（机械电子工程专业论文）以人为原型的机电产品概念设计自动化技术与机器人实例研究.pdfVIP

摘要 2 0 世纪6 0 年代咀来，以微电子技术及信息技术为主导的高新 技术革命极大推动了科学技术的发展，一大批逐步形成的高新技术 以空前的规模向生产迅速转化。机电一体化正是在这场新技术革命 中产生的新兴领域，并取得飞速发展。机电一体化技术的迅速发展 已使机电一体化产品的个性化，柔性化、智能化成为机械产品的重 要发展方向。面对世界市场日益激烈的竞争，单纯靠模仿国外产品 将使企业失去市场竞争力。只有通过产品创新，才能从根本上解决 企业的生存和发展问题。 产品设计的概念设计阶段更加注重设计的整体性、创造性，在 概念设计阶段进行的设计方案的创新具有较高的创新层次现行的 方案设计主要依赖子设计者的经验，并没有从根本上形成科学的设 计方法，或者在传统机械的基础上进行的改造，并没有从根本上实 现机电系统的创造性设计如何把经验设计变成遵循一定理论的科 学的设计方法是进行机电系统创新设计研究的关键。 本文在这一问题上进行初步研究，以机器人这种典型的机电系 统为例。以分解重构理论、生长型设计、人为原型设计理论为指导， 对机电系统的设计理论和方法进行了研究，建立了相关模型库。随 后将研究成果应用于机器人设计过程取得了预期的效果下面是本 文主要内容的概括； 对目前的产品概念设计及机电系统的概念设计方法做了总结， 指出了机电系统概念设计中的关键问题；分析了生物生长机制与产 品设计的相似之处，人为原型进行自动化设计的依据，以及分解重 构理论、功能表面原理、广义定位原理在产品设计自动化中的应用； 得出机电系统以人为原型的创新设计方法；建立了机电系统各个单 元的模型库及知识库；随后进行了实例验证。 山东大学硕士学位论文 最后，本文对全文进行了总结，提出了课题尚待进一步深入研 究的内容，并对以后的工作进行了展望。 关键词设计自动化；机电系统；概念设计；分解重构；生长型设 计 i i a bs t r a c t s i n c et h el9 6 0 s ，h i g h t e c hr e v o l u t i o nl e a d e db ym i c r o e l e c t r o n i c t e c h n i q u ea n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ca n dt e c h n 0 1 0 9 yr e m a r k a b l y ag f e a tm a n yo fn c w “n d so f h i g ht e c h n 0 1 0 9 i e sw e r et r a n s f o r m e di n t op r o d u c t i o nr a p i d l y an e w a r e a ， m e c h a t r o n i c st e c h n o l o g ya p p e a r c dt h e na n dh a da f a s t d e v e l o p m e n t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，s c i e n c e a n dt e c h n o l o g ya r e a su t i “z cc o m p u t e r st op r o c e 8 si n f o r m a t i o nm o r e a n dm o r e ，s c i c n t i f i ca n dt e c h n i c a lp e r s o n n c la n de n g i n c e r sh a v et od o t h e i rw o r kw i t ht h eh e l po fc o m p u t e ra u t o m a t i o n t h ei d i v i d u a l i ty n e x i b i l i t y a n di n t e l l i g e n c eh a v eb e c o m ei m p o r t a n t d c v e l o p m c n t d i r e c t i o no fm e c h a n i c a lp r o d u c t 8w “ht h ed e v e l o p m e n to fs c ie n c ea n d t e c h n 0 1 0 9 y i nt h ef a c eo fd r a s t i cj n t c r n a t i o n a im a r k e tc o m p e t i t i o n s i n c r e a s i n g l y ， a n dg r e a ta t t e n t i o ni ni n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t g ， e t c r p r i s c sw i l l l o s em a r k c tc o m p e t i t i v e n e s si ft h e ys i m p l yr e l yo n c o p y i n gf o r e i g