（机械设计及理论专业论文）模块机器人设计方法体系及cad系统.pdf

西南交通大学博士学位论文 第顺 摘要 本论文利用新一代人工智能计算机辅助设计方法，提出面向对象的复杂机械系统数据建 模和数据库方法，并提出以任务为驱动、基于事例、自上而下的模块机械系统概念化设计的 方法体系和c a d 系统框架。 长文中介绍了近年来发展迅速的模块机器人的标准模块和基本拓扑关系，根据模块机器人 概念化设计的特征，结合人工智能应用中基于事例的推理机制，本论文所提出的面向任务和 基于事例( t a s k - o r i e n t e da n dc a s e - b a s e d ) 的计算机辅助设计策略，旨在提出解决机械概念化 设计计算机辅助设计智能软件的思路和c a d 系统框架。论文分析了传统的专家系统和关系 数据库技术存在的问题，刨新地提出了利用晟新的产品数据描述语言e x p r e s s ，创建具有 面向对象( o m c c t - o r i c n t c d ) 特征的数据库，并对模块机器人以及工作环境进行了描述和事例 库的创建。本文提出了以面向任务为特征、基于事例的设计燕略和c a d 系统框架，以及实 现自上而下的计算机推理的流程。文中从面向任务的角度出发，探讨了模块机器人功能、性 能与拓扑结构的关系，定义了当前任务与相关任务和相关机器人的相似性评判准则，确定了 回调相关设计事例的的空间和流程。文中还对面向最终用户的修正策略进行了讨论，给出了 有关属性值修正的策略。所构造的专家界面和最终用户提供的界面，可分别用以标准模块和 模块机器人事例库的创建和对新任务的功能、性能和运动轨迹进行定义。在e x p r e s s 软件 包和v i s u a lc + + 5 0 编程环境下，实现了面向对象的模块y ，模块机器人数据库的建立，实现 r 面向任务描述、基于事例的自上而下计算机辅助设计 关键词机器人，概念设计，模块，基于事例的推理，面向对象，智俄c a d ， e x p r e s s 第2 页 模块机器人设计方法体系及c a d 系统 s o u t h w e s tj i a o t o n gu n i v e r s i t y p h d t h e s i s m e t h o d o l o g ya n dc a ds y s t e mf o rd e s i g n i n go fm o d u l a rr o b o t s l i us i n i n g a b s t r a c t ：t 1 l i st h e s i sp r o p o s e dan e wm e t h o d e l o g ya n dc a df o rd e s i g n i n go fm o d u l a rr o b o t s u s i n gt h en e wg e n e r 拍o no fc a dw i ma it h em e t h o d e l o g ya n dc a ds y s t e mw i mf e a t t t r e s o ft a s k - o r i e n t e d ，c a r e - b a s e da n dt o p d o w ni ss u i t a b l ef o rd e s i g n i n go fm o d u l a rm a c h i n e st h e d e v e l o p m e n ti nt h of i e l do fm o d u l a rr o b o t sw a si n t r o d u c e d t h es t a n d a r d r o o d u l e sa n d t o p o l o g i e so fm o d u l a rr o b o t sw e r ed i s c u s s e da sw o i l 。