本文所描述的部分內(nèi)容將在美國著名的電視《探索》頻道（Discovery Channel）上播放。
機(jī)器人大擂臺
終結(jié)者、機(jī)械戰(zhàn)警、機(jī)械威龍以及機(jī)動戰(zhàn)士高達(dá)（霧）等系列影視作品在1980~1990年代初的熱播，“機(jī)器人戰(zhàn)斗”這一概念在民眾中初步建立，并引發(fā)討論的熱情。1992年，腦洞大開的工程師Marc Thorpe在設(shè)計遙控真空吸塵器的失敗過程中，萌生了“以現(xiàn)有科技水平制作格斗機(jī)器人舉辦格斗大會”的念頭。在數(shù)次失敗的嘗試后，1994年初Marc最終成功吸引了資本的注意，在三蕃市舉辦了第一屆Robot Wars，并于媒體投放大量廣告，利用“機(jī)器人”熱潮吸引觀眾。
可惜的是，被雜志、報紙上大量經(jīng)Photoshop加工的海報吸引而至、不明真相的群眾卻感受到了深深的欺騙。。。
宣傳的時候是這樣的
這樣的
甚至這樣的
觀眾的期待是這樣的
這樣的
甚至這樣的
可現(xiàn)實中的參賽選手是，這樣的
這樣的
以及這樣的
。。。。。。。。。。
機(jī)器人的攻擊手段基本是這樣的
戰(zhàn)斗場景基本是這樣的
。。。。。。。。。。。
好在，第一屆比賽的舉辦起到了足夠的宣傳作用，盡管比賽本身不如人們期待般激烈精彩，但這一點同樣激起了很多觀眾參與其中的欲望。“哎呀媽呀，這樣的也能上啊？那我也能上。”。于是乎，《機(jī)器人大擂臺》這個比賽節(jié)目就一屆一屆的舉辦下去，直到現(xiàn)在。
以上內(nèi)容來自知乎，如果侵犯您的版權(quán)，。。。。
調(diào)侃完畢，下面進(jìn)入今日主題《對戰(zhàn)斗機(jī)器人的模態(tài)分析》。
對機(jī)器人的模態(tài)分析
圖0 戰(zhàn)斗機(jī)器人ICEWAVE battlebot
在機(jī)器人競賽中，獲勝者試圖通過造成傷害或破壞關(guān)鍵部件來摧毀對手。在設(shè)計研發(fā)過程中，工程師通過模態(tài)試驗獲得機(jī)器人的固有頻率、阻尼和模態(tài)振型，幫助識別結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，模態(tài)分析獲得機(jī)器人的模態(tài)參數(shù)，對機(jī)器人的設(shè)計和性能優(yōu)化具有重要意義。
錘擊法模態(tài)試驗，采用力錘和單軸加速度傳感器。由力錘激勵的脈沖具有很寬的頻率范圍。為避免巡回響應(yīng)法產(chǎn)生的質(zhì)量附加效應(yīng)，采用巡回激勵法進(jìn)行模態(tài)試驗。
使用Spider-80X硬件和最新版EDM 10.0 模態(tài)軟件進(jìn)行錘擊法模態(tài)試驗。
圖1 機(jī)器人模態(tài)錘擊試驗
將槳葉模型劃分成30個節(jié)點均勻分布的網(wǎng)格，以獲得良好的模態(tài)振型空間分辨率。使用彈性繩懸掛機(jī)器人，模擬自由-自由邊界條件（如上圖所示）。用金屬錘頭的力巡回敲擊每個測量點，使用粘貼在測點上的單軸加速度傳感器捕捉?jīng)_擊激勵的響應(yīng)。測量垂直槳葉方向上的激勵和響應(yīng)有助于獲得面外模態(tài)振型。
圖2 機(jī)器人幾何模型
我們對機(jī)器人結(jié)構(gòu)3.5kHz頻率范圍內(nèi)的模態(tài)感興趣，因此設(shè)置采樣率為8kHz，塊大小為8192，從而得到0.9765Hz的精細(xì)頻率分辨率。每個測量自由度上對3幀數(shù)據(jù)進(jìn)行線性平均，可以獲得更高精度和降噪后的測量結(jié)果。