np r o d u c t s o n l yt h r o u g ht h ep r o d u c tc r e a t i v i t y ，c a n e n t e r p r i s e s 8 0 i v e t h e p r o b l e m o f s u r v i v i n g a n d d e v e l o p i n g f u n d a m e n t a l l y a sa ni m p o r t a n tp a r to fp r o d u c t i o nd e s i g n ，c o n c e p t u a ld e 8 i g n p a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h ei n t e g r i t ya n dc r e a t i v i t y i nt h ec r e a t i v e d c s i g np r o c e s s o fm e c h a t r o n i c 8 s y s t e m ， t h ec r e a t i o no fd e s i g n s c h c m e si si nah i g h c rc r e a t i v el e v e li nc o n c e p t u a ld e s i g n c u r r e n t s c h e m ed e s i g no fm e c h a t r o n i c ss y s t e mb a s i c a l l yd e p e n d so n d e s i g n e r 8e x p e r i e n c ea n dd e s i g nc o n c e p t i o n c u r r e n tm e t h o dh a sn o t b e c o m ea8 c i e t i f i cd e s i g nm e t h o d o rd e s i g n e rc o u n t e r f e i t st h e0 1 d p a t t e r n ，i td o e sn o tf o r ma ni n n o v a t i v cd e s i g nv e r i t a b l y h o wt o t u r n t h ce x p e r i e n c e d e s i g ni n t os c i e n t i f i cd e s i g nm e t h o dt h a tf 0 1 1 0 w sa c e r t a i nt h e o r yb e c o m e sak e yf a c t o ri nm e c h a t r o n i c sd e s i g n f a c e dt ot h eq u e s t i o na b o v e ，t h i sp a p e rd o e ss o m ef e s e a r c hw o r k o nd e s i g nt h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d ，b a s e do ns o m et h e o r l e ss u c ha s p r i n c i p l eo fd e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ，g r o w t hd e s i g na n d h u m a n0 r i g i n a t e dd e s i g n ，s t u d i e st h ed e s i g np r o c e s so f r o b o t ，as t y i e m e c h a t r o n i c s 。e s t a b l i s h e s3 dm o d e lb a s e ，t o o t h et h e o r e t i c a la c h i e v e m e n t 8h a v eb e e na p p l i e dt ot h es c h e m e c f e a t i v ed e s i g np r o c e s so fd e v c l o p i n gr o b d ta n da c h i e v e da n t i c i p a t e d r e s u l t s t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： g i v eas u m m a r i z a t i o no fp r e s e n tc o n c e p t u a ld e s i g no fc o m m o n 口r o d u c t sa n dm e c h a t r o n i t s ，p o i n to u tt h ek e y o fc o n c e p t u a ld e s i g no f m e c h a t r o n i c ss y s t e m p o i n to u tt h ec o m p a