a c c o r d i n gt ot h ef e a t a r e so fd e s i g n i n g o fm o d u l a rr o b 0 话；c o m b i n e dw i t hm e c h a n i s mo fc a s e b a s e dr e a s o n i n gt h et a s k - o r i e n t e da n d c a s e - b a s es 缸a t e g vf o rc a dw a sp r o p o s e dt h em o t i v a t i o ni st op r o v i d ean e wg n i d e l i n ea n d i n t e l l i g e n tc a df r a m e w o r k f o rc o n c e p t u a ld e s i g no f m o d u l a rm a c h i n e st l d r o b l e m se x i s t e d mt h et r a d i t i o n a le x p e r ts y s t e m sa n dr e l a t i v ed a t a b a s e sw e r ed i s c u s s e da n e w l yp r o p o s e d d a t a b a s et e c h n o l o g yw i t ho b j e c t o r i e n t e df e a t - t a r e sw a se s t a b l i s h e du s i n ge x p r e s s t h a ti sa n i n t e m a t i o n a ls t a n d a r dl a n g n a g ef o rp r o d u c tm p r e s e n t a t i o na n de x c h a n g et h ed a t am o d e l i n g a n dr e p r e s e n t a t i o no fr o b o t st a s k sa n dt h e i rw o r k i n ge n v i r o n m e n tu s i n ge x p r e s sx v e r e d e v e l o p e df r o m t h e p o i n to f v i e wo f t h e t a r k - d r i v e n ，t h er e l a t i o n s b e t w e e n f u n e t i o n ，b e h a v i o r a n dt o p e l o g yo ft h er o o d u i a rr o b o t sw e r ea n a l y z e d t h er u l e sf o rd e t e r m i n l n gs i m i l a r i t i e s b e t w e e nt h ee l n t e n tt a s ka n dt a s k sa n dr o b o t ss t o r e di nt h ed a t a b a s e sw g o f cc o n f i r m e d t h e s p a c ea n df l o wo f r 眦l i e v a lw f f f ed e t e r m i n e da n dt h es t r a t e g i e sf o rr e c a l l i n ga n dm o d i f i c a t i o n o f r e l a t e dd e s i g n sw e r ep r o p o s e dt h ef r a m e w o r ko f t h ec a ds y s t e ma n df l o ww e r ed e s i g n e d f o re n d - u s e r su n d c rt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to f w i n d o w sn t p r o g r a m m e dw i t hm sv c 5 0 a n de x p r e s sk i tt h es y s t e mw a sp e r f o r m e ds m o o t h l yt h es y s t e mp r m f i d e sa ne x p e r t i n t e r f a c ef o re s t a b l i s h m e n to ft h ed a t a b a s eo fs t a n d a r dm o d u l e sa n dm o d u l a rr o