יישום Multi-Physics Simulations כדי ללכוד התנהגויות מורכבות רובוטיות

הגדלה צריכה עבור Multi-Physphysics Robotics Simulation

כיום צפויים לפעול בסביבות מורכבות יותר ויותר - מחיפוש עמוק בים וטיסה גבוהה להליכים כירורגיים עדינים ושיתוף פעולה רובוטי, זרוע רובוטית המבוצעת באופן אמין על ספסל מעבדה עלולה להיכשל באופן קטסטרופלי כאשר נחשפים לטמפרטורות קיצוניות, עומסים אווירודינמיקה, או התערבות חשמלית.

מאמר זה מספק מדריך מעשי עבור מהנדסי רובוטיקה וחוקרים שרוצים ליישם סימולציות מרובות-פיזיקה סימולציה עבודה זרימות.We יכסה את הפיכה פיזיקה הליבה של רובוטים, צעד אחר צעד גישות מודלים, מלכודות נפוצות, ומגמות מתפתחות כי הם הופכים את הסימולציות האלה נגיש יותר.עד הסוף, תהיה לך מפת דרכים ברורה לשלב ניתוח רב-פיזיקה לתוך העיצוב שלך כדי לבנות מחזור, רובוטים חזקים יותר, יעיל יותר, יעיל יותר.

מה הם סימלציה של Multi-Physphysics ב- Robotics?

סימולציה רב-פיזיקה פותרת בו-זמנית שתי תופעות פיזיות משניות בתוך מודל חישובי יחיד.ברובוטיקה, ההפיכה הרלוונטית ביותר כוללת:

(FLT:0)Structural-thermal:cioFLT:1 , Heat שנוצר על ידי מנועים, סוללות, או חיכוך משנה תכונות חומריות וגורם הרחבה תרמית, המשפיעה על מהירויות משותפות ונוקשות.
(FLT:0) פלויד-סטרודור אינטראקציה (FSIOVA): FLT ( 1:1 Aeroדינמית או הידרודינמיקה כוחות דהודינמיקה מתפרסמים משטחים רובוטיים גמישים (למשל, כנפיים של מזל"טים, מוליכים רכים), בעוד שצורות השינוי משנות את זרימת הנוזל.
(FLT:0) אלקטרוניקה-סטרקטית: ⁇ 1) חוטים הנוכחיים של הקרדות בתוך מפרקים נעים לייצר שדות מגנטיים שגורמים לכוחות על מבנים מוליכים סמוכים, במיוחד ברובוטים גבוהים.
(FLT:0) Electro-thermal-mechanical:cioFLT ( 1) עבור רובוטים המופעלים על ידי ⁇ בצורת-זיכרון או ⁇ אדזואלקטריים, שדות חשמליים מעוררים שינויים תרמיים שגורמים לעיוות מכני.

בניגוד לגישה של שינוי (ניהול ניתוח תרמי, ולאחר מכן יישום באופן ידני תוצאות למודל מבני), פותרים רב-פיזיים אמיתיים מחליפים נתונים בין פיזיקה בכל שלב, שמירה על אינטראקציות דינמיות.זה קריטי לאירועים טרנספורמטיביים כגון זרוע רובוטית המאצת תחת עומס בעוד מאוורר קירור מתחיל - חלוקת הטמפרטורה ותגובה מבנית מתפתחת יחד.

דוגמה: Soft Robotic Gripper with Embedded Actuation

שקול מנוף רך עשוי סיליקון היפראלסטי עם תאים נינומטיים מוטבעים.התנהגותו של הסקאלר כוללת:

(ב) ⁇ :0) מנגנונים של מנגנונים: FLT:1, רפורמציה גדולה של סיליקון תחת לחץ פנימי.
דינמיקה של פלויד:0 (FLT:1 Air Flow) באמצעות ערוצים צרים וחלוקת הלחץ בתוך תאים.
(ב) ,0) מכונאי מגע: ⁇ FLT:1 , חיבור גרפיפר ונוף.

מודל רב-פיזיקה פותר כיצד גלי הלחץ הפנימיים מתרבים וגורמים לתופס להתכרבל, תוך גם חיזוי ריכוזי מתח שעלולים להוביל לדמיע.

מדוע סימולציות רבות-פיזיקה הן קריטיות עבור עיצוב רובוט

רובוטים הם מערכות רב-פיזיות מטבען - חיישנים, מתאמים, מבנים ואלקטרוניקה כל אינטראקציה.אני מסולם תופעה אחת מובילה לעתים קרובות לתחזיות לא מדויקות ולעיצוב יתר, אשר מוסיף משקל, עלות או מורכבות.כאן היתרונות העיקריים של אימוץ גישה סימולציה משולבת.