r a b i l i t yo fb i o l o g yg r o w t h a n dp r o d u c td e s i g n ，t h er e a s o no fh u m a n0 r i g i n a t e dd e s i g na n dt h e a p p l i c a t i o n o fp r i n c i p l eo fd e c o m p o s i t i o n a n dr e c o n s t i t u t i o n ， f u n c t i o nf a c e ， g e n e r a l i z e dl o c a t i o np r i n c i p l e g i v et h ec r e a t i v e d e s i g nm e t h o dh u m a no r i g i n a t e do fm e c h a t r o n i c ss y s t e m b u i l dt h e m o d e lb a s ea n dk n o w l e d g eb a s e0 fm e c h a t r o n i c su n i t s t h e n ，e x a m p l e v a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s s a n dv a l i d i t yo ft h e o r y r e s e a r c ha n d t e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o n a tl a s t t h er e s e a r c hc o n t e n t sa r e t h a tn e e dr e s e a r c hi nf u t u r ea r ep u t n e x tr e s e a r c hc o n t e n t si sm a d eo u t s u m m a r i z e d ，a n dt h eq u e s t i o n s f o r w a r d ap r o s p e c ta b o u tt h e k e yw o r d 3d e s i g n a u t o m a t i o n ； m e c h a t r o n i c ss y s t e m ； c o n c e p t u a l d e s i g n ；d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t i t u t i o n ；g r o w t hd e s i g n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 埠 日期：塑：兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：型 l 函u 7 。r c ) 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 高新技术渗透到传统产业，引起传统产业的深刻变革。机电一 体化正是在这场新技术革命中产生的新兴领域微电子技术、微型 计算机技术使信息与智能和机械装置与动力设备有机结合起来，使 得产品结构和生产系统发生了质的飞跃f l 】。就机电系统的设计方法 而言，传统的设计方法和各种现代设计方法是普遍适用的。而机电 产品的机电一体化设计方法又是现代设计方法的重要组成部分。机 电一体化是机械技术、电子技术和信息技术的有机结合，需考虑哪 些功能由机械技术实现，哪些功能由电子技术实现，进一步还要考 虑在电子技术中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现；存在 着机电有机结合如何实现，机、电、液传动如何分配，机电一体化 系统如何进行整体优化等不同于传统机电产品设计的一些特点。因 此，机电一体化产品必然有一些特有的设计方法，能够综合运用机 械技术和电子技术的特长使其充分发挥机电一体化的优越性 人和动物的本质区别在于人会制造和使用工具在漫长的历史 长河中，人类不断开发工具，工具逐渐代替人的部分功能，从而慢 慢解放自我设计是人类的基本活动，设计的过程是解决问题的过 程，是使产品由初始状态通过单步或多步变换实现或接近理想状态 的过程。如果实现变换的所有步骤都已知，则称为“常规问题”； 如果至少有一步未知，则称为“发明问题”。解决常规问题的设计 是常规设计，解决发明问题的设计是创新设计。创新设计是解决发 明问题的设计，该过程的核心是概念设计【2 1 概念设计是在全面考 虑各种设计约束的前提下，以设计目标为输入，以产品概念设计方 案为输出的系统所包含的工作流程。产品概念设计是产品设计过程 中最富有创造性的阶段，在产品的全生命周期中，5 0 的产品特征 山东大学硕士学位论文 ( 包括产品的性能、可制造性和生产成本等) 由概念设计阶段决定 f 引。产品概念方案设计是决定生产最终质量、市场竞争力及企业获 利的关键因素【引，因此，机电产品概念设计越来越多地受到人们的 重视。 以往的机电产品设计往往根据自己的经验，并无规律可循。