b o t s ，a n da n e n d u s e ri n t e r f a c ef o rt a s kd e s c r i b i n ga f t e rg i v e nt h ef u n c t i o n b e h a v i o ra n dp a t ho fan e w t a s kg i v e nb ya ne n d - u s e r ，t h es y s t e mt r a v e r s e st h ep r o j e c td a t a b a s ea n dr o b o td b a s e sf o r s e a r c h i n gt h eb e s t m a t c h e dd e s i g nc a r eas u i t a b l er o o d m c a t i o no ft h er e l f i e v e dr o b o tw i nb e c a r r i e do u tw i t hl e s si n t e r f e r ep e r f o r m e db yt h ee n d - u s e r k e y w o r d s ：r o b o t c o n c e p t u a ld e s i g n 、m e d u l e c a s e b a s e dl - c a s e m n g 、o b j e c t o r i e n t e d ，c a d ， a i e x p r e s s 西南交通大学博士学位论文 第3 页 1 绪 本论文以模块机器人的设计方法和计算机辅助设计系统框架的开发为载体，系统地开展 模块化机械概念设计的研究，旨在提出面向最终用户、以任务为驱动的模块化机械的智能设 计方法体系和c a d 系统框架。 作为2 0 世纪最重要的科技产物一机器人在过去的几十年得到快速的发展和应用。在微 电子、现代控制工程、计算机、新工艺和新材料的支持下，从简单机器人从事简单重复性的 劳动，发展到具有触觉和视觉的智能机器人。机器人的应用领域也从工业发展到医学、航 天、海底作业。由于大量使用机器人可以提高生产效率、保证产品质量、降佤产品成本，商 用机器人在西方发达国家已经得到广泛应用。随着工业自动化进程的不断发展，以及人们对 个性化产品的追求，一成不变的产品己经失去对顾客的吸引。制造商们不得不挖空心思地推 出新产品，以招揽更多的客户，这就导致了产品的更迭周期愈来愈短。传统的流水线已经不 能满足当前的要求。为此，能在同一条生产线生产出不同产品的柔性生产线就应运而生。 模块化思想在柔性加工系统中得到曰益广泛的重视，而模块机器人以其硬件的可组台性 和控制软件可编程性，在柔性加工系统中充当扮演着越采越重要的角色。模块机器人以其可 组合性，可满足不同的作业要求，并以制造成本低、周期短和易维修性显示出其愈来愈明显 的优越性。 模块化机器人在过去的十余年中在德国、美国和日本得到极大的重视。在模块机器人研 究的前期，各国专家主要致力于标准模块的研究开发。模块机器人的最新研究成果表明，模 块机器人不仅在制造工业有着广阔的应用前景，而且在诸如太空搬运、核电厂物料运输与设 备维护等方面也有用武之地。对模块机器人的研究也从标准模块的研究发展到模块机器人设 计方面的研究，也就是如何根据任务要求，利用标准模块组成满足给定任务功能和性能要求 的模块机器人。 基于模块的设计方法是一个典型的概念化设计过程。众多的模块提供了实现不同功能和 具有不同性能的各种设备的可能，模块机器人的数据不涉及任何具体的模块结构设计，而是 将模块按照一定的顺序组合在一起。按照传统的计算机辅助设计系统的开发思路，设计系统 必须具备描述模块的数据库和各模块问相互连接的规则集，以便实现设计的前向设计。但目 前的问题是，模块的功能和其间的拓扑关系是决定机械最终功能的关键；而依靠模块本身的 信息，无法或很难建立这种关于拓扑间的规则关系。采用常规的基于元知识和规则的设计方 法，不仅在系统开发的前期需要对不同拓扑结构的模块机器人进行有关运动学和动力学方面 的建模，而且需要最终用户对模块间的关系和约束做大量的工作，导致了设计过程的繁杂和 知识表达的困难，使设计系统的开发难度增大。此外，基于模块的设计方法使所谓面向用户 的初衷不能得以很好的实现，用户不得不在模块的组合方面进行决策，使新产生的设计解满 足功能要求。再者，当基本模块的种类的不断增加，必将导致设计知识的获取越来越来困 难，系统的扩展和维护也将愈来愈困难。 