多物理场仿真 | Universal Robots开发协作式机械臂助力未来工业设备

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高级应用工程师

各种各样的机器人看起来都酷炫无比。事实上，有些机器人已经非常先进，很难想象它们还会有更进一步的创新。但是，许多人形机器人还很笨重，随着技术的进步和需求的增加，机器人制造商的任务是创建比这些“大块头前辈”更轻便、更紧凑、更强大的新一代机器人。

为了实现这一目标，总部位于丹麦的Universal Robots（UR）正在使用Ansys多物理场仿真来创建更小巧灵活的工业协作式机械臂（也被称为协作式机器人）。这个系列的最新型号UR20是该公司的首款新一代协作式机器人，预计将在今年晚些时候上市。

为了创建高级模型，UR工程师集成了Ansys Mechanical有限元分析（FEA）工具、Ansys Motion多体动力学仿真工具以及Ansys nCode DesignLife耐久性和疲劳预测分析工具。当使用这些工具来打造有望推动工业设备变革的全新UR20时，UR不仅降低了成本，最大限度地减少了实物测试，而且还提高了生产力。

凭借1750毫米的作业距离和20千克的有效载荷能力，UR20可以处理更多的任务，适应更多的应用场景，并在更多前所未有的环境中肩负重任。其中一些任务包括码垛、焊接、物料搬运、机器装载和机器维护。

但是，是什么让这款协作式机器人得以成为典型的“新一代”机器人呢？首先，UR20的每个关节的部件减少了50%。此外，这种更整洁的设计提高了可靠性，从而减少了定期检修的需求和停工时间。

UR研发部硬件经理Simon Søndergård Taber及其团队依靠Mechanical进行结构分析以及参数、形状（网格变形）和拓扑优化。工程师使用Mechanical界面中的Motion进行多体动力学分析，例如系统运动性能、应力-安全性、振动和疲劳分析。nCode也可以与Mechanical结合使用，帮助设计人员评估UR20的疲劳寿命。通过Mechanical的FEA仿真结果，nCode可以分析重复性载荷所造成的损坏，从而确定产品的预测寿命。

Taber表示：“我们大量使用了Ansys Mechanical、Ansys Motion和Ansys nCode等产品来优化UR20的结构组件。  通过结合使用这些产品，我们能够执行虚拟测试，最大限度地提高刚度和耐久性，同时消减冗余重量，从而帮助我们最大限度地提高协作式机器人的整体性能。“这种改进后的性能表现有助于我们的客户实现更高吞吐量的目标。”

UR20最独特的方面是它全新设计的关节结构，与之前的UR型号都不同。例如，新的关节设计将所有关节的扭矩承载能力提高了约25%，关节速度提高了30%。在某些情况下，根据关节尺寸，关节速度最多可提高65%。因此，设计人员可以减少协作式机器人的重量。

Taber说他的座右铭是：“重量少一克，质量多一分。”

“由于协作式机器人的机械臂必须提举自身的重量，因此每一克都很重要。任何重量减轻都有助于我们提高性能或增加协作式机器人的有效载荷能力，”Taber说道，“这就是重量优化对我们来说非常重要的原因。”

UR20规格

• 工作半径：1750毫米/68.9英寸

• 有效载荷：20千克/44.1磅

• 占地面积/大小：直径为245毫米

• 重量：64千克/141.1磅

团队的目标是制造出一款尽可能既坚固又轻便的协作式机器人。减轻重量使协作式机器人更易于部署和重新部署，并提高其整体有效载荷能力。然而，减轻重量往往会降低产品的刚度。仿真则使UR能够在重量和刚度之间保持最佳平衡。

Taber表示：“正因为如此，我们使用Ansys技术进行结构优化，以最大限度地提高刚度、减轻重量并最大限度地提高性能，同时确保我们满足所有的结构要求，而这些工作都是在构建物理原型之前就完成的。”

与采用带有可拆卸盖的开放式设计的UR其它型号不同，最新的关节设计采用增强型全封闭壳体以增加刚度此外，该团队还在UR20中实施了运动控制功能，以便更好地监控和管理有效载荷能力，从而确保安全性。

Taber表示：“UR20是Universal Robots的首款新一代工业协作式机器人。从支持新的主动减振功能的软件，到能够在封闭壳体内提高速度和扭矩性能的关节动力总成系统，我们都进行了重新设计。我们把在制造和销售50,000多个协作式机器人的过程中获得的丰富经验和知识，全部应用于创建UR有史以来最出色、最强大的协作式机器人。”