机 电系统的设计是一个相对较新的领域，这个领域中，无论是专家还 是理论，都不够成熟和稳定，缺乏通盘考虑，缺乏进行机械系统和 控制系统整体设计的经验和规律性的东西，往往是将机械系统和控 制系统分开设计、分步设计，甚至是分工设计，这无疑降低了机电 系统的整体性、系统性，降低了产品设计的效劳，提高了成本，无 益于达到客户的需求。 随着科学技术的进步、市场经济体制的不断深化和改革，各个 企业面临着技术的竞争、市场的竞争。如果企业一味闭门造车，即 使自己的产品有过硬的质量和合理的价格，也未必能在竞争中取 胜，企业在注重产品质量和价格的同时还要把握客户对产品的需 求。我们有必要从设计的开始、设计的过程对机电产品的设计方法 进行探讨和研究，不能仅仅满足于适应性设计和变形设计，而要从 人的需求出发，寻求一定的设计规则，对机电产品进行创新性设计， 因此，机电系统的创新性概念设计具有十分重大的意义。 1 2 机电系统概念设计方法 1 2 1 产品概念设计理论与方法研究现状概况 按研究目的的不同，设计可分为三个层面，即：设计哲学，从 心理学及认知的层面研究设计的本质；设计理论与方法，依据设计 哲学的研究结果及设计的实践，建立分步的或细化的设计过程模 型、研究过程模型的支持工具、开发工具软件；设计的应用，包括 设计产品、稳健设计、可靠性设计、优化设计、动态设计等【2j 。对 于机械产品设计过程的不同理解，从本质上说是由于对设计的内涵 2 山东大学硕士学位论文 有不同的认识和对设计的理论有不同的理解。国内外的学者对产品 设计过程有不同的论述，归纳起来主要有以下几种p a h l 和b e i t z 认为机械设计过程可分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设 计四个阶段【5 】；k o l l e r 认为机械设计分为产品规划、功能设计、定 性设计和定量设计四个阶段【6 】；邹慧君教授认为机械设计分为产品 规划、方案设计、详细设计和改进设计四个阶段【3 】。总之，产品设 计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计在上述产品设计 过程中，概括起来说，设计的主要步骤是两步：一是概念设计 ( c o n c e p t u a ld e s i g n ) ，另一是构型设计( c o n f i g u r a t i o nd e s i g n ) 。 前者的目的是制定出方案，后者的目的是设计出具体构型。从已有 的各种设计步骤论述中可以看出概念设计应包括产品规划、功能设 计和定性设计等内容l 7 1 。 自从p a l h b e i t z 于1 9 8 4 年在其b n g i n e e r i n gd e s i g n 一书中 提出概念设计这一名词以来，人们已经对概念设计进行了二十多年 的研究他们将概念设计定义为：“在确定任务之后，通过抽象化， 拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解 途径，得出求解方案，这一部分设计工作叫做概念设计。” 概念设计不能简单地等同予过去理解的方案设计。概念设计是 根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解 以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原 理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化 设计概念设计的过程是一个发教思维和创新设计的过程，是一个 求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的各种方 案并最终确定综合最优方案的过程在概念设计的过程中，要求设 计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、商业运作等 方面知识。 与其他设计阶段相比较，概念设计阶段具有以下四方面的特点 【8 】： ( 1 ) 所设计的机械都是以其特性及与其他机械之间的关系等 外部特征出现； 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计要求通常都是定性的而不是定量的； ( 3 ) 设计要求一开始并不是很完善，随着概念设计的螺旋式 进行，才能达到设计要求的完善、可操作和协调一致； ( 4 ) 设计过程并没有一定的程式，而是随着设计问题和约束 的特殊性、设计者的考虑等因素而变化的。 针对产品概念设计的特点，国内外学者们在概念设计方法学、 知识表达及建模等方面进行了大量的研究工作，并取得了丰硕的成 果。 在国外，s t u r g e s 通过定义功能之间的关系，使功能图的语义 更加完善【9 】；h a n b u r g 提出了设计人员交互工作的问题和在不确定 状态下的决策技术；b r a c e w e l l 提出分层的信息结构，实现计算机 辅助的功能载体映射。在知识表达和建模方面，q i a n 通过对功能- 行为结构的表达，由交互方式在领域内产生创新方案1 0 】：u m c d a 将设计知识表达为功能行为状态的组合关系，以产生新方案1 ； c u l l e y 建立了一个产品装配模型，以快速找出所需部件在开发辅 助工具方面，人们借助人工智能( a i ) 技术和数据库技术来推动概 念设计的智能化。