复杂机械系统的计算机辅助设计在过去的数十年中取得了令人属目的成就。各种辅助设 计系统和软件为复杂机械的设计提供了种种便利手段，使设计更加快捷和有效。这些辅助软 件的共间特征是：设计为正向设计，即在设计方案或设计前提确定的情况下，进行基于元知 识和规则的前向推理。这在大多数工程问题的求解过程中足必不可少的，但这是以设计方案 正确的为前提。这就提出一个共同的问题，如何根据任务得n - 个科学合理的设计方案。这 是机械系统概念化设计需要解决的问题。 机械设计过程包括设计要求定义、概念化设计、系统设计和详细设计。由于机械产品的 设计和制造是个不断改进和精细化的过程，其中概念设计是至关重要的。图1 图示了在整 个产品的生命周期内，产品开发决策重要性、费用和所需的设计知识在设计、制造和再设计 竺! 墨模块机器人设计方法体系及o a d 系统 二= 二_ ：二= 然篓霾懑熬繁瓣篆虢黼鬻 有利于实现设计要求、提高产品质量和降低月深。一”。“1 “。“域柑 最新发展的基于模块的设 计方法，在电器和机械产品的 设计中愈来愈流行，这是因为 模块以标准化的接口方式实现 某( 些) 功能。实现同一功能 可能具有不同的模块结构，但 模块的使用者并不关心模块的 内部构造，而只关心模块的功 能和性能。这种模块化的思想 不仅在产品设计中显示出独特 的优越，而且还延伸的产品的 制造环节中。现代柔性制造系 统中的许多设备都采用了模 块，这对于降低设备费用和缩 短设各开发周期具有十分重要 图l j 产品设计制造各阶段决策重要性、所需资金和知识 化诲； 孳三囊塑譬篓基晕氅。肇面! 售惫翌i = i j 耍i 的设计途径来解决基丁模块的机械概念 鸶设萎忽鎏等焉量孝兰耋望i 器2 ，垫。i 望翌模块机艾鬲藉i 薪鋈毓磊苟覆蒈? 翟慕嚣雯 中，我们将对以下几方面工作开展研究工作： 。“4 + “。 1 探讨模块机器人的发展及其设计特点： 2 研究基于事例的推理原理和机制在模块化机械概念化设计中的应用； 3 提出面向对象的知识与数据描述的新方法； 4 创建模块及模块机器人及任务描述的数据模型和数据库： 5 开发智能c a d 系统框架： 6 ， 进行系统运作和实例分析。 西南交通大学博士学位论文 第5 页 2模块机器人结构及设计综述 专用机器人的高效、精确和低应用成本已在规模化工业生产中得到充分体现，但面对未 来多变化和小批量的柔性生产需求来讲，专用机器人的设计周期和制造成本都成为亟待解决 的难题。模块化概念引入到机器人设计为柔性加工系统注入了新的活力。通过选择适当的模 块机器人拓扑关系和标准模块，迅速组成满足特定任务要求的模块机器人是缩短机器人设计 周期和降低制作成本的有效途径，这对于今后小批量加工的柔性流水线来说是至关重要的。 模块化机器人将成为未来柔性加工系统中最重要的设备之。 模块机器人的研究可分为三个不同的领域，即模块机器人硬件系统的研究、控制系统研 究和根据模块机器人的应用研究，迄今为止的大多数研究侧重于前两个领域的研究。在模块 机器人研制的早期和中期，研究人员的重点主要放在对模块结构、驱动电机、减速机构以及 模块机器人的控制等方面 c o h e n1 9 9 2 ；c r r u z d e v1 9 8 4 ；s m i t h1 9 8 2 ；t e s a r1 9 8 9 ；t h a t c h e r1 9 8 4 ； w e s t o n1 9 8 8 ；w u r s t1 9 8 6 ，1 9 8 9 ；x u1 9 9 4 ；1 。最新有关模块机器人的研究转向运动学和动力 学建模及分析、最优控制计算机辅助设计等方面也有以下的研究成果 c h e n1 9 9 4 ，1 9 9 5 ，1 9 9 t c o h e n1 9 9 2 ；h 0 0 1 0 e r1 9 9 4 ；k e l m e r1 9 8 8 1 。 2 1模块机器人结构 顾名思义，模块机器人由模块一即由模块关节和模块连杆组成。模块一般具有标准的机 械与电气接口用于模块间连接，具有一到三个自由度的模块关节由直流或交流电机驱动，并 集成有减速机构和控制器。无自由度的模块连杆仅用于模块关节之间的连接。不同长度的模 块连杆和不同方位的标准接口，使得模块关节之间的连接能满足对机器人不同运动学和动力 学要求。目前在德国、美国、加拿大和日本均有研究机构致力于模块机器人的开发和应用。 ( a ) 摇摆( b ) 平动与摇摆关节 t e i 王珊萨 ( d ) 回转动与摇摆关节 ( e ) 平动与回转关节 ( c ) 平动与回转 0 一一日 ( f ) 平动关节 l 目 ( g ) 连杆 r 一回转关节s 一摇摆关节t 一平动关节l连杆 图2 1 标准模块 睁 宙一 一副囝 ；画 一 蓑 一 第6 页模块机器人设计方法体系及c a d 系统 对模块和模块机器人的研究设计的工作开始于8 0 年代。例如，由德国斯突加特大学 w i l r s t w u r s t1 9 8 6 ，1 9 9 1 领导的研究小组开始致力于对标准模块结构的设计与制作，并推出 了如图2 1 所示的模块。由这些模块组成的模块机器人可以完成目前由专用工业机器人从 事的大多数作业。所有模块机器人结构方面的共同特征是：模块闻的连接采用相同机械和电 气接口；连杆模块或适配器为不同接口之间提供转换的可能。采用一致的接口原则保证了不 同模块间连接的可能。考虑到结构设计和控制的方便，关节模块的驱动度采用了a c 电机驱 动和机构减速的方案。回转和摆动关节模块采用了行星齿轮减速方案，这种减速机构为实现 不同减速比提供了可能。 w u r s t 开发的关节模块包括一自由度和两自由度，最新的三自由度模块也已研制成功。 如图2 一l 所示，相对前一连杆的中心轴线而言，一自由度的关节模块可以是摇摆或平动， 二自由度的关节可以是回转与摇摆，摇摆与平动、平动与回转回转与平动和平动与摇摆摇摆 与平动。同一类型的关节司以有不同的驱动机构和减速机构，实现不同的驱动要求，以适应 不同的运动与动力学要求。一般来说，靠近基础的模块所需的关节力较大，质量也较大；而 远离基础的关节所需的关节力较小，且质量较小。连接各关节的关节的长度可以根据实际要 求制作，连杆关节艇端的适配器可以连接不同的接口，以满足不矧作业空间的要求。 图2 2 给出了由w 1 】r s t 开发的标准模块组成的几种常见串连机器人拓扑关系l w u r s t 1 9 8 8 1 。图2 2 ( a ) 所示的六自由度模块机器人为最典型的工业模块机器人拓扑关系，它能 满足大多数工业应用要求。这种类型的机器人的优点在于工作空间大，能在它的工作空间回 避障碍，并且终端执行器可以达到其基础部位。但对某些应用，它并不是最佳拓扑关系。对 于执行器运动空闻要求不大的机器人，如流水线上执行动作较为简单的装配机器人，图2 - 2 ( b ) ( d ) 和( e ) 所示的机器人应用较多。其余图示机器人的应用则相对较少。 与此同时，c a r n e g i em e l l o n 大学也开发制造了“可从构模块机器人系统”r m m s ( r e c o n f i g u r a b l em o d u l a rm a n i p u l a t o rs y s t e m ) s m i t h1 9 9 2 ，c o h e n1 9 9 2 1 。该系统以| ：旦i 转、槽 动关节模块和有和连杆模块组成，所有模块采用了完全。致的机械和电气接口。回转关节模 块南d c 电机驱动，并有一谐波驱动减速机构( h a r m o n i c d r i v et r a n s m i s s i o n ) ；对滑动关节 来说，d c 电机直接驱动滚珠丝杠，实现关节轴向运动。 c a r n e g i em e l l o n 大学所研究的模块机器人与w u r s t 开发的模块机器人系统的不同之处在 于：完全采用单自由度的关节模块，连杆模块有不同的连接方位，但没有两自由度的关节模 块，也没有摆动关节模块。从上述特征可以看出，由于采用了较为简洁的模块结构，该系统 在模块的开发上花费较小。但要组成完成一定任务的模块机器人就需要串连连接一系列的 单自由度关节模块和连杆模块。由于没有摆动关节模块，该系统不能提供由摆动关节和连杆 组成的机器人。由于提供了不同方位的连杆模块，相邻关节模块和连杆模块问的连接可以是 同面直连或成9 0 度的直角连接，也可以不同面9 0 度直角连接，这就为组成不同结构的模块 机器人提供了可能，由这些模块可以组成也能完成各种作业的串联模块机器人。但由于全部 采用但自由度的关节模块，所有模块具有一致的接口，所组成具有多自f j = i 度的机器人则显得 较为复杂，惯量较大，且操作臂刚度显得不足。 从理论上讲，使用标准模块可以构成无数不同拓扑关系的机器人，这里所说的机器人拓 扑关系是指组成模块机器人的模块关节的类型及模块的连接顺序。但从实际应用角度出发， 一个满足六自由度空间运动要求的串连机器人，由不超过四个多自由度的关节模块和三个连 杆模块组成。