在手臂的范围内的生产力:通用机器人开发协作机器人手臂使用仿真

任何形式的机器人都很酷。事实上，有些技术非常前沿，很难想象它们还能有什么创新。然而，许多类似人类的机器又重又笨重。随着技术的进步和需求的增加，机器人制造商的任务是创造比笨重的前辈更轻、更紧凑、更有能力的下一代机器人。

总部位于丹麦的优傲机器人公司(Universal Robots, UR)正在利用Ansys的多物理场仿真技术，创造出更小、更灵活的工业协作机器人手臂，从而实现这一目标。该系列的最新型号UR20是该公司的首款下一代协作机器人。它将于今年晚些时候面市。

为了创建先进的模型，UR工程师集成Ansys机械有限元分析软件;Ansys运动多体动力学仿真Ansys nCode DesignLife耐久性和疲劳预测分析。因此，UR降低了成本，最大限度地减少了物理测试，并提高了生产率，因为他们使用这些工具来帮助创建新的UR20，这有可能彻底改变工业设备。

少即是多:紧凑的机器人设计

UR20具有令人印象深刻的1750毫米的范围和20公斤的有效载荷能力，可以处理更多的任务，适合更多的应用，并在更多的环境中提供帮助。其中一些任务包括码垛、焊接、材料处理、机器装载和机器看护。

但是什么让这个协作机器人如此新一代呢?首先，UR20在每个关节上减少了50%的零件。此外，这种更整洁的设计提高了可靠性，从而减少了服务请求和停机时间。

UR研发(R&D)硬件经理Simon s ø nderg rd Taber和他的团队依靠Mechanical进行结构分析、参数化、形状(网格变形)和拓扑优化。工程师使用运动-这是在机械界面-多体动力学，如系统运动性能，应力安全分析，振动和疲劳。nCode -也与Mechanical一起使用-帮助设计师评估UR20的疲劳寿命。使用来自Mechanical的有限元模拟结果，nCode分析了重复加载造成的损伤，以确定产品的预测寿命。

“这就是为什么我们使用Ansys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结构要求，所有这些都是在我们建立任何物理原型之前完成的，”Taber说。

最新的关节设计特点是增强，全封闭胶囊，增加刚度，不像UR的其他型号，承担一个开放的设计与可拆卸的盖子。此外，该团队还在UR20中实现了运动控制功能，以更好地监控和管理有效载荷的安全能力。

“UR20是优傲机器人新一代工业协作机器人中的第一款。从支持新型主动减振功能的软件到在封闭胶囊内提高速度和扭矩的联合动力系统，它都进行了从头到尾的重新设计。”“我们从制造和销售了5万多台协作机器人中获得了所有的经验和知识，并将其应用于创造优傲有史以来最好、最强大的协作机器人。”

多物理场系统需要多物理场仿真

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

除了优化结构部件的疲劳、刚度和重量外，Ansys的工具还使UR能够看到模型之外的东西。

“仅仅基于单一的物理模拟很难做出准确的系统级预测，”他说。“这就是为什么我们相信Ansys的多物理场仿真可以使我们在开发过程中比以前更早地在系统层面上评估新设计。
因此，我们将不必像今天这样依赖于物理测试。这不仅可以帮助我们减少物理原型的数量，而且可能更有趣的是，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于2018年首次集成Ansys仿真，在疫情期间，当大多数制造商面临供应链问题时，它变得特别有用。当制造商在为物理原型收集组件和材料方面遇到挑战时，虚拟设计提供了一个更容易的选择。

今天，UR继续在设计的各个阶段大量依赖仿真。

“仿真已成为我们开发过程中日益重要的一部分，如今我们每天都使用Ansys的产品进行设计评估、设计优化、虚拟验证和物理测试输入，”Taber说。“我们在开发过程中使用设计-构建-测试-学习循环，当然，当涉及到硬件开发和物理测试时，这可能非常昂贵和繁琐。然而，通过虚拟测试和仿真功能，我们可以显著加快这一循环。”

这种来自模拟的持续洞察力有助于UR工程师设计更好的协作机器人，并限制后期设计失败，这通常是最昂贵的。

通过使用仿真，UR减少了物理原型，从而节省了时间、材料成本和操作成本。不过，泰伯表示，模拟的真正价值在于它能让他们创造出更好的产品。例如，如果没有仿真，产品开发可能涉及多个物理原型，然而，有了仿真，这可以大大减少，有时甚至减少到一个物理原型。通过消除物理上的试错尝试和不必要的物理原型，团队可以更加专注于增强设计和产品。有了更多的时间来完善一个原型，设计的成功率就会提高，最终，产品的性能、质量和可靠性也会提高。

“模拟不仅帮助我们创造更好的设计，它还为改进和瞄准我们的验证测试提供了有价值的输入，”Taber说。“这有很多明显的好处，但对我们来说最关键的一点是，它可以让我们获得更好的见解，最终实现更好的设计。”

助力工业设备的未来

自动化和多物理场仿真正在影响第四次工业革命。这两种技术都提高了工业设备的效率、可靠性、耐用性和性能。协作机器人有助于降低成本，节约能源，并最大限度地减少浪费。通过这种方式，选择协作机器人，就像选择模拟一样，也可以帮助客户减少碳足迹。

除了UR使用机械，运动和nCode，团队通过在线找到额外的支持Ansys Learning Hub并开始探索Ansys optiSLang，Ansys高性能计算解决方案,Ansys Twin Builder对于即将到来的项目。

Taber说:“对我们来说，重要的是，我们的模拟合作伙伴不仅满足了我们对相关物理模拟的需求，而且还满足了它们在系统层面上的多物理相互作用和耦合。”“正因为如此，Ansys一直是我们的一个很好的合作伙伴，因为Ansys提供了大量的多物理场仿真工具，更重要的是，Ansys优秀的工程师和开发人员多年来对我们的大力支持和合作，他们真正帮助我们实现了仿真目标。”

UR20已经获得了机器人领域的2022年IDEA奖和工业自动化领域的2022年LEAP奖，赢得了业界的赞誉。首批UR20协作机器人预计将于2023年第二季度发货。由于预计需求很大，个别客户的交付日期可能会有所不同。

要了解更多关于优傲机器人的信息，请访问他们的网站网站。要了解Ansys的多物理场仿真解决方案，请浏览产品在这里。