時甚至減少到僅需一個。通過消除實際產(chǎn)品的反復試錯嘗試和不必要的實物原型機搭建，該團隊可以騰出更多時間來專注于改進設(shè)計和產(chǎn)品。當有更多的時間用于完善原型，不僅設(shè)計的成功率會提高，產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性最終也將得到改善。

Taber表示：“仿真不僅幫助我們創(chuàng)建更出色的設(shè)計，而且為驗證性測試的改進和目標確立提供了寶貴的輸入。這其中包含許多顯而易見的優(yōu)勢，但對我們來說，最關(guān)鍵的是它使我們能夠獲得更好的洞察，并且最終獲得更出色的設(shè)計。”

UR20可以處理堆垛，焊接，材料搬運等任務(wù)

自動化和多物理場仿真正在影響第四次工業(yè)革命。這兩種技術(shù)都可以提高工業(yè)設(shè)備的效率、可靠性、耐久性和性能。協(xié)作式機器人有助于降低成本，節(jié)省能源并最大限度地減少浪費。因此，選擇協(xié)作式機器人（就像選擇仿真一樣）也可以幫助客戶減少碳排放。

除了已經(jīng)采用的Mechanical、Motion和nCode之外，UR團隊還通過在線Ansys學習中心獲得了其它支持，并已經(jīng)開始探索Ansys optiSLang、Ansys HPC解決方案和Ansys Twin Builder，以用于開展未來的項目。

Taber表示：“重要的一點是，我們的仿真合作伙伴不僅要滿足我們在相關(guān)物理場仿真方面的需求，而且還要滿足在系統(tǒng)層面上的多物理場相互作用和耦合的需求。正因為如此，Ansys一直是我們的出色合作伙伴，它為我們提供了大量的多物理場仿真工具，而且更重要的是，多年來在Ansys優(yōu)秀的工程師和開發(fā)人員的幫助下，我們獲得了巨大的支持和協(xié)作.正是得益于他們的幫助，我們才能夠?qū)崿F(xiàn)仿真目標。”

第一批UR20協(xié)作式機器人預(yù)計將于2023年第二季度發(fā)貨

UR20備受行業(yè)贊譽，并且榮獲了2022年IDEA機器人類別的大獎和2022年LEAP工業(yè)自動化類別的大獎。第一批UR20協(xié)作式機器人預(yù)計將于2023年第二季度發(fā)貨。由于預(yù)計會出現(xiàn)高需求量，各個客戶的交付日期可能會有所不同。

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