若考虑到所采用的终端执行器本身具有三自由度，对操作臂自由度的要求还会 降低。 西南交通大学博士学位论文第7 页 ( g ) s 一摇摆关节 r 一回转关节 t 一平动关节 l 一连杆 图2 2 模块机器人常用拓扑关系 机器人的拓扑关系决定了机器人具有的功能，从功能对外表现形式来讲，即机器人能实 现的作业空间的形状。若不考虑终端执行器的自由度，操作臂端点所规定的作业空间形状就 定义了其功能。从模块机器人的内部结构来讲，决定模块机器人功能的拓扑关系即是所使用 的关节模块的类型和它们的连接顺序。而自由度数并不能说明模块机器人具备何种功能，因 为自由度数仅仅是备关节模块自由度数的代数和。原则上说，连杆模块存在与否和连杆长度 和惯量的大小并不会影响模块机器人的功能，仅仅会影响其使用性能，即诸如作业空间大 小、工作负荷大小、定位精度和重复精度等。 拓旷驴 第8 页 模块机器人设计方法体系及c a d 系统 2 2 模块机器人计算机辅助设计与存在的问题 目前，商业化的标准模块( 模块关节和模块连杆) 已经面市。模块机器人的出现无疑为 柔性加工系统提供了更多的选择机会，但随之而来的问题是任务对象的干变万化、工作环境 的不同，加之模块机器人的可随意组合一即模块机器人拓扑关系、模块关节及模块连杆的无 穷组合，模块机器人设计成为具有挑战性课题摆在我们面前 所谓模块机器人的应用设计，是指根据任务要求，选择适当的模块机器人拓扑结构和适 当的关节模块和连杆模块参数，使之满足对机器人运动学、动力学以及经济学方面的要求。 设计满足用户要求的模块机器人，是所有有关模块机器人研究的最终目的。如何根据用户要 求，找到最优的模块机器人结构和模块参数，是模块机器人应用研究领域的重要任务。 事实上，机器人应用中的选型设计课题一直为人们所关注。在n n a j i 出版的“机器人计 算机辅助设计、选择与评价”( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g s e l e c t i o na n de v a l u a t i o no fr o b o r s n n a j i ，bo1 9 8 6 1 ) 的专著中，对商用机器人的四个关节的运动范围、速度进行分度编 码，并对执行器，关节驱动单元、关节控制单元、驱动电机设计参数等共8 9 个参数进行了 定性或定量地( 1 6 分度) 编码规定，并对如何根据设计要求确定相关参数给出了程序流程， 这为机器人计算机辅助设计、选择和评价开创了先河。在存储了1 4 3 个商用机器人的编码之 后，n n a j i 就如何根据设计参数逐级确定执行器、关节、连杆和电机以及以下部件的参数， 并利用这些参数在已有机器人的编码中进行代码的匹配，从而确定满足设计要求的商用机器 人。 n n a j i 所提出的机器人设计与评判方法，对根据任务要求选择商用机器人有着及其明显 的意义。n n a j i 利用所制定的编码将商用机器人存储在数据库中，为用户选择提供了可逐一 确定各关节及有关参数的过程模式。作为面向用户的模块机器入的概念化计算机设计，其指 导思想与n n a j i 的设计有以下不同之处：一是模块机器人与传统的工业机器人在结构上有较 大的差异，模块机器人基本模块的选择有。定的范围，即有限关节模块和无限连杆的可选择 性；二是n n a j i 的设计方案是针对机器人设汁专业人员开发的，这需要设计人员具备有机构 运动学、动力学、计算机控制以及对机器人的深入了解。用户必须具备机器人设计所需的知 识和经验，以在各决策过程中进行人为的选择。 由w u r s t 推荐的模块机器人确定的流程中w 1 l r s t1 9 8 6 1 ，通过用户输入适当参数，设计 系统通过对模块的迭代更换，对所构成的模块机器人进行的静力学计算和动力学计算与仿 真，最终获得用户满意的模块机器人的组成。这里，w u r s t 只给出了模块机器人设计的极 原则，没有说明设计过程对最终用户输入数据的要求，也没有给m 实现设计所需的详细步 骤。采用逐一轮换模块进行计算和仿真的方法会极大地增加设计过程中的计算，并不能保证 找到科学合理的最佳解。 南洋理工大学的c h e ni - m i n g 在他的博士论文和其它文章中c h e n1 9 9 4 ，1 9 9 51 9 9 6 ， 1 9 9 7 1 ，提出在连杆模块的两端各设5 个连接门，使相邻关节或连杆模块的连接可以实现不 同的方位，使最终组成的模块机器人具有更多的拓扑结构的可能性。