שיפור פידלות בחיזוי התנהגות אמיתית בעולם

מודלים חד-פיזיקה עשויים להחמיץ הפיכה עדינה אך קריטית.לדוגמה, תדירות טבעית של זרוע רובוטית קלה יכולה להשתנות באופן משמעותי כמו המנועים להתחמם, כי נוקשות ולחיצת השינוי הדחף הרמוני עם טמפרטורה. סימולציה רב-פיזיקה שזוגות תרמיים ודינמיקה מבנית יצפו נכונה שינוי זה, המאפשר למהנדסים לשלוט ברווחים כדי למנוע התחדשות במהלך הפעולה.

צמצום ה- Prototype Iterations

בניית אבטיפוס פיזי יקר ושעה סימולציה מאפשר "מבחן וירטואלי" תחת עומסים משולבים - ריק תרמי, רטט, מזנון אווירודינמיקה - לפני חיתוך מתכת.זה יכול לחתוך את מספר ההסרמות החומריות בחצי או יותר, במיוחד בתחומים כמו רובוטים חלל שבו תנאים סביבתיים קיצוניים.

אפשרויות ל-Gמטריה

על ידי הפיכה מבנית, תרמית ואלקטרוניקה ניתוחים, מעצבים יכולים לחקור את ה- Tradingoffs.לדוגמה, פועל מתווך גבוה עשוי לדרוש כיור חום אשר מוסיף אינרציה - מודל הרב-פיזיקה עוזר למצוא את האיזון האופטימלי בין ביצועים תרמיים לתגובה דינמי. בדומה, פולימרים התנהגותיים יכול להיות מוערכים גם עבור כוח מבני ו מוליכות חשמלית במודל יחיד.

גילוי מוקדם וחיזוי החיים

סדקים שומניים לעתים קרובות להתחיל בנקודות שבהן מתח וטמפרטורות גבוהות עולה בקנה אחד עם סימולציות של Multi-פיזיקה יכול לזהות אזורים "כתם-חם" חשופים לעומס מבני גבוה וטמפרטורות גבוהות, המאפשרים למעצבים להוסיף ערוצי קירור או חיזוק לפני שכישלון מתרחש.זה חשוב במיוחד עבור רובוטים שיתופיים העוברים מיליוני מחזורים לאורך חייהם.

כיצד ליישם סימולציות מרובות-פיזיות: זרימת עבודה מעשית

יישום סימולציות מרובות-פיזיקה בתהליך עיצוב רובוטיקה כרוך במספר שלבים, החל מבחירת התוכנה הנכונה כדי לאמת את התוצאות. להלן הוא זרימת עבודה של צעד אחר צעד.

1.הדו את הפיזיקה Couplings ⁇ to your Robot

התחל על ידי רישום התחום הפיזי אינטראקציה חזקה.לא כל רובוט דורש רב-פיזיקה מלאה - זרוע רובוט תעשייתי סטטי שפועל במפעל מבוקר טמפרטורה יכול רק צריך ניתוח מבני עם בדיקה תרמית פשוטה.

תלמוד בבלי:0 (ב) ,

רובוטים ניידים עם ערכות סוללות: אלקטרו-תרמי-הרסל (נפיחות פנימית, מפלט תרמי).
ד"רונים: מבני-אווירדינמי (מחממת מוטורית, עיוות כנף, עומסי דחף).
רובוטים כירורגיים: מבני-תרמי-השפעה (חום סטריליזציה, אינטראקציה רקמה, דליפת נוזלים).
Exoskeletons: מבני-thermal-שליטה (חום הפעלה, נוחות אנושית, נתיב עומס).

מסמך תנאי התפעול הצפויים - טווח טמפרטורה, תדרי רטט, עומסי לחץ - כדי להנחות את ההתקנה של המודל.

2.הספקת תוכנת Simulation

כמה פלטפורמות מסחריות ופתוחות קוד תמיכה רב-פיזיקה.הבחירה תלויה בצרכים ההפיכה שלך, קיבולת קשקשים של פתרון ותקציב.

(FLT:0)COMSOL MultiphysicsFLT:1 - פלטפורמה בשימוש נרחב עם מודולים בנוי עבור מכניקה מבנית, העברה חום, זרימה נוזלית, אלקטרומגנטים, ואקוסטיקה. ממשק המשתמש האינטואיטיבי שלו ויכולת להוסיף PDEs מותאם אישית להפוך אותו פופולרי עבור מחקר ועיצוב מוקדם.FLT:2Visit COMSOLF3LT.
(הופנה מהדף ההרחבה:0)01.WebenchFLT:1 - מציע חבילה של כלים (Mechanical, Fluent, Maxwell) שניתן לשתף פעולה עבור FSI, מתח תרמי ואנליזה אלקטרו-תרמית.
(ב) [ה]ה- [ה]]: [ה] [ה]] [ה]]] [ה]]] [ה]]]] [ה]]] [ה]]]]] [ה]]]] [ה']] [ה']]] [ה'[ה']]] [ה']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
(FLT:0) OpenFOAMIRLT:1 - קוד פתוח תיבת כלים CD שניתן לשתף עם פותרים מבניים (למשל, באמצעות פרויקט מקצה לקצה) עבור FSI.