a d z h i e v 提出面向代理的方法，有利于并行设计 环境下使各种设计变量保持高度一致性12 】；t a b e l b e n d i a b 应用基 于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来；l i 利用定 性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计【13 1 。在基于计算机的设 计环境方面，t w e n t e 建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境， 支持多模型状态；t o m i y a m a 利用大型数据库建立了一个概念设计 开发环境；s h a r p e 主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体 和超文本技术。 在国内，上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授 等人自1 9 8 9 年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，结合 机械产品概念设计开展了较为系统的研究【1 4 3 ，开发了“机构系统方 案设计专家系统【1 5 ，】”。孔凡国将方案创新设计过程划分为两个主 要阶段：基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推 理的方案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统 4 山东大学硕士学位论文 ( m c d i s s ) 【”l 。在这个基础上，他们还提出了功能行为结构的 概念设计模型和基于本样体知识表达和推理相结合的方法。为了使 概念设计易于为企业机械产品设计具体应用和取得实效他们在国 内首次编写了机构运动方案设计手册) 【”】和“机构及其系统设计 【1 9j ”，供设计人员产品创新设计时应用。同时编著了机构系统设 计1 2 ”，阐述了方案设计的理论和方法。华中理工大学周济教授 等人的研究主要集中在基于实例的基础上，将之应用于工程中的再 设计问题及实例检索与重用上f 2 ”。浙江大学潘云鹤教授等人，提 出了基于原型的知识表示和推理方法【22 1 ，冯培恩教授提出了基子 设计目录的方案选择智能方法，并将其应用到了固液分离设备当中 【23 l 。同济大学王小同等将人工神经网络与传统人工智能相结合， 开发了机翼结构方案智能设计系统【2 ”。 1 2 2 机电系统的概念设计现状及特点 机电系统的设计方法问题，吸引了世界上许多研究人员当今 世界上对机电系统的设计研究主要集中在欧洲。德国d a r m 8 t a d t 大 学的r i s e r m a n n 、h j h e r p e l 、m h e l d 、m g l c s n e r 等人对机电系统 设计进行了较深入的研究 2 5 26 1 。他们的研究领域主要集中在机电控 制系统的设计方法学上丹麦理工大学的j a c o bb u n r 等提出机械、 电子、软件三大功能模块的结构。该模型的特点是将功能按机械、 电子和软件三个方面进行分配，该方法的新意在于按不同的科学门 类方法有助于与后来的模型表达，使机电系统错综复杂的关系可以 按学科门类理顺。 国内专家学者对机电系统的研究较晚也比较少，上海交通大学 邹慧君教授侧重于对现代机械系统运动方案的概念设计，进行了赋 有成果的研究；浙江大学的冯培恩教授在机械产品概念设计方面进 行了较深入的研究【2 7 29 1 ，从设计方法学的角度出发，提出了运用 原理解的设计目录，对机械产品进行原理求解的方法开发了实现分 离功能的原理方案知识库【2 7 1 等等 山东大学硕士学位论文 机电系统概念设计阶段的工作高度体现了设计的创造性、综合 性。随着技术的进步，人类需求的日益增长，设计的难度日益增大， 既很难把握众多相关领域技术的发展，也很难全面准确地捕捉市场 现实和潜在的需求。整体而言，机电系统概念设计具有如下特性： ( 1 ) 创新性：由于机电系统是一个复杂的综合系统，所以这 里的创新可以是多层次的，如，从结构修改与替换、布局变换到工 作原理更换、功能修改和增加、形态变异、人机约束满足等高层次 的创新活动，都属于概念设计的范畴。不同层次和领域的创新，都 将给产品带来一系列的变化和创新。 ( 2 ) 多样性：机电系统概念设计的多样性主要体现在其设计 路径的多样化和设计方案的多样化。不同的市场需求，不同的功能 定义、分解，不同的工作原理，不同的产品形态，不同的布局形式 等，都会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在产品概念设 计中产生完全不同的解决方案。 1 2 3 机电系统概念设计的主要问题 为了提高机电产品概念设计的水平，采用计算机辅助概念设 计。利用计算机强大的计算能力以及人工智能技术，辅助设计人员 进行产品创新设计，实现概念设计的计算机化已经成为设计领域一 个重要的发展方向。 机电产品的计算机辅助概念设计主要有以下内容： ( 1 ) 计算机如何进行设计。 ( 2 ) 计算机如何获取答案。 ( 3 ) 计算机如何分析问题。 ( 4 ) 计算机如何寻找方案。 ( 5 ) 计算机如何选择方案。 ， 第一部分的内容是指概念设计的本质特征，构建支持概念设计 过程的理论和方法，属于概念设计方法方面的研究。 第二部分的内容是指如何在计算机中建立模型。是关于设计对 6 山东大学硕士学位论文 象的计算机抽象描述和表达。目前信息建模方法有：几何模型、语 言、图( 树) 、对象，知识模型、功能表面法等 第三部分是指如何对用户需求进行分析，建立对产品需求的描 述。 第四部分的内容是指如何推理，建立需求与产品之间的关系， 也就是采用何种合适的方法将用户需求映射到相应的物理空间在 实际推理过程中存在知识驱动和数据驱动两种方式，知识驱动应用 在存在大量领域知识的情况下典型技术如知识推理和优化；而数据 驱动指摈弃规则，依赖大量领域实际数据参与推理。目前概念设计 阶段的主要推理技术有：定性推理【1 3 ，3 0 ，3 ”、基于实例的推理【3 2 ，3 ”、 神经网络【2 4 ，3 ”、基于知识的推理【3 5 ，3 6 】和基于约束的推理 3 7 ，3 8 】等。 第五部分的内容是指如何评价方案。概念设计是一个基于知识 的过程，是一个多要素、多约束条件下的知识决策的过程。在该阶 段中，设计者对设计对象的认识不完全，掌握的信息不精确，因而 做出正确无误的决策和评价是相当困难的机电系统的评价是一个 多层次，多因素的综合评价问题，按单方面因素方法去评价不能全 面综合地反映机电系统的“先进程度”。机电系统评价内容应科学、 合理、全面。根据机电系统的组成特点，将其分为不同的评价方面、 要素。据此。选择适合自己的方案。 1 3 生物生长机制与产品设计 随着各国对生物工程的普遍重视，生物学发展迅猛，科学家们 在生物学领域的研究成果显著，热情高涨，并取得了一定的成果 从历史长河上看，自然界中的生物，经过千百万年的进化历程，自 然选择、优胜劣汰，由简单到复杂，逐步进化。是一个不断适应环 境、满足环境需求的优化过程。从单个生命的历程来看，自身细胞 的分裂，与环境、同种族、不同种族的竞争也是一个适应的过程， 优化自身的过程我们发现，产品的设计中包括概念设计、方案选 优、详细设计的设计过程类似于自然界中的生物生长机理以生物 7 山东大学硕士学位论文 生长的形式完成产品概念结构的设计，这就是生物机理在产品设计 中的应用。 1 3 1 生物生长机理 随着生命科学研究的深入，人们对生命本质的认识越来越深 刻我国学者在恩格斯对生命定义的基础上对生命的本质给出了一 个完整的定义：生命，主要是由蛋白质和核酸组成的，具有自我更 新、自我调节、自我复制，对体内外环境做出选择性反应能力的多 分子体系【39 1 。 细胞是生命体的形态结构和生理功能的基本单位。细胞的种类 很多，形态各异，功能不同，但都能显示出生命活动的特征：从外 界吸取养料，进行新陈代谢。细胞是由多种化合物构成的复合系统， 包括水、无机盐、糖、脂肪、蛋白质和核酸等物质。其中水占8 0 9 0 ， 蛋白质占7 1 0 。蛋白质和核酸，是细胞核心部分。细胞由细胞膜、 细胞质和细胞核组成。细胞质中有多种细胞器，如线粒体、核糖体 等。其中线粒体为细胞活动提供能量，是“动力工厂”。细胞核主 要由核膜、核仁、染色质组成，位于细胞中央。细胞是一个整体， 在正常情况下，它各部分协调一致，互相作用，又是一个功能单位。 生命体内新细胞的产生，是通过原细胞分裂来实现的。 1 3 2 产品概念设计与生物生长的比较 总结产品概念设计与生物生长的特点，相似性主要体现在以下 三个方面：一是过程相似性；二是结构相似性；三是阶段重要性相 似性。 所谓过程相似性，即产品概念设计的设计过程与生物体生长过 程的相似性。所谓结构相似性，即产品概念结构构成与生物体构成 上的相似性。从阶段重要性上看，在生物体生长的整个过程中最具 创新性、跨越性的阶段就是生命最初诞生的时期。在这个早期阶段 山东大学硕+ 学位论文 如果能打下坚实的营养基础，势必对以后的生命发展具有强大的推 动作用。对应于产品设计全过程，最具有创新性的时期就是产品设 计的早期阶段一一概念设计阶段，如果在这一阶段能够做出正确的 决策，对最终设计可起到事半功倍的效用。 综上所述，机械产品与生物体在过程、结构、阶段重要性方面 具有诸多的相似性，决定了以生物生长机制进行产品设计是可行 的。 1 4 论文主要工作及体系结构 1 4 1 论文主要研究工作 本文概述了机电产品概念设计及进行计算机辅助设计中，理论 的发展状况和技术上的关键问题。以本实验室研究的以人为原型的 设计自动化理论为基础，结合相关理论，对机电系统创新设计方法 进行研究，并对机电系统在计算机中的表达方法做了进一步的探 讨。 第一章阐述了课题的研究背景与意义综述了机电系统概念设 计方法，对比了生物与产品在过程和结构上的相似性，最后介绍了 本论文的主要研究内容。 第二章介绍了本论文主要的理论支撑，包括以人为原型的设计 自动化理论、生长型概念设计方法，以及支持以人为原型设计的理 论基础。 第三章中，利用分解与重构理论在对机电系统的需求和功能分 析以及以人为原型设计方法分析后，进行机器人的设计。 第四章介绍了计算机辅助设计中，机电系统的建模方法，特别 的，进行了基本电子元件模型库的建立与物理功能知识的集成。 随后的第五章，结合应用实例，说明理论和技术的可行性。 