c h e n 在文章中就如何 对组成连接孔的编码表达方法，用关联矩阵表达模块机器人，蚍及面向任务的目标函数进行 了分析和讨论，并提出了一通用算法，以求解最优模块机器人。 在c h e l a 的任务描述中，机器人任务的定义仅仅是终端执行器的位置和方位。这对于描 述机器人的任务显然是不够的，因为诸如最大载荷和晟大速度等重要的特征没有被包括在机 器人的任务描述中。所以，c h e n 所指的面向任务，仅仅是满足任务中的运动轨迹要求。由 于只采用了轨迹点作为设计模块机器人的唯一依据，所以在任务评判准则中，c h e n 采用的 是在各轨迹点中，模块机器人性能尺度的最小值( 雅可比矩阵的特征值，如可操作尺度、条 件数和最小奇异值) 作为评判所设计的模块机器人性能的标准。这一标准也只能反映模块机 西南交通大学博士学位论文第9 页 器人在运动学方面的性能，不能代表所设计的模块机器人与当前任务之间的差异，因为任务 中还包括其它要求。 多伦多大学的r c o h e n c o h e n1 9 9 2 等也对c a r n e g i em e l l o n 大学开发的r m m s 模块机 器人的应用设计提出了一面向任务的概念综合和分析过程。设计任务由执行一系列动作时终 端执行器的位置和方位、端点的速度和加速度、最大允许的偏转和外力和力矩所定义。系统 的核心是称之为“设计最优化过程”，包括了运动综合与分析和机械设计综合与分析两大部 分。前者在己建立已有拓扑机构运动模型的基础上，采用迭代方法逐级选定模块机器人的拓 扑结构，而后者则采用两级迭代的方法，首先求出所要求的模块性能参数集，构成模块机器 人，再将所得模块机器人的性能与任务要求的性能进行比较。当所得模块机器人满足最大所 需的关节速度、加速度和力，以及端点的偏转要求时，迭代终止。否则，以当前模块机器人 拓扑关系或和模块参数集为迭代起点，进行新的迭代。c o h e n 所提出的设计方法试图通过运 动综合，求出可实现给定任务运动要求的机器人拓扑结构的集，这一过程首先依赖于对所有 可能的拓扑结构的运动学和动力学模型，并需要对每一可能构成的机构进行运动学和动力学 计算。这种方法缺乏对模块机器人规律性的认识，需要建立所有拓扑结构的机器人的运动学 和动力学模型，对c a d 系统的开发所需的开销也不难想象。 鉴于我国技术水平和市场需求的原因，模块机器人的研究在我国尚处在理论研究和消化 吸收阶段。东南大学的徐卫良教授最早从事模块结构的研究 x u1 9 9 4 1 。关于模块机器人的应 用设计与计算机辅助实际的研究尚未见报道。 从上述对已有研究成果的分析可以看出，在模块机器人的应用设计研究中，研究者始终 围绕如何设计出满足任务要求的机器人这一根本要求。从设计过程来看，模块机器人的设计 主要包括两个主要步骤，一是根据任务要求确定适当的模块机器人拓扑关系，二是根据认为 要求确定适当的模块结构参数，使之在最大程度上满足设计认为要求。 对模块机器人拓扑关系的选择的依据主要是执行器终端的位姿，也就是操作臂端点的轨 迹和方位，采用机构运动学模型的方式求解模块机器人的拓扑关系在理论上是可行的，但前 提是首先要为不同的拓扑关系创建合理和可计算的数学模型，以该模型为基础进行正向计 算，可以得出该机器人可实施的任务。通过任务的轨迹规划反解，可以求出给定拓扑关系机 器人的多个状态解。但这并不意味着可以所谓的反解可以从轨迹中得出拓扑关系，因为此时 还不存在运动学模型。确定机器人拓扑关系并不一定需要运动学模型和运动综合，也可以根 据终端执行器轨迹位置和方位的特征确定适当的拓扑结构。只要制定相应的映射关系，就可 以根据轨迹特征确定实现该轨迹可能的机器人拓扑结构，因为在三维空间中的轨迹的特征是 非常有限的。然而，实现轨迹要求的机器人拓扑结构则可能是无限的( 事实上是有穷的) 。 尤其当连杆模块出现较多不同方位接口时，关节模块间的多种连接方式可产生数量较多的模 块机器人拓扑结构。但从实际应用的角度出发，在排除不合理的或对称重复的拓扑结构， 能实际利用的模块机器人拓扑结构的可能仍然是有限的。将非常有限的轨迹特征和有限的拓 扑结构相关联，实现面向任务的模块机器人拓扑结构的确定的较好选择，避免了不确定因素 的干扰。 事实上，上述提及的模块机器人设计的方法与传统的机器人设计方法在本质上没有大的 区别，它们仍然依赖于传统的运动学和动力学模型，并在从上述的研究结果来看，各项研究 虽然各有特色，但仍然存在需要进一步解决的问题，所有这些方法存在的问题集中表现在以 下几方面： 1 设计系统的开发所需的开销较大，系统扩展和维护困难。