在人形机器人从实验室走向实际场景的过程中，从感知推理、运动到控制的每一个环节都需要*致的性能与可靠性支撑。在日益激烈的竞争环境下，要在尽量短的开发周期内制造出高精度工作的机器人，是一项挑战。制造商需要使用新的工程方法来应对复杂性以及控制成本。本文通过真实案例，演示了如何使用Simcenter 3D仿真工具，帮助我们有效地处理人形机器人工程的复杂问题，加速人形机器人研发。

人形机器人是一个铰接系统，由复杂关节和可变形运动构件组成。在其研发过程中，通过数字样机准确预测机器人的运动轨迹、承载能力，以及开发拟人动作的控制算法非常重要。利用多体动力学(MBD)求解软件Simcenter 3D Motion，工程师可以评估人形机器人的运动学、动力学性能。此外，使用1D&3D联合仿真特性，多体模型与控制算法相结合，评估人形机器人动作及步态性能。基于1D&3D联合仿真，可以进一步预测人形机器人各部件动态载荷，用于结构疲劳寿命预测。这样，机器人制造商就可以通过经济高效的方式开发高性能、高可靠性人形机器人。

Simcenter 3D Motion与三维CAD无缝关联，使用户能够在设计阶段对人形机器人的运动学和动力学特性进行研究，并在研究过程中考虑惯性、关节和约束条件。在设计过程中集成多体动力学模块，可以对人形机器人构件运动轨迹、姿态（包含结构以及连接弹性、振动带来的影响）、载荷和作用在每个物体上的力、力矩提供精确分析。同时为结构耐久性提供边界，进一步优化结构，节省成本。通过对运动学、动力学、结构耐久性能的初步评估，工程师对机械性能有了清晰的认识，从而可以通过开发更多的组件来逐步改进设计方案，直到确定*终的尺寸。 

机器人是典型的机电系统，由于构成机电系统的各组成部分在学科特点、建模方法、数值模型和软件工具上存在较大差异，因此机电产品系统仿真分析的主要技术难点体现在：一是需要对机电系统的各组成部分采用*合适的方法和软件工具进行精确建模，从而能够描述各组成部分真实的动态特性；二是如何将这些异构的软件工具、数值模型进行无缝集成，形成与实际机电系统相一致的闭环耦合系统，从而能够有效验证、评价和优化系统性能，提高控制精度。如图，Simcenter 3D与1D软件提供多种形式的联合仿真。

通过联合仿真，多体动力学求解器可以与驱动的受控多物理模型交换信息。多体动力学求解器输出位置和加速度至控制器/驱动器模型，而多物理求解器计算相应的作用力返回至多体动力学求解器。将动力学、控制和刚柔耦合结合在一个联合仿真流程中，从而模拟机器人真实工作状态下的性能，并进行真实工作状态下的多学科性能优化。 

重复工作产生的交变载荷会引起机器人零件结构疲劳，并且也会影响机器人零件的定位精度。Simcenter 3D刚柔耦合分析可帮助预测机器人运行过程中的动态变形、振动，并精确预测各部件所受动态载荷。无缝地结合Simcenter 3D结构分析模块，可以对机器人构件进行静强度、疲劳强度校核。

结论：Simcenter 3D是西门子PLM吸收并借鉴了数十年仿真领域知识与经验而推出的新一代3D CAE平台，汇聚了Nastran®、SDRC I-deas™、NX™ CAE和LMS™等众多成熟CAE工具的技术。Simcenter 3D可以基于CAD进行动力学分析，实现人形机器人更快的设计分析迭代，实现多体仿真、刚柔耦合分析、疲劳分析和振动噪声分析和系统级优化等多学科之间的无缝连接，结合1D软件进行人形机器人复杂机电液系统一体化分析、优化，加速机器人研发流程。