结论中，对全部论文的理论研究进行总结，并对该领域的未来 山东大学硕士学位论文 研究进行展望。 1 4 2 论文的体系结构 1 0 本文的组织安排如下图1 1 所示。 第1 章绪论 机电系统概念设计方法、产品设计 与生物生长机制关系的研究情况 多 第2 章以人为原型的设计自动化理论及理论基础 以人为原型的设计自动化理论框架 1 f1 f 以人为原型的设计的相关理论基础 多 l 第3 章机电系统的创新设计方法研究 l 机电产品设计中需求和功能的分解与重构l j 、典型机器人实例方 l 机电系统设计中的以人为原型设计方法厂案设计过程及分析 乡 第4 章机电系统概念设计模型建立 基于需 各个子系统ii 各个子 求的机之间连接模b = = = 刮系统模 电系统 辛旧铲 的分解 子系统 与系统基本电子元件三维模型库的建 重构立与物理知识的集成 功能 结构一 功能零件一 实体零件。 重构，重构就是综合，对于创新具有分析方法不可替代的作用； 1 6 山东大学硕士学位论文 在设计过程中，方案筛选、模型统一、组合相容性和整体性检查、 系统完备性检验等都需要重构技术 分 解 分 解 图2 2 产品结构分解重构过程 重 构 重 构 图2 3 设计需求分解重构过程 在分解重构模型中，分解的对象都需要重新综合起来。在结构 设计中，各独立单元的功能与结构，例如功能表面、功能零件、功 能产品都需在分解的基础上重新构成。根据对象的关系类型，各独 立单元的功能与结构可以分层逐步综合例如，功能表面一 功能 零件一 功能产品的顺序重构。如图2 3 产品结构和图2 4 设计需 求的重构情况。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 功能表面原理 设计自动化的实质，就是产品设计中的功能结构自动映射。 为解决功能结构直接映射存在的不确定性、病态性、多解性等问题， 我们在映射过程中引入了功能表面的概念。功能表面是指在产品设 计中承担功能一结构映射的信息载体。功能表面在产品结构中承担 某一特定功能，是产品功能的范畴；同时，它是一个表面，具备一 定的几何特征，因此又属于产品结构的范畴；功能表面是个信息载 体，它作为功能与结构的中间媒介，在功能与结构问有效地传递信 息这样，就使得传统的映射方式功能一结构转化为功能一功能表 面一结构，如图2 4 所示，从而较容易实现功能与结构间的映射， 功能表面是实现产品功能的基本单元，同时也是产品结构的基本单 位【4 3 ，4 4 1 匿圈嚯疆垂卜悃 图2 4 基于功能表面的功能映射模型 所有功能表面由定位表面和使定表面组成。零件上用于实现自 身定位的功能表面，称为定位表面，用于其它零件定位的几何表面， 称为使定表面( 见图2 5 ) 。 功能表面与特征相比具有更强的表达能力，在几何造型时可以 表达任意形状。它又是完成机械产品各种功能的最小组成单元，可 以将产品信息的表达置于较零件、特征更低层的表面一级，使得信 息表达更完备，信息组织更灵活。另外，功能表面从功能设计要求 中提出，兼顾装配与制造等并行过程问题，因此能够全面解决设计 过程的自动化和创新设计。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 广义定位原理 图2 5 轴承盖上的各种表面 哲学上讲，运动和静止是对立统一的。机械产品各个部件相互 之间存在着制约关系，我们设计中必须考虑部件之间的制约关系， 而其中的定位关系是一种动态的定位关系，可以说，部件之间的运 动和静止在本质上是一致的。 刚性实体具有独占性，四维空间( 包括三维空间域和时间空间域) 内任意一点只能属于唯一一个实体的唯一点。两个实体在接触时， 必然发生相互作用，即相互限制对方的自由度。在两者能力不平衡 的情况下，其中必有一个成为主动件，而另一个则成为从动件。主动 件通过运动不断占有从动件原来的空间，从而使从动件产生大致沿 接触面法线方向上朝向从动件一侧的运动趋势。从动件的实际运动 为其各个表面受作用的综合结果【”】运动实质上是通过主动件对 从动件在四维空间的状态“限位”作用来实现。通常讲的零件定位 实质上是指机体( 相对静止) 对该零件的“限位”。从这一意义上讲， 运动和定位在本质上是一致的。引入四维空间的概念后，我们就可 以把零件的运动传递和空间定位，传动件和定位件两组概念统一起 来，从而在机械产品设计中可以按照同样的规律来统一处理。 据此我们提出了机械产品的广义定位原理构成机械产品的每 个零件在四维空间中都必须具有确定的位置，即零件的1 2 个空间自 由度( 包括3 对直移自由度和3 对转动自由度) 全部消除，这就是机械 1 9 山东大学硕士学位论文 产品的广义定位原理【46 1 。如图2 6 所示。 图2 6 广义定位原理定义的1 2 个空问自由度 传统6 点定位原理只考虑了刚性实体在空问静态定位的抽象条 件与要求，仅作为在静态夹具定位设计的依据，它并未从结构设计角 度考虑如何实现定位，也没有根据机械产品功能上的各种要求综合 考虑实际的定位问题，因而操作起来常有矛盾产生，使得产品结构设 计主要根据经验进行。难以实现自动化。广义定位原理阐明了机械 产品中每一零件都应遵循的法则，即每个零件的广义定位都是依靠 与其直接相关的零件来达到。因此，零件广义定位是产品达到最终 设计状态的一个非常重要的综合约束条件，可以作为产品概念设计 自动化和结构设计自动化的理论基础，进而实现零件的自动综合设 计。 