עבור חקר מושג בשלבים המוקדמים, ניתן להשתמש גם במודלים רב-פי-פימוס, אם כי פתרון הוא קוהרסר.

3.ליצור מודל דיגיטלי מגובש

הגאומטריה המודלית חייבת לייצג את מרכיבי הרובוט אשר אינטראקציה באופן משמעותי.סיפר פרטים שאינם משפיעים על הפיזיקה של העניין - למשל, להחליף תבניות של מברג מורכבות עם אזורי נוקשות שוות ערך.

(FLT:0) שיקולים: FLT:1 , Multi-physics לעתים קרובות דורש meshes כי הם תואמים על פני תחומים או להשתמש ממשקים ייעודיים.עבור FSI, נוזל ומישבן מוצק חייב להתאים את הממשק כדי להעביר לחץ ועקירה. השתמש במישול הסתגלות אם העיוות גדול.

הגדר תנאים קשים ומדינות מוקדמות

תנאים מטושטשים צריכים לשקף את הסביבה של הרובוט: תנועה prescribed, זיהום תרמי, פוטנציאלים חשמליים, קטונים נוזליים / outlets. לשלם תשומת לב זהירה ממשקי הפיכה - עבור בעיה מבנה תרמי, להגדיר קורטיזמי העברת חום להשתנות עם מהירות (אם הרובוט נע). עבור אלקטרומגנטי-thermal, ציין את הניתנות הנוכחיות במוליכים.

(FLT:0) Transient vs. יציב-state:FigLT:1) הרבה רובוטים פועלים הם חולפים - מחזור איסוף ו-place נמשך מספר שניות.דמיות רב-פיזיקה טראנס-סובייקטיביות יקרות יותר אך לוכדות אפקטים תלויים זמן כגון בניית חום במהלך מחזורי מחזור חוזרים.

5.להתחיל ולהפסיק את הסימולציה

התחל עם זמן סימולציה קצר ודמיון קצר כדי לאמת כי כל ההפיכה הם החלפת נתונים כראוי.בדוק כי אנרגיה נשמרת על פני פיזיקה - לדוגמה, חום ממודל חיקה מבני צריך להתאים את קלט תרמי. להשוות סימולציות עם חישובים פשוטים או מודלים נפרדים של פיזיקלי כדי לתפוס שגיאות ההתקנה.

(FLT:0) ו-Validation נגד ניסויים:FLT:1 בכל פעם שניתן, לבדוק אבטיפוס פיזי תחת תנאי רב-פיזיקה מבוקרים (למשל, משותף רובוטי תחת עומס חשמלי בתא תרמי) ולהשוות טמפרטורות נמדדות, זנים וכוח. להתאים תכונות חומריות ותנאים גבול עד לסובלנות מקובלת (בדרך כלל 5 עד 10%).

6.Iterate and Optimize

ברגע שמודל הבסיס מאומת, טאטאים מטריים - עובי חומרי משתנה, קירור גיאומטריה פיננסית, כוח אקטוטור - כדי למצוא עיצוב אופטימלי. Multi-Physphysics אופטימיזציה יכול להיות אוטומטי באמצעות שיטות משטח תגובה בנוי או הפיכה עם אלגוריתמים אופטימיזציה חיצונית.

אתגרים משותפים וכיצד להתגבר עליהם

סימולציות רבות-פיזיות הן עוצמתיות, אך מגיעות עם hurdles.הכרה מוקדם אלה תציל את הזמן.

עלויות פיצויים ו- Mesh Compatibility

קביעת פיזיקה מעודנת על מדף דק יכול לדרוש שעות או ימים אפילו על אשכולות בעלי ביצועים גבוהים.אסטרטגיות לניהול עלות:

שימוש ב-FLT:0 simulationFLT:1hil במקום הפיכה מונוליטית - כל אחד מפתקי הפיזיקה פועל באופן עצמאי ומחליף נתונים במרווחים, צמצום המורכבות של פתרון.
מעסיק (FLT:0) מודל של FLT:1: להפעיל מודל רב-פיזיקה מלא רובוט לזהות אזורים קריטיים, ולאחר מכן ליישם תנאים גבול מעודן למודל לניתוח מפורט.
(ה) לנצל את ההאצה של ה-FLT:0GPU 1FLT 1 (בקיצור: ⁇ ) עבור פותרים מסוימים.

