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物理建模與機器人

多領域建模工具MapleSim在無人載具設計上具有關鍵影響地位

Clearpath Robotics專門研究無人載具的設計和控制,其考量便攜式與成本效益的產品,從自動化環境用水數據收集的Kingfisher,到堅固且容易使用的無人地面車輛之快速原型Husky,均是在複雜性高且功能不斷提升的機器人發展領域中的一個標竿。其Clearpath Robotics之無人載具系統已經被北美領先技術機構使用於尖端工業和軍事技術上。

由於產品的多元性,他們在系統設計和建模上面臨了一個重大的挑戰。Clearpath Robotics的首席技術官Ryan Gariepy表示: 「每個相互有關聯性的系統必須先個別建模,並在最終設計時進行整合。」「我們必須在同一時間進行不同領域的工作,且每個系統皆涉及大量的建模與原型發展工作。 Maplesoft的MapleSim是一個令人難以置信的高效能多領域系統建模工具,它有可能徹底改變我們設計機器人的方式。」

MapleSim是由Maplesoft所開發的高性能物理建模與模擬軟體,其使用先進的數學符號運算處理器來處理工程模型的複雜數學式。MapleSim屬於直觀的多領域建模與模擬環境,舉凡多體機械、電力/電子學、流體機械、熱傳和信號流程系統等等,均能在同一模型中完成模擬。
 
從教學上的機器人的設計應用到越野車輛等,皆擁有驅動系統。每個機器人從有效的負載到多地形系統的模擬,其在能源的儲備、運動的配置和致動器上使用的電力傳輸設計,亦為Clearpath Robotics團隊帶來了挑戰。此外,為了提昇至產品最大效率,工程師們必須不斷地嘗試將所有運作系統的模型進行整合。
 
 
因應機器人的發展趨勢,早期的機器人大多運作於如水泥地或瓷磚地板等理想室內條件下,然而現今的越野機器人均多操作於砂地、泥地以及有水的環境中。因此,機器人的性能需求勢必增加,像是現今機器人的感測系統,數據處理以及訊號溝通的傳遞能力等等。此外還有移動上的操控性問題,如機器人在平面上快速移動並克服阻礙時的平衡能力。這些都意味著在設計、建模、當然還有性能上均有了新的挑戰。他們需要很多複雜的模型,並且能進行交叉設計,所以這些需求阻礙了工程師們進一步成本分析探討、建模以及設計的能力。
 
 
MapleSim因為其特殊的3 - D多體動力學和多領域建模能力,是幫助克服這些挑戰的關鍵。「雖然我們使用其他類似的工具像是MATLAB®和Simulink®,卻仍然需要在設計與模型間進行手動調整,修改其耦合過程。所以使用這些工具也意味著,我們必須在每個領域都擁有負責特定系統的專家。使用MapleSim,我們可以消除這些障礙,每個人都能在單一模型上操作。「這就是為什麼我們會如此熱烈討論著 MapleSim。」Gariepy表示。
 
Clearpath經常需要依據全新的需求來設計機器人 - 如操作在不同的地面條件、不同尺寸與外型的機器人、或是不同的性能需求。由於MapleSim模型可以高度參數化,MapleSim提供這個團隊一個理想的快速原型建模環境來創造新設計。他們建立基礎模型,其中許多元素的預設值會被當作符號參數執行運算,使他們可以輕鬆地研究當改變這些設計元素時的影響,而不需要再重新建立一個新模型。使用這些基本模型,他們可以調整參數來符合新條件,且直接在新設計上得到一個新起點,讓他們可以進一步提升模型的性能。
 
Gariepy總結 :「MapleSim所建立的模型方程式能比其他軟體少,再者經過符號簡化近似分析後可處理繁重的工作且提升運算速度,這就是我們一直在尋求的工具。」

 

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