分别属于两个不同零件的两个工作表面在接触时会发生相互 作用，即其中一个表面会限制另一个表面的空间自由度。我们把发 生相互作用的这一对工作表面称为一个表面副，其中每个表面既可 看作被另一个表面限制了空间自由度，又可看作具有限制另一表面 空间自由度的能力。从本质上讲，产品的运动功能就是依靠产品各 个零件工作表面之间形成的表面趴中具体组成表面的限位能力来 实现的。在认识表面与自由度的关系时，我们主要从这一角度予以 理解。 2 2 4 生物流 王艳东在文献4 0 中提出生物流概念。外部信息通过人的感观 山东大学硕士学位论文 进入人体，以电信号的方式由神经系统传递给神经中枢，进而传递 给大脑，由大脑对信息进行处理加工，加工后的信息经由神经中枢 传递给神经子系统，进而传递到人的效应器官( 人的四肢，头，眼 睛等) 的神经末梢，骨骼和肌肉组织做出相应的反应。把这种信息 在生物体内流动的过程和途径定义为生物的信息流心脏是生命体 的发动机，是能量的来源，通过血液循环来把能量传遍生物体，供 给生物体营养成分，维持生物体正常的新陈代谢和生命活动。把能 量在生物体中的传输定义为生物体的能量流把信息流和能量流的 物质载体定义为生物体的物质系统，或物质流。把生物体内的能量 流、信息流和物质流合称为生物流。在生物的生长过程中，信息流、 能量流和物质流同时存在、互相依赖、同步生长。 以人为原型的设计自动化理论把人看作是设计过程中产品的 功能、需求、信息、结构和过程的原型，认为产品就是辅助和扩展 人的功能的机器人。机电产品是物质、能量和信息流的综合系统。 产品接受外部世界的需求信息，产品的传感器感受外部世界状态的 变化，输出电信号传递给控制器，由控制器做出决策，发指令信号 给驱动器，从而实现产品对外部世界的作用在以人为原型的设计 自动化理论里，把上述信息传递的过程称为产品的信息流产品是 通过结构来实现能量传递或转换的，机械能或其他形式的能量在产 品各个零件之间传递和转换，在以人为原型的设计自动化理论里， 我们把能量在外部世界和产品问的传递和转换称为产品的能量流 产品的功能通过其结构来实现，即通过各个零件之间的广义定位来 实现，各个零件是信息和能量传递或转换的载体，在以人为原型的 设计自动化理论里，我们把产品的结构称为产品的物质流。 2 3 本章小结 本章介绍了本文进行研究的理论基础，介绍了以人为原型的设 计自动化理论背景，与该理论相关的一些理论以人为原型的理论 介绍了人是产品设计的各种原型，分解重构理论是我们进行机电系 2 山东大学硕士学位论文 统功能分析的理论支持，功能表面原理，广义定位原理和生物流的 理论是我们进行生长型设计的理论基础。 第3 章机电系统的创新设计方法研究 3 1 基于需求和功能分析的过程模型 3 1 1 需求和功能 了解市场的需求，了解用户的需求是产品设计的开始。对需求 的分析是产品开发全生命周期的一部分，分析的过程和结论指导着 产品设计的全过程，需求分析是连接用户和企业的一个纽带我们 在讲述面向需求的设计的时候，一般都要考虑到多方面的需求问 题其中主要有企业需求、用户需求、技术需求针对产品本身而 言，我们主要考虑的还是用户需求功能是指产品所具有的效用和 被接受的能力产品具有一定的功能才能被用户接受才能获得生 产和销售的机会产品实质上是功能的载体，实现功能是产品设计 的最终目的。 需求像是客户提出的问题，而功能像是解题的思路，产品的结 构和方案则是问题的答案。机电系统的创新设计过程，就是围绕着 功能的分析，求解和组合实施的。 3 1 2 机电系统的主要功能要素及其分解 一个较为完善的机电系统，应包括以下几个基本要素1 ”4 9 】： 机械本体：即系统所有功能元素的机械支持结构。 能源部分：为系统提供能量和动力。 测试传感部分：对参数及状态进行检测，变成可识别的信号， 传输到信息处理单元，经过分析和处理后产生相应的控制信息 执行机构：根据控制信息和指令，完成要求的动作。 驱动装置：在控制信息作用下提供动力，驱动执行机构 山东大学硕士学位论文 控制及信息处理单元：信息和命令进行集中、储存、分析、加 工，根据处理结果，发指令。 机电系统既然是一个多要素组成的综合系统，对应着，就包含 着多种功能要素，图3 1 是一个加工中心的功能构成及其配合关系。 作业对象坯料( 物料) 与机床、刀具、夹具组成工艺系统，完成作 业系统，生成出合格的工件。电源电器对外部功能进行处理，完成 动力功能。数控装置把操作者输入的信息进行存储、运算和输出指 令，完成控制功能。传感器检测工作过程的变化，反馈给数控装置， 完成检测功能。机件连接和支撑各部分，完成结构功能【5 0 1 。 图3 一l 加工中心的功能构成 设计过程中就要寻求多个功能的实现方法和组合。然而每种基 本功能要素的实现无法通过简单的对应得到答案，特别是对实际经 验不是很丰富的设计者，面对复杂的机电系统往往无从下手。我们 用分解重构的思想来进行系统设计。先将总功能分级分解成多级子 功能，即分解到功能元，才可以通过简单对应找到功能载体。图3 2 说明了一般机电系统功能要素的分解。图3 3 指出了丝杠冷轧机的 功能要素的分解。 图3 2 机电系统功能要素 功能元 需篙羹需蒿粪器羹荽票翥釜翥型襄 号 图3 3 丝杠冷轧机的功能树 智能机械是机电一体化的最本质特征。在对机电系统进行分块 的时候，邹慧君教授指出，为了方便概念设计的实现，从功能角度 分