工程仿真技术是机器人研究领域中的一个重要部分。随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。通过仿真试验来研究机器人的各种性能和特点，已经是机器人理论研究必备方法之一。同时，仿真试验结果也为制造机器人提供了有效的参考依据。

目前国内对机器人仿真的研究基本上还处于探索阶段，大部分研究都依附于已有的软件而进行的二次开发。优飞迪依托国际领先的工程仿真软件以及强大的技术服务能力与丰富的机器人行业服务经验，基于“仿真驱动设计”的新研发模式，针对各种仿真需求，创造性的提出机器人行业仿真设计解决方案，以解决目前机器人行业存在的三大痛点问题：

找不到适合本企业和工程师团队的工程仿真软件、仿真精度难以满足本企业的需求、求解速度难以满足本企业的需求。

一 行业概述

机器人行业涉及的研发问题众多，从物理学的角度来讲，机器人研发涉及的学科领域如下图所示：

通过仿真可以在设计前期发现产品问题，并提供改进方向。整体来说，机器人行业的主要CAE问题包括：

1、结构强度、刚度分析

结构强度、刚度是机器人产品的基本要求。分析内容包括：

2、结构动特性分析

结构动特性是影响工业机器人产品性能的一个重要指标。工作条件下工作频率是否远离

系统的固有频率，是否发生共振。

机器人产品的动特性分析包括：

3、结构优化分析

优化产品结构是降低产品成本、提高产品性能的有效方法。对于机器人产品，可以进行的优化有：

4、及优化

准确预测和合理设计零部件的疲劳寿命对于预防事故、降低产品成本和提升产品质量具有十分重要的意义。机器人产品的疲劳分析及优化包括：

5、机构运动特性分析及优化

机器人产品的工作功能是通过机构运动来实现的，因此对其进行机构运动特性分析和优化

是检验产品性能，优化产品设计的有效方法。

通过建立机器人产品的功能化数字样机，可

以对机器人产品进行如下分析：

6、控制系统特性分析及优化

液压系统和气动系统是机器人产品主要的运动控制系统，直接控制着机器人产品的运动。控制系统的性能直接影响机器人的工作性能。控制系统特性分析和优化包括：

7、多学科耦合分析

机器人是集成结构、液压、电气、控制、运动等多学科耦合的机电液一体化复杂产品。其中结构、机构运动、液压控制等具有较强的交互作用，需要对其进行多学科耦合分析。包括：

二 解决方案

机器人行业工程仿真在机器人的各个研发阶段得到了广泛的应用，其中7大关键技术是机器人研发成败的关键：（1）柔性系统动力学仿真MBD-FEA；（2）耦合仿真MBD-Nonlinear；（3）控制系统集成Mechatronics；（4）晃动效应及齿轮噪声预测；（5）；（6）试验设计与优化DOE/ Optimization；（7）一体化的疲劳寿命预测工具MSCFatigue。

1、柔性系统动力学仿真MBD-FEA

柔性系统动力学仿真

包含部件柔性，从任意的有限元分析软件获得部件的柔性信息。

好处：

2、耦合仿真MBD-Nonlinear

3、控制系统集成Mechatronics

控制系统集成仿真

同时模拟和理解机械系统与控制系统的操作。

好处：

4、晃动效应及齿轮噪声预测

解决哪些问题？

△ 齿隙引起的晃动效应

齿轮啮合传动时，为了在啮合齿廓之间形成润滑油膜，避免因轮齿摩檫发热膨胀而卡死，齿廓之间必须留有间隙，此间隙称为齿侧间隙，简称侧隙。齿侧间隙的存在会产生齿间冲击，影响齿轮传动的平稳性。

△ 齿轮箱辐射噪声预测

5、振动分析

振动分析

解决哪些问题？

执行系统级的振动分析

好处：

6、试验设计与优化DOE / Optimization

试验设计与优化DOE

运用Adams/Insight优化设计。

好处：

7、一体化的疲劳寿命预测工具MSC Fatigue

机器人典型的疲劳计算是使用动态响应和模态迭加来进行的，流程如上图所示。首先对弹性组件（机械臂）进行网格划分，然后应用模态衰减技术来获取组件模态弹性和组件模态应力，系统运动过程分析中会结合使用缩减的弹性模型，且为每一事件进行完整的瞬态分析，系统运动分析之后会立刻进行疲劳计算，这种流程解决问题效率非常高。

三 应用案例

1、FANUC

FANUC仿真

2、ABB

ABB仿真

它们为各种客户提供服务，每个客户对生产线机器人有不同的要求。经验证的Adams模型为现场工程师提供了通过所需操作运行模型来确认这些自定义配置的能力，以确定功能成功和扭矩需求等重要指标。Adams模型还用于改进控制器开发，以便在进入物理试验之前对它们进行更正确的调整，从而可以避免昂贵的下游迭代循环。

3、南特通信与控制研究院（IRCCyN）

研究人员通过Adams搭建视觉机器人模型，并与Matlab/Simulink进行联合仿真分析，可以精确预测机器人的位置方位，同时模型在验证理论过程中至关重要，避免了用复杂的方程式预测并联机器人的动力学特性。

4、Italian Institute of Technology（意大利技术研究所）

采用MSC Adams和Nastran搭建爬行机器人虚拟模型进行研究，比传统分析方法节约了80%的时间，且分析的位移、力与实际测试高度吻合。经过验证的机器人模型便于研究机器人复杂工况的运动性能。

5、Pipetronix

使用Adams建立了油管管路探测机器人模型，通过在油管中进行运动分析，及早在设计阶段发现问题，减少产品卡在油管中的概率，最终样机完成了超过800公里的油管探测任务，确保了机构运作安全且可靠。

6、多学科仿真流程

多学科仿真流程

1) 从CAD导入几何

2) 执行瞬态动力学仿真以进行载荷预测

3) 集成部件柔性

4) 振动分析以避免共振

5) 多体动力学-控制系统集成以评估控制算法 AC米兰直播

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