本文主要是介绍基于Simdroid的三自由度台式乒乓球机械臂仿真分析,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
一、作品概述
1.1 项目背景
随着机器人技术的快速发展,基于机器人技术的应用场景不断扩大。对于机器人进行力学仿真分析,需要运用复杂的分析算法和计算机建模软件,使得机器人的研发成本和周期都比较高。
1.1.1 机器人击打乒乓球
机器人击打乒乓球需要考虑到机器人的运动轨迹、力度、球的轨迹和角度等因素。在此背景下,我们可以使用动力学仿真对机器人的动作进行分析和优化。通过仿真,我们可以确定机器人的运动控制策略,从而实现更精确的击打动作。
1.1.2机器人仿真的优势
通过对机器人进行仿真,我们可以更好的理解机器人的运动状态,并优化其运动轨迹。这将有助于提高机器人的性能和效率,并降低其在实际应用中的风险。
1.2 解决的主要问题/主要应用场景
本项目主要探讨基于多体仿真与设计的机器人动力学仿真。具体地,利用国产软件Simdroid的分析算法,对机器人的各机构的运动学和动力学环境进行建模和分析,并利用数值模拟技术,对其受力情况、运动状态进行模拟分析,最终得到机器人的力学特性和性能指标,为机器人的设计、制造和控制提供可靠的理论支持。
1.2.1解决的主要问题
机器人运动状态的精准预测:利用仿真模型,我们可以预测机器人的运动状态,这在很多场景下是非常必要的。
机器人运动能力的开发:通过动力学仿真,我们可以可开发和优化机器人的运动能力,例如,机器人上台阶、进行乒乓球击打的动作等。
机器人的结构优化:机器人的结构和动力学参数之间的关系是复杂的。通过动力学仿真,我们可以找到最佳的机器人结构,以实现最优的动力学性能。
机器人的运动控制策略:机器人仿真可以帮助我们设计机器人的运动控制策略,例如上台阶的控制函数。
1.2.2主要应用场景
机器人的设计和开发:机器人的动力学仿真子啊机器人的设计和开发阶段是非常重要的。通过动力学仿真,我们可以预测机器人的运动状态,优化机器人的结构和控制策略。
机器人的运动性能测试:动力学仿真可以帮助我们评估机器人的运动性能,例如,机器人上台阶、打乒乓球的能力。
机器人的故障诊断和修复:动力学仿真可以帮助我们诊断机器人的故障,例如,机器人的运动控制异常等。
机器人的安全性评估:动力学仿真可以帮助我们评估机器人的安全性,例如机器人上台阶是否会跌倒,机器人打乒乓球的时候是否会损伤周围的人、物理环境等。
1.3 核心优势
国产自主可控:本项目采用国产软件Simdroid进行开发,降低机器人开发成本和周期的同时,保障了一定的安全可靠性。具体地,通过利用国产软件Simdroid的分析算法,对机器人各关节的运动学和动力学环境进行模拟、建模,并利用数值模拟技术,对其受力情况进行分析,最终得到机器人的力学相关特性和性能指标,为机器人的设计、制造和控制提供可靠的理论支持。
技术精度高:机器人动力学仿真项目可以精确模拟机器人的动力学特征,包括位置、速度、加速度等,有助于理解和优化机器人的设计和行为。
优化控制策略:通过仿真,可以研究和优化控制算法,以实现更加高效和准确的机器人控制。
安全性:机器人动力力学仿真项目可以帮助开发者预测和解决潜在的安全隐患,确保机器人在实际使用中的安全性。
灵活性:机器人动力学仿真项目允许开发者设计和测试各种复杂的机器人运动方案,用户可以轻松地修改和调整机器人的参数和模型,以满足不同应用场景的需求。
用户友好:机器人动力学仿真项目可以生成直观的仿真结果,以帮助用户更好地理解机器人的运动和性能,从而更好地指导实际应用。
二、解决方案
2.1 平台介绍
Simdroid 是北京云道智造科技有限公司自主研发的通用多物理场仿真平台,具备自主可控的隐式结构、显式动力学、流体、热、低频电磁、高频电磁、多体动力学等通用求解器,支持多物理场耦合仿真。在统一友好的环境中为仿真工作者提供前处理、求解分析和后处理工具。同时,作为仿真PaaS平台,其内置的APP开发器支持用户以无代码化的方式便捷封装全参数化仿真模型及仿真流程,将仿真知识、专家经验转化为可复用的仿真APP。
