面临的挑战：

上海交通大学的研究人员面临着以尽量低的成本在新机器人上提供高水平的速度、有效负载、耐用性及其他参数的挑战。对于传统 的机器人设计方法，例如采用方程或软件对运动学及初级动力学进行建模，由于复杂动态效应的作用与日俱增，随着机器人变得越 来越轻并且在更高负载下工作，这种方法逐 渐失效。设计师必须了解他们的设计方案能 够承受多大的负载，在各种任务中的表现如 何，以及施加到机器人各个关节上的作用力有多大，以便优化设计并交付具有竞争力的产品。

来自海克斯康的解决方案：

用户名称：上海交通大学
面临挑战：如何既能降低成本又能在新机器人上提供高水平的速度、有效负载、耐用性及其他参数的挑战
产品、解决方案名称：MSC Adams软件
实现效果：研究人员通过实物实验验证了样机的性能与Adams预测相吻合，第一台样机就能完全按照预期工作，降低了研发成本。

上海交通大学的研究人员，其中包括上海交通大学机械系统与振动国家实验室主任高峰博士以及上海交通大学博士后研究员潘阳博士，设计了章鱼 III 六腿机器人，可用于在核辐射、火灾及水下等极端环境中进行移动、搜索、探测、修理及救援。六腿章鱼 III 机器人可利用有腿机器人的非常规能力， 例如横动崎岖地形、克服障碍、进行垂直爬升以及翻倒后自动站立等。
与轮式机器人相比，由于有腿机器人需要更加复杂的机械原理和控制策略来保持平衡、方位、效率及速度，因此设计难度更大。章鱼 III 的六条腿分别有一个相同的驱动机构，每个机构由带有三个肢体的并联机构组成。每条腿都有一个串联有万向接头和棱柱形关节的 UP 肢体以及两个串联有万向接头、棱柱形关节及球节的 UPS 肢体。
机器人由一台运行在 Linux 操作系统上的机载计算机控制，能与运行 Windows 操作系统的远程计算机进行无线通信。可经由 Windows 计算机上的人机接口（HMI）向机器人发出前进或左转弯等命令。机载计算机包含经过优化的机器人运动学及动力学模型，并控制着机器人的 180 部伺服电机。机器人重约270kg，可攀爬20度的斜坡，并以1.09千米/小时的速度行走。

挑战
上海交通大学的研究人员面临着以尽量低的成本在新机器人上提供高水平的速度、有效负载、耐用性及其他参数的挑战。对于传统 的机器人设计方法，例如采用方程或软件对运动学及初级动力学进行建模，由于复杂动态效应的作用与日俱增，随着机器人变得越 来越轻并且在更高负载下工作，这种方法逐 渐失效。设计师必须了解他们的设计方案能 够承受多大的负载，在各种任务中的表现如何，以及施加到机器人各个关节上的作用力有多大，以便优化设计并交付具有竞争力的产品。

解决/验证
潘博士使用 Adams 多体动力学软件创建了完整的机器人及其所执行任务的工作样机，例如携带重载或转动阀门。潘博士采用SolidWorks 计算机辅助设计（CAD）软件开发了针对机器人设计方案的几何体，并编写了Adams/View 命令语言脚本，将几何体转换成Adams 模型，例如添加关节、轴承及电机。潘博士表示：“Adams/View 命令语言在机器人参数化建模方面表现良好，这是因为我可以通过编程创建单个文件来生成机器人设计，然后只需更改命令语言文件中的数字就可以生成新的设计变量。”
在 Adams/View 命令语言中，通过 Adams 接口执行的许多动作具有等效性。可将命令存储在文件中并根据需要导入。
潘博士对许多候选的机器人并联和串联机构 进行了评估，其中包括 1UP、2UPS、3UPS 及3PRS。Adams 能够在设计过程的最初阶段，将设计概念作为一个整体系统来评估动态性能。与通过样机实验获得同样的信息相比，潘博士借助 Adams 在设计过程初期就能以更短的时间、更低的成本对众多不同机器人设计方案的瞬态动态行为进行评估。他还可以加大机器人的速度和负载，同时确保机器人能够穿越各类不同的表面。
在确定章鱼 III 中所采用的 UP 和 UPS 组合所能得到最佳结果之后，潘博士尝试了众多不同的关节尺寸，这些工作只需更改 Adams/ View 命令语言脚本中的变量即可实现。他对机器人执行动作的各向同性能力进行了评估， 即能够以相同的速度、沿任何要求的方向移动给定的有效负载。他还使用仿真对设计方案中有可能导致机器人停止移动的特殊条件进行了评估。
在进行了大量的设计迭代之后，研究人员确定了可满足其所有目标的设计。此时，该团队以大约 100,000 元的成本对建造的样机进行调试。
结果
上海交通大学的研究人员在大量条件下对样机进行了测试，例如转动阀门和开关、运送重达 500 千克的载荷，以评估其与预期任 务的符合情况。实物实验表明，样机的性能与 Adams 预测非常吻合。潘博士表示：“如果在建造样机之前没有使用 Adams 对设计进行优化，我们或许还需要另外五台样机，每台需要支付 100,000 元才能得到正确设计。借助 Adams，第一台样机就能完全按照预期工作，我们甚至无需进行任何改动。”

客户简介：

上海交通大学成立于 1896 年，由光绪皇帝签发圣旨而创立，是中国历史最悠久、最负盛名的重点大学之一。2015 年，上海交通大学在国家自然科学基金项目数和经费数上连续六年全国第一。高峰博士是上海交通大学机械工程系教授。他还是国家“973”项目“核电站紧急救灾机器人的基础科学问题”首席科学家、国家科学基金杰出青年学者获得者以及机械系统与振动国家重点实验室主任。他的科研团队已取得 100 多项国内专利。在过去 3 年里，该团队共获得超过 7500 万元人民币的研究基金。

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