使用金屬錘頭的力錘容易激發(fā)3.5kHz頻率范圍的脈沖。使用較大的塊大小能確保響應(yīng)自然衰減，而無需引入力-指數(shù)窗函數(shù)。這種塊大小的另一個優(yōu)勢是可以獲得更精細(xì)的頻率分辨率。通過這些設(shè)置，不會產(chǎn)生頻譜泄露，可以使用均勻窗函數(shù)。
圖3 機(jī)器人錘擊激勵測量
相干圖可用于驗證測量結(jié)果，從上圖的相干圖可以看出測量結(jié)果不錯。相干圖的谷值出現(xiàn)在反共振頻率處，說明在對應(yīng)頻率處的響應(yīng)水平相對較低。總體來說，輸入和輸出在分析頻率范圍內(nèi)是相關(guān)的。
從模態(tài)數(shù)據(jù)選擇選項卡中可以看到，測量頻響信號的激勵和響應(yīng)自由度可以相互自由切換。
頻響曲線顯示在3.5kHz分析頻率范圍內(nèi)有良好的峰。將30個實測頻響疊加，可以識別出幾階模態(tài)振型。峰重疊良好說明測量結(jié)果較好，沒有產(chǎn)生質(zhì)量附加效應(yīng)。
圖4 模態(tài)數(shù)據(jù)選項卡顯示疊加后FRF的幅值和相位
復(fù)模態(tài)指示函數(shù)(CMIF)用于指示分析頻率范圍內(nèi)的模態(tài)。此外，還可以通過求和頻響函數(shù)來識別模態(tài)。采用新的Poly-X算法對頻響函數(shù)進(jìn)行曲線擬合，得到如下穩(wěn)定性圖。在所需的頻率范圍內(nèi)選擇六階柔性模態(tài)。
圖5 在分析頻率范圍內(nèi)通過模態(tài)指示函數(shù)定位和識別模態(tài)
選取穩(wěn)態(tài)極點，得到感興趣模態(tài)的固有頻率和阻尼比。通過殘差計算獲得與每階模態(tài)相關(guān)聯(lián)的模態(tài)振型。
圖 6 40 Hz 時機(jī)器人的一階彎曲模態(tài)
圖 7 345 Hz 時機(jī)器人的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)
圖 8 509 Hz 時機(jī)器人的高階彎曲模態(tài)
圖9 2004Hz時機(jī)器人的彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)綜合
通過快速掃描測量頻響數(shù)據(jù)集，可以將機(jī)器人在每個頻率的變形可視化。通過這些頻譜數(shù)據(jù)，我們知道各階模態(tài)是解耦的，因此可以使用ODS功能分析和研究在這些不同頻率上的工作變形和擾度。
圖10 機(jī)器人的頻域ODS
結(jié)尾
首先感謝您的不離不棄，用極大的耐心將該篇文章閱讀完。
模態(tài)實驗進(jìn)行了一下午，就順利的結(jié)束了，我們也滿意的拿到了ICEWAVE battlebot模態(tài)參數(shù)，驗證了其戰(zhàn)斗的可靠性，并根據(jù)模態(tài)數(shù)據(jù)給予專業(yè)的技術(shù)評估和建議，改善其力學(xué)特性，以便能發(fā)揮最大的破壞力及抗擊打能力。
實驗最后，ICEWAVE battlebot給實驗現(xiàn)場的人來了一場真人秀，并當(dāng)場砸碎了幾個機(jī)器人以及周圍的垃圾桶，因為保密的原因我們無法將現(xiàn)場的圖片和視頻發(fā)給各位欣賞，但是ICEWAVE battlebot 將會在電視《探索》頻道（Discovery Channel）上出現(xiàn)，我們期待大賽中，它能夠取得優(yōu)異的成績。屆時我們會發(fā)送相關(guān)的表演給大家分享。