UR20是Universal Robot首款新一代机型，与早期机型相比，其零件减少了50 %，并且连接结构更加耐用

协作式机器人和机器人是相对复杂且高度耦合的多物理场系统。因此，Taber表示，Ansys多物理场仿真是UR仿真功能的重要组成部分。

除了针对疲劳、刚度和重量优化结构组件之外，Ansys工具还使UR能够了解模型之外的情况。

Taber表示：“仅基于单个物理场的仿真很难做出准确的系统级预测，正因为如此，我们相信Ansys多物理场仿真使我们能够在开发流程中，比以前更早地对新设计开展系统级评估。

因此，我们将不必像现在这这种程度地依赖实物测试。这不仅可以减少搭建实物原型机的数量，更有趣的是，它可以使我们快速测试新设计，执行虚拟测试，并创建更快的设计迭代。”

UR最早开始使用Ansys仿真是在2018年，当大多数制造商在COVID-19疫情期间面临供应链问题时，这项工作就变得更有价值。当制造商在收集用于构建实物原型机的组件和材料方面遇到挑战，虚拟设计提供了一个更简单的替代方案。

如今，UR继续在设计的所有阶段大量应用仿真技术。

Taber表示：“仿真已成为我们开发流程中日益重要的一部分，如今，我们每天都在使用Ansys产品进行设计评估、设计优化、虚拟验证和生成实物测试的输入数据。我们在开发流程中使用“设计-构建-测试-学习”循环，当然，在硬件开发和实物测试方面，这一循环可能非常昂贵且繁琐。但是，通过虚拟测试和仿真功能，我们可以显著加快这一循环步骤。”

这种来自仿真的持续洞察可帮助UR工程师设计更出色的协作式机器人，并减少后期阶段出现通常成本非常高昂的设计失效。

通过使用仿真，UR减少了实物原型机的搭建，从而节省了时间、材料成本和运营成本。Taber还表示，仿真的真正价值在于它使UR能够创造更出色的产品。例如，如果没有仿真，产品开发可能会涉及多个实物原型机，但是，借助仿真，实物原型机数量可以得到显著减少，有时甚至减少到仅需一个。通过消除实际产品的反复试错尝试和不必要的实物原型机搭建，该团队可以腾出更多时间来专注于改进设计和产品。当有更多的时间用于完善原型，不仅设计的成功率会提高，产品的性能、质量和可靠性最终也将得到改善。

Taber表示：“仿真不仅帮助我们创建更出色的设计，而且为验证性测试的改进和目标确立提供了宝贵的输入。这其中包含许多显而易见的优势，但对我们来说，最关键的是它使我们能够获得更好的洞察，并且最终获得更出色的设计。”

UR20可以处理堆垛，焊接，材料搬运等任务

自动化和多物理场仿真正在影响第四次工业革命。这两种技术都可以提高工业设备的效率、可靠性、耐久性和性能。协作式机器人有助于降低成本，节省能源并最大限度地减少浪费。因此，选择协作式机器人（就像选择仿真一样）也可以帮助客户减少碳排放。

除了已经采用的Mechanical、Motion和nCode之外，UR团队还通过在线Ansys学习中心获得了其它支持，并已经开始探索Ansys optiSLang、Ansys HPC解决方案和Ansys Twin Builder，以用于开展未来的项目。

Taber表示：“重要的一点是，我们的仿真合作伙伴不仅要满足我们在相关物理场仿真方面的需求，而且还要满足在系统层面上的多物理场相互作用和耦合的需求。正因为如此，Ansys一直是我们的出色合作伙伴，它为我们提供了大量的多物理场仿真工具，而且更重要的是，多年来在Ansys优秀的工程师和开发人员的帮助下，我们获得了巨大的支持和协作.正是得益于他们的帮助，我们才能够实现仿真目标。”

第一批UR20协作式机器人预计将于2023年第二季度发货

UR20备受行业赞誉，并且荣获了2022年IDEA机器人类别的大奖和2022年LEAP工业自动化类别的大奖。第一批UR20协作式机器人预计将于2023年第二季度发货。由于预计会出现高需求量，各个客户的交付日期可能会有所不同。