Simdroid具有自主可控,开发便捷,方便易用等特点。软件内核自助可控,具有多种通用求解器,支持多物理场耦合仿真。统一接口和数据结构,便于组件扩展和平台升级;开发者无需掌握任何编辑语言,只需通过图形化交互界面即可便捷完成仿真工作和仿真APP开发;使用者无需掌握复杂的仿真技术,只需通过下载运行仿真APP,即可获得专业的仿真结果。
Simdroid平台包括以下功能模块。
网络剖分模块。具有多种剖分功能与网格控制方法,满足不同模型的网格生成需求。
隐式结构分析模块。具有丰富的单元类型及材料本构模型、灵活的连接装配方式、多种载荷约束施加方式以及静/动力、线性/非线性有限元求解器,能够满足绝大多数工程结构分析的需求。
显式动力学分析模块、多体动力学分析模块。具备实体、壳、杆/梁的三维模型结构分析功能,可以求解高度非线性问题,包括几何、接触、材料等非线性因素。求解器支持Lagrange算法,可用于结构/装配体碰撞、电子产品跌落等应用场景。具备仿真结果的实时显示和强大的后处理功能。
低频、高频电磁分析模块。具有完备的低频电磁求解功能。具备丰富的有限元单元类型,可以进行二维、三维和轴对称电磁模型的高效求解。能够处理线性和非线性、各向同性和各向异性的材料本构关系,支持各种常用的激励、边界条件和后处理计算功能。
流体分析模块、热分析模块。基于有限体积法求解Navier-Stokes方程,采用任意多面体网格,提供多种空间/时间离散格式、丰富的边界条件类型、多种湍流模式,可以进行瞬态/稳态、RANS/LES、单相/多相等流动模拟,提供了模拟流动以及其他相关物理现象的流体动力学完整解决方案。能够求解二维/三维结构的稳态和瞬态温度场分布情况。
多物理场耦合分析模块。具有强耦合、弱耦合、顺序耦合、双向耦合等不同耦合方式,支持不同类型多物理场耦合问题的分析求解。
本项目就是基于国产软件Simdroid的基础上,对机器人各个关节的运动及其受力情况进行微分仿真计算,最后通过简单的交互界面,直观的通过云图显示出机器人各个关节的受力云图等。
2.2 方案设计
方案通过模型搭建、网格剖分、仿真分析计算几个环节进行。
模型搭建。根据项目需求,搭建机器人的三维模型。由于机器人结构较为复杂,本项目中采用传统的机器人模型进行搭建,部分方案为简化计算成本,采用了简化后的模型。
网格剖分。用户可以自行选择网格最大、最小尺寸,单元类型Tet10,直边单元选择是。通过软件内置算法选择优化、近边加密。
仿真分析计算。创建仿真分析,仿真分析对象及步骤可见APP模型介绍板块,通过软件内置算法进行求解计算,生成位移云图、位移等值线、Mises应力云图等图表信息,得到机器人的力学特性和性能指标。
实施和优化:根据实验结果和数据分析,逐步优化仿真模型和网格剖分、仿真分析计算,以获得更准确的仿真结果和更具有实际应用价值的数据。
评估和应用:根据实验结果和数据分析,评估仿真模型的有效性和实用性,同时探索机器人在各种应用场景下的应用潜力,为相关研究和应用提供参考。
2.2.1技术创新性
机器人的仿真是一个复杂的课题。本解决方案利用Simdroid平台进行机器人的力学分析,相对于传统的计算机建模软件,保证了模型安全可控,节约机器人研发时间和成本,提高研发效率。本项目技术创新性主要体现为以下几点。
机器人的高度仿真。机器人的动作、姿态、运动轨迹等特征都非常复杂,因此对于其力学仿真的要求也非常高。在本项目中,团队利用Simdroid平台的强大仿真能力,对机器人进行高度仿真。
机器人的多体仿真与设计。机器人的多关节运动非常复杂,需要进行高精度的运动控制。团队在Simdroid中设置机器人的多个关节,通过仿真来直观的了解机器人的受力情况。本项目提供了“三自由度台式乒乓球机器人解决方案、可变行星上下楼梯机构解决方案、机器人四肢解决方案“等三个方面,从机器人的应用场景和机器人本体出发,提供了多样化的解决方案。
创新机器人的材料和结构设计。团队通过Simdroid中的材料库使用不同的新型材料和结构设计,探索如何提高机器人的强度、耐久性和灵活性。
