Simpack帮助“巨龙”机器人研发

说明：巨型恐龙名称叫Tradinno，是来自德国Zollner公司制造的巨型机器人，这个能走、能喷火、能挥舞双翼、能远程控制的17米长的庞然大物，已经成为当地节日庆典活动、游乐场、电影拍摄等活动中的宠儿。

摘要：在2010年，一个新型的高科技机电系统恐龙投入运行，成为德国传统节日Drachenstich上的主角（Drachenstich的意思是用矛刺杀巨龙，这项表演已经在德国沃尔德的福尔特小镇延续了500年）。这个独特的、自主的、遥控的四脚恐龙总重量约11吨，由位于德国Zandt bavaria的Zollner电气公司设计。为保证这个雄心勃勃项目的成功，使用Simpack进行了充分的动力学仿真分析，是非常必要的。

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 该机电产品的尺寸和性能

这个巨型机器人长度达到16米，由一个100KW的柴油发动机提供动力。共有50个闭环控制轴由碳纤维制成（CFK）的液压缸（比传统液压缸轻约50%）来驱动的。该系统的最大行走速度是2km/h，由它自己的四脚自动控制。对于长距离运输，则使用特定的运输车。

图1 巨龙的Simpack模型

该巨龙还有一些特殊的功能，比如喷火和挥舞12米的翼展。需要预先定义它在节日活动中的几个位置。整个巨龙系统由五个操作者远程控制。

巨大的质量和众多的自由度会导致某些部件上受到很大的动态载荷，并且非常复杂的冗余控制系统也将相互影响，甚至会导致一些不受控制的状态。

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运动关节和行走时接触力仿真

通过Simpack的CAD导入功能将巨龙的CAD几何（超过100个子装配体）和质量属性导入Simpack后，利用铰接和约束来搭建虚拟样机模型，接下来就需要定义四个脚与地面之间的接触和摩擦力，其通过Simpack中的18号力元（FE 018：Unilateral spring damper）和100号力元（FE 100：Non-linear friction）来实现。该阶段最大的问题是为这些接触力元找到合适的刚度和阻尼值。通过脚部与地面之间的实际渗透深度进行了各种假设。通过这种方法获得的力对设计过程以及系统部件（比如躯干和腿）的有限元分析是至关重要的（见图2）。

图2 行走时四个脚上的接触力

为得到更真实的结果，必须考虑安装在弹簧减震器上的系统波动质量，例如电机和液压泵（总质量：500kg）。此外，缸内油量随活塞行程变化的压缩量也不容忽视，该系数是通过液压缸中的力表达式来实现的。结果显示，仿真的结果随着单个组件的柔性和接触力的刚度和阻尼值的不同而变化很大。结果表明，仿真结果在很大程度上取决于部件的柔性以及接触力的刚度和阻尼值。

通过优化单腿的行走轨迹，可以大大降低行走在坚实地面上时的冲击。

对行走周期的仿真还能获得横向失稳有关的行走系统稳定性分析。通过观察该机器人的总质心，可以优化放置在躯干上各个部件的位置以及颈和尾部的运动方程。在不同的工况下，对于行走和运动进行了大量测试：

水平地面上直线行走

坡面行走（倾斜度能达到10%）

曲线行走

转弯

如前所述，该系统必须能满足用于舞台表演的特殊需要。这些情况下动作的速度通常会比较快，从而导致很高的部件应力。在三个方向上独立运动的双翼也需要反复测试，以找到最合适的重量分布以及最佳的稳定性。

对两个前腿完全失效（机械或者液压）这个极端工况也进行了深入研究。Simpack的仿真帮助快速发现设计中存在的一些问题，从而提升巨龙的稳定性，确保不会对人员造成任何伤害。大量的仿真工作显示，在检测到腿部故障后，快速降低整个系统的高度有助于消除对人员的伤害。其它的方法，比如快速降低巨龙的头部或者使头和尾快速甩向受损腿部的相反一侧，通过仿真证明效果不大。但是，通过仿真还是找到了避免系统损坏和确保巨龙周围人员安全的很多方法。

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闭环控制测试

首次行走仿真是通过固定的输入样条函数控制做动液压缸来实现的。这些样条曲线是通过逆运动学得到的。这种方法足以预测作用力和力矩。闭环控制的稳定性也需要测试，特别是对于复杂的液压系统要进行检查，以确定是否会控制失效。这样做的目的是为了确保操作者可以按下遥控器上的按钮，让巨龙自动执行所有运动。为此，闭环控制系统的可靠性就非常重要。

使用Simpack和Matlab接口Simat进行具有真实几何和质量特性的控制测试。Simat的最大优点是Simpack能够实时提供给Matlab所有的几何数据，且接口非常高效。

必须明确的基本问题是什么样的控制对整个系统是最好的。力控制、位置控制或两种控制类型的混合会产生最佳效果吗？多个联合仿真结果表明，位置控制更加稳定。因此，在整个系统中采用位移控制来实现巨龙的运动。

当巨龙抬起一条腿向前迈步时，还使用一个额外的附加力控制，使整个系统的反应速度最小化。

首次使用Simat进行仿真时，只使用一只脚上液压系统进行耦合仿真。在观察到控制系统可以处理系统的灵活性后，对整个系统进行了联合仿真。

结果发现，闭环控制对巨龙运动产生了合理的结果。图3所示的控制回路处于其最终状态的90%左右，在用真正的硬件控制器测试之前，只需要进行部分改进。

图3 单腿的闭环控制

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柔性体建模

为了真实仿真像机电巨龙这样的复杂系统，必须尽可能详细建模物理特性。除了铰接类型、质量属性、运动轨迹和液压系统的压缩性外，还必须关注结构部件的柔性。躯干必须吸收对模拟质量有影响的巨大变形能量。一方面，通过吸收早期模拟得到的应力峰值，降低了整个系统的载荷；另一方面，如果不能吸收巨大的变形能量，就会造成闭环控制系统的不稳定。

为了检查柔性几何的影响，利用Simpack中的SIMBEAM和FlexModal模块对躯干进行柔性化。选择躯干是因为它是整个系统中最大的部件，并且其它所有部件与之相连。当它变形时，整个系统都会受到影响。对躯干进行柔性化建模时，可以将以前有限元分析的结果用于Simpack模型。由于Simpack可以计算动态载荷，因此可以计算各部件产生的力。由于躯干是一个相当大的部件，因此建立一个简化的模型，该模型包含约100个柔性体部件（如图4），以获得对Simpack柔性体功能应用的第一印象。仿真结果表明，考虑载荷和变形的影响，与有限元计算结果具有良好的相关性。

图4 柔性躯干

在对柔性躯干成功仿真后，对系统的其它部件进行柔性化建模。例如，双翼是静态超定结构，并承受很高的动态载荷。这在传统有限元分析中得到合理的结果是个巨大的挑战，因此这种情况使用Simpack进行仿真。如图5所示，在Simpack中得到了部件的变形和载荷，并将其用于进一步的强度校核。

图5 巨龙的柔性双翼

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结论

自从Zollner公司2007年开始使用Simpack进行仿真以来，越来越认识到Simpack在复杂系统动态仿真中的重要作用。在本项目中，Simpack发挥了至关重要的作用。

图6 巨龙Simpack仿真动画

2010年，这个重达11吨的庞然大物一经问世，立即震惊世人，它也取得了世界上最大机器人的吉尼斯世界纪录。（在网页搜索Tradinno，获取巨龙的更多信息）。

图7 巨龙在节日活动中