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物理建模與機器人

第一代曲棍球桿機器人因MapleSim而誕生!

冰上曲棍球除了在北美算是數一數二的熱門職業性運動,在全球也以非常快的速度發長中,也因此,球桿損壞的高頻率也就不新鮮了。太過脆弱的球桿不只降低了比賽的專業素質水平,也產生龐大的球桿購買與維護的費用。對於專業或業餘的曲棍球球員來說,球桿的可靠性及耐用性可說是球員選擇球桿時最重要的決策點。
 
Hockey Robotics公司專精於曲棍球桿的設計及耐久力測試,是曲棍球界內首創提倡以機器人為測試概念的公司。球桿通常都是在揮桿的時候損壞的,所以Hockey Robotics公司的目標就是創造一個機器人,並確切的仿照專業曲棍球員的發球方式以進行模擬,這也造就了使上第一個動態曲棍球機器人 SlapShot XT。SlapShot XT能夠打出高達時速每小時110英哩(相當於177km)的射門。

SlapShot XT是第一個以機器人概念出發模擬專業曲棍球員揮桿動作的機器人,結合了先進的電子技術以及軟體使SlapShot XT 能集結前所未有的數據,以更詳細的分析及結果改進曲棍球桿的設計。球桿製造廠利用SlapShot XT 進行高重複性且可控制的方式測試他們的設計,並也從SlapShot XT 取得前所未有的評價數據。透過SlapShot XT的測試後,他們可以很有自信地差異化球桿的設計、性能與耐用度。
 
一般來說,揮桿時桿子以三個彎曲點為負荷點,所以球桿容易在揮桿時發生損壞的情形。在製造機器人的第一步,首先必須充分了解曲棍球在揮桿時的移動,這個步驟必須使用先進的技術記錄移動情形,然後製造出機器人來模擬重複動作。專業的曲棍球員在揮桿的過程中,桿子的軌道會以高速相機拍攝下來。SlapShot XT 藉由分析這些數據後可模擬射門動作並精確改進桿子所在的負荷。無論是左或右揮桿,SlapShot XT 都能打出超過每小時100英哩的時速的球。

以上影片為加拿大滑鐵盧大學於OCE研討會中發表 SlapShot XT 機器人的揮桿狀況與測試結果
由Maplesoft公司所開發的多領域物理建模軟體MapleSim在SlapShot XT 的開發與設計流程中扮演了一個關鍵的角色。MapleSim能有效解決所有涉及數學問題的建模工程,例如多領域系統、受控體模型建立與控制設計。MapleSim使曲棍球機器人有效且準確地模擬數種動態電子與機械的設備行為,同時MapleSim可研究以往被視為困難與耗時的彈性體的變形與鋼體的運動。除此之外,MapleSim亦可以允許快速原型化設計並輕鬆地檢查運動之耦合現象(coupled motion)。
 
Hockey player的運動是由四根桿件所組成,其一連串的運動與應力分析被使用來發展與確認影響機器人設計性能的因素。 當接觸冰面時,飛輪維持球棍的動力,而且機器手臂設計讓棍棒有兩個軸向的彎矩,可以儲存並釋放能量來進行射門的動作。最後的設計使用Siemens PLM Software NX 6以及元件的有限元素模型進行評估。
 
SlapShot XT最後的評估結果是無庸置疑的: SlapShot XT 提供針對球桿的表現與耐用性之重複且公正的測試數據,在曲棍球界算是先驅。
 
Hockey Robotics公司的首席科學家John McPhee表示 “ MapleSim是我們研發的動力。無論在開發或是測試上,MapleSim對SlapShot XT的研發都非常的重要,必也替我們在設計以及進行原型化上都省了不少錢。除此之外,MapleSim更使我們能夠解決先前所遇到具挑戰性且計算複雜的工程分析問題。”
 
Hockey Robotics公司在未來的計畫中也將會使用MapleSim開發其他快速原型的工具,他們相信有機會能永久改變曲棍球桿的設計,並他們期望在新的方案上能透過MapleSim再次縮短開發週期且大幅減低曲棍球設備製造的成本。

 

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