优化仿真模型。团队根据实际仿真受力情况对机器人的仿真模型进行优化和改进,进一步提高仿真的准确性和精度。
实现可视化模拟。本项目中,通过可视化模拟技术,可以让用户更直观地了解机器人的运动和控制,从而更好地掌握其工作原理和运作方式。团队利用Simdroid平台的可视化模拟技术,实现机器人受力的多种云图、等值线、图表进行展示。
2.2.2技术复杂性
机器人建模:对于机器人的建模,需要考虑到其复杂的运动学和动力学特性,以及其各个关节的位姿关系。特别地,对于机器人而言,机器人的身体、头部等的模型参数,以近乎达到人体比例或者商用机器人的体格比例,以及各个关节的运动限制和连动关系;对于机械臂类的机器人而言,团队需要考虑到机械臂的旋转速度及其对应的旋转矩阵、刚体的加速度、轨迹规划等内容。这些需要设计研发团队对机器人的设计和结构有深入的了解,并运用相应的数学知识进行建模。
基于Simdroid进行多体数值模拟仿真:项目基于不同的应用场景进行开发,需要模拟外部世家力或者力矩的影响。例如,对于机器人力学的仿真研究,其中主要的就是外部受力,比如机器人搬运货物,家用机器人手拿拖把打扰卫生等等,外部都给与机器人一定方向一定大小的力或者力矩,这时候就需要通过认为给与机器人力从而模拟机器人在现实世界中收到的外部给与的力或者力矩。这个时候我们施加给机器人的力或者力矩就非常困难,哪怕一点点的偏差结果都是天差地别的,所以对于外部施加力或者力矩时会是十分困难的。相较于单体仿真,多体仿真的联动性、坐标矩阵的变化,是其中的难点。
仿真数据分析和优化:在完成仿真模拟后,得到的数据可能不是团队预测的数据,这时候就需要对仿真数据进行分析和优化,包括关节参数的更改,模型大小尺寸的改动,甚至各个关节的配合,某些肢体部分的固定或者连动性关系等等都需要进行优化,这个过程是及其复杂的。
综上所述,机器人力学仿真项目的技术复杂性较高,需要涉及很多的知识和技能,需要高度的团队合作和创新能力,同时还需要对各种技术问题和风险进行全面的评估和规划,以确保项目的顺利实施。
2.3 方案功能
为了深入理解乒乓球的运动规律,提高机器人接打乒乓球的性能,团队基于国产Simdroid软件,提出三自由度台式乒乓球机器人解决方案。本方案主要提供三自由度乒乓球机器人的三维建模、材料选择、网格剖分、仿真分析。
具体来说,根据实际场景,搭建台式乒乓球机器人的三维模型。虽然六自由度的机械臂具有更高的应用空间,但对于乒乓球击打场景,三自由度的机械臂足以完成动作需要。利用Simdroid进行网格剖分,基于平台内置的网格剖分模块,由于三自由度的机器人具有一定的复杂度,团队对于模型进行单体剖分;仿真计算,基于实际应用场景,设置机械臂第二关节、第三关节转动情况,对机械臂击打乒乓球时的情况进行力学分析;仿真计算,通过软件研发的分析算法和计算模型,对机器人进行通用静力分析计算,得出机器人的力学特性性能质保。最后,设计开发用户APP,将模型进行进一步分析展示。
本解决方案,为相关台式机器人的设计、优化和验证提供了全面的仿真技术支持,团队致力于通过不断的研究与实践,推动乒乓球机器人技术的不断发展,以实现更加智能化的乒乓球机器人。
综上,该解决方案的具体功能主要包括对机器人进行系统建模和建立动力学方程,以及利用国产软件Simdroid进行数值模拟能力分析,最后实现机器人的运动控制和动作规划等功能,以提高机器人的性能和执行效率,缩减研发时间和成本。
三、作品展示
四、应用前景
机器人具有丰富的应用前景。对机器人进行力学仿真有助于了解机器人的力学特性、缩减研发周期和成本,具有广泛的应用场景和推广价值。