מחסור בנתונים

Accurate Multi-physics דורש סגסוגת תלות טמפרטורה, תלות בתדר, ונכסים חומריים תלויים זנים.אלה לעתים קרובות אינם זמינים עבור תרכובות חדשות או תוסף-מניאו-מרכיבה. Mitigation: לבצע בדיקות אפיון חומרים (DMA, מדידת התנהגות תרמית) או calibrate באמצעות סימולציה הפוכה נגד ניסויים פשוטים.

בעיות קונפורציות

בעיות חד-משמעיות (למשל, FSI עם עיוותים גדולים) יכול להיות לא יציב מבחינה מספרית. השתמש הפיכה רגועה (תחת הפחתה של 0.5-0.8) ועלייה חדה.אם ההתכנסות נכשלת, להפחית את הזמן או לפשט את ההפיכה (למשל, להשתמש בהפיכה בכיוון אחד שבו As משפיעים על B אבל לא להיפך) כמו צעד ראשון.

חוסר מומחיות בבית

סימולציה של Multi-Physphysics דורשת ידע של תחומים הנדסיים מרובים.צוותים יש לעתים קרובות מומחים מכניקה מבנית אבל לא בדינמיקה נוזלית או אלקטרומגנטים. Solutions:

להשקיע באימון חוצה באמצעות קורסים מקוונים (למשל, האקדמיה הרב-פיזיקה של COMSOL).
יועצים לחיקוי מודל ראשוני.
השתמש בתוכנה עם זרימות עבודה מודרך (למשל, מכשף "Add-on Physics" של ANSYS Workbench).

מחקר: Multi-physics Simulation of a Quadcopter Arm

כדי להמחיש את התהליך, שקול לתכנן זרוע quadcopter עשוי מפלסטיק מונע פחמן (CFRP).

(ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

באמצעות COMSOL, בנינו מודל מבני-תרמי-השפעה.הסימולציה חשפה כי במרבית הבקר, הטמפרטורה של הזרוע ליד תחנת המנוע הגיעה ל-85 מעלות צלזיוס – מספיק כדי להפיג את ממטריקס ה-epoxy ולהקטין את הנוקשות. על ידי הוספת מפיץ חום דק נחושת במודל, הטמפרטורה צנחה ל- 60 מעלות צלזיוס ו- bending de הפחתה של 18%.

העתיד: זמן אמת רב-פיזיקה עבור בקרת הסתגלות

המטרה הסופית היא להטמיע מודלים רבים-פיזיקה מופחתים של רובוטים בזמן אמת של לולאות בקרה.עם הפחתת סדר מודל (MOR) טכניקות - קידוד אוטוקונים תקין, רשתות עצביות - מודל רב-פיזיקה מלא ניתן לדחוס לתוך עריכת קוד מהיר שפועל על מעבד לוח.זה יאפשר רובוט לבנות מבנה, עייפות או דינמית ושינויים בזמן קירור אמיתי.

חברות כמו ההרחבה:0.Boston DynamicsFLT:1 ו-FLT:2NASA JPLREFLT 3 כבר להתנסות ברשתות עצביות בעלות מידע פיזיקלי שקרוב לדינמיקה של רב-פיזיקה עבור רובוטים הליכה וחוקרים פלנטריים.

מסקנה: לעשות Multi-physics Simulations A Standard Practice

סימולציה של רב-פיזיקה כבר אינה יכולת נישה השמורה להנדסת אוויר וגרעין.עבור הרובוטיקה המודרנית, היא הופכת להכרחית תחרותית.על ידי לכידת הממשק של כוחות, חום, חשמל ונוזלים, מהנדסים יכולים לעצב רובוטים קלים, חזקים יותר, אמינים יותר - וכך עושים עם פחות אבטיפוס פיזי.

השלבים המרכזיים ברורים: זיהוי הפיכה רלוונטית, לבחור פלטפורמה סימולציה המסוגלת, לבנות ולאמת מודל מגובש, ולהוביל לתכנון מותאם אישית, בעוד אתגרים כמו עלות חישובית וזמינות נתונים נשארים, כלים ומתודולוגיות מתמצמים במהירות. צוותים שמשקיעים ביכולות רב-פיזיקה כיום יהיו ממוקמים טוב ביותר כדי ליצור את הדור הבא של רובוטים אינטליגנטיים, גמישים.

לקריאה נוספת, לחקור משאבים מן ה-FLT:0 (ASME) על סימולציה רב-פיזיקה 1FreaLT ובלוג FLT:2COMSOL על הרובוטיקה מודלים של ההרחבה 3:3.