总体来看,目前国内机器人行业在快速发展,机器人的应用领域越来越广泛,如在工业制造、服务业、医疗、教育等领域都有着广阔的应用前景。具体来说,在工业制造领域,机器人技术被广泛应用于生产线上的物料搬运、装配、焊接、涂装等工作。随着智能制造、工业互联网的发展,对于机器人的需求将不断增加,机器人力学仿真技术可以为机器人的开发和应用提供更好的支持;在物流领域,机器人技术被广泛应用于仓库内部的物料搬运和库存管理等工作。随着电商、物流业务的不断扩张,对于物流效率和效益的要求也越来越高,机器人力学仿真技术可以优化物流系统的规划和运营;在医疗领域,机器人技术被广泛应用于手术、康复、护理等工作。随着老龄化和健康意识的提升,对于医疗服务的需求将不断增加,机器人力学仿真技术可以提高医疗机器人的应用水平和效率;在服务领域,机器人在服务机器人领域的应用越来越广泛,例如在酒店、餐厅、医院等场景中,可以作为接待员、导游、护士等角色来为人类服务。通过仿真,可以为服务机器人的研发提供支持,通过仿真实验验证机器人的运动控制,提高机器人的操作精度和安全性,提高用户的满意度;在救援领域,机器人在救援机器人领域的应用也非常重要,例如在自然灾害、核辐射等环境下,可以作为救援人员的替代品。机器人力学仿真项目可以为救援机器人的研发提供支持,通过仿真实验验证机器人的运动和力量控制,提高机器人的稳定性和适应性,提高救援效率和安全性;在娱乐领域,机器人在娱乐机器人领域的应用也很受欢迎,例如在电影、电视剧、游戏等中出现。机器人力学仿真项目可以为娱乐机器人的研发提供支持,通过仿真实验验证机器人的动作和表情控制,提高机器人的可玩性和趣味性。
具体来看,项目提供的”三自由度台式乒乓球机器人解决方案、可变行星上下楼梯机构解决方案、机器人四肢解决方案”从三个应用场景出发。其中,“三自由度台式乒乓球机器人解决方案”,提供了一种三自由度的机器人,相较于六自由度的机器人,三自由度的机器人能够适配击打乒乓球的场景。台式机器人,相较于大型机器人,更加的轻便小巧。
机器人领域的研发过程十分复杂、研发时间较长,需要考虑到机械、电子、控制等多个领域的知识。机器人作为机器人技术中的一项关键技术,具有良好的市场前景和发展潜力,复杂度更高。以本作品为代表的机器人力学仿真分析,可以为机器人的研发提供较为全面的机械方面的解决方案,包括机器人模型的建立、仿真优化、交互式研发设计探索等,可以大大缩短研发周期、降低研发成本、提高研发效率。
具体来讲,可以优化以下几个方面。
提高机器人运动控制精度。机器人的动作控制需要非常高的精度,否则机器人的操作效果和安全性都会受到影响。通过仿真,可以模拟机器人在不同环境下的运动状态,验证机器人的运动控制,从而提高机器人的运动精度和稳定性。
优化机器人运动路径规划。机器人的运动路径规划也非常重要,特别是在复杂环境中,需要避免障碍物和优化运动路径。机器人力学仿真项目可以通过仿真实验验证机器人的路径规划算法,从而优化机器人的运动路径,提高机器人的工作效率和安全性。
降低机器人研发成本。机器人的研发成本非常高,主要包括硬件和软件两个方面。可以通过模拟机器人的运动状态和算法效果,降低机器人硬件研发的成本和风险。
加速机器人研发进程。机器人的研发周期比较长,需要进行大量的实验和验证。通过仿真,可以加速机器人研发的进程,提高研发效率和准确性。
提高机器人操作安全性。机器人在进行复杂操作时需要非常高的操作安全性,避免机器人对人类造成伤害。通过仿真,可以模拟机器人在不同环境下的操作情况,验证机器人的安全性设计,并提供优化建议,从而提高机器人的操作安全性。
此外,机器人的力学仿真作品还可以为其他拓扑结构的机器人研发和应用提供借鉴和参考,例如工业机器人、无人机等。除了适用性广外,本作品易用性高,通过Simdroid开发设计APP,用户无需重复进行建模、调节环境参数,只用简单调节几个参数,即可完成模型建立、环境建模、网格剖分、仿真分析的环节,门槛较低。
从商业模式来看,本项目主要可以通过软件销售、定制服务、仿真咨询、培训服务、技术转让、合作开发等方式进行盈利。具体地,可以通过将APP上架到指定的商场,销售APP软件以获得收入、根据客户的需求,提供定制化的仿真落地服务、为客户提供仿真咨询服务,帮助客户解决实际问题、提供Simdroid的培训服务,帮助客户掌握仿真技术、与Simdroid企业进行合作,共同开发、优化新的仿真技术和产品。
随着科技的不断进步和人工智能的发展,机器人的应用前景将会愈发广阔,机器人的力学仿真也将会在未来发展中扮演愈发重要的角色。
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