基于传统的运动学和动力 学模型的分析方法的设计思路，需要在建立c a d 系统的同时，对所有可能遇到的 模块机器人进行运动学和动力学模型的建立。在某些模型的计算的有效性和开销上 也会遇到预想不到的困难，使系统的扩展和维护成为维持系统正常运转的瓶颈。 第l o 页 模块机器人设计方法体系及c a d 系统 2 对任务要求的定义尚不够清晰，任务在功能和性能方而的要求与最终机器人的功能 和性能之间的差异不够明确。对机器人所从事的任务，除了运动轨迹的定义外，最 大外载荷、定位精度和重复精度、制造成本、使用成本、机器人的可操作度、能耗 等，都是用户所关心的项目。采用单一的尺度来衡量所构成的模块机器人与任务之 间的差异是欠妥的。 3 面向用户的宗旨没有得到很好地体现的问题，设计系统对最终用户的知识水平的要 求较高。由于采用传统的机器人运动及动力学分析的方法，上述模块机器人的设计 过程在很大程度上依赖用户的专业知识水平，所提供的计算机辅助设计系统很难成 为最终用户可以接收的辅助设计系统。 4 对模块、模块机器人和任务之间缺乏合理和一致的表达。机器人所从事的任务不仅 轨迹定义，而且还包括对其它参数的要求。模块机器人作为柔性加工系统中的一个 组成部分，应该具备对其结构、功能和性能豹全面描述，以便与加工系统进行协调 一致的运作 5 已有设计对新设计没有任何借鉴性可言，设计过程缺乏连续性。在工程应用中，任 何新设计都以过去设计为参考，新的设计都是在以往设计的基础上进行改进而产生 新的结果。这种在以往设计基础上进行的设计避免了每次设计都从零点开始，避免 了大量重复性劳动。将已有设计记录和保存在设计系统，有利于设计系统的知识积 累和可持续扩展。 2 3 本章小结 本章简要介绍模块机器人的组成，回顾了模块机器人各个研究阶段的研究重点，探讨r 模块机器人应用设计中存在的问题和面临的挑战。现有的模块机器人设计方法主要存在的问 题是： 设计系统的开发所需的开销较大； 面向用户的宗旨没有得到很好的体现，系统扩展和维护困难： 一 对任务和模块以及模块机器人缺乏合理和一致的表达； 一 已有设计对新设计没有任何借鉴性可言，设计过程缺乏连续性。 为了解决上述问题，需要我们借鉴和融合其它关于设计方法和有关知识工程的手段，使 模块机器人的设计成为真正面向最终用户、自上而下的设计过程。 西南交通大学博士学位论文 第1 l 员 3 基于知识的计算机辅助设计方法 机器人的计算机辅助设计，可以遵循前面提到的专家们提出的设计方法进行设计，但使 用这些方法的前提是该用户必须是机器人领域的行家里手，用户必须精通机器人运动学、动 力学、机器人控制，以及熟悉现有机器人产品的结构和性能。这正是大多数机器人计算机辅 助设计软件不能得到普及和应用的主要障碍，也与现代概念设计方法和面向用户和对象的软 件设计思想格格不入。此外，上述辅助设计没有考虑诸如被操作对象阻及工作环境中的其它 设备的影响，也就是把机器人从所从事的环境中孤立出来。这对于计算机柔性制造系统的完 整性来说无疑是一大缺陷。 现代计算机辅助设计的发展趋势向着软件智能化方向发展。基于知识的设计将设计正在 把设计者从繁重的演算中解脱出来。以面向用户和面向对象为特征的智能化设计软件以知识 为依托、计算机进行自动推理，以便设计者把精力更多的放在对问题本身的研究。 研究和创建有关模块化机械设备设计的计算机辅助设计方法体系和c a d 软件框架，对 于面向最终用户、以i ：1 标为驱动的智能机械设计有着十分重要的意义。本论文研究的根本目 的在于：根据模块机器人设计的特点，提出面向用户的设计方法和计算机智能辅助设计系 统，使模块机器人辅助设计系统的开发和使用不再为领域专家所专有，降低系统设计所需开 销，使系统的扩展和维护更加容易。本研究的另一基本考虑还在于，所提出的模块机器人的 辅助设计方法和系统不仅仅面向最终用户，而且还应把模块机器人与作业对象和工作环境的 其他设各项美联，使模块机器人的设计成为计算机柔性制造系统中的一部分。这种数据集成 可以将作业任务中的操作对象、机器人、传感器和相关设各有机地联系在一起，实现有关数 据的共享和交换，这对于计算机集成制造系统来说是必不可少的，而且也是至关重要的。 设计系统面向用户的特征，不仅在于界面友好的形式要求，更重要的是软件的使用者仅 是该领域的一般工程技术人员，而非该领域的行家里手。以任务为驱动、自上而下的设计应 成为智能设计的主线索。当然，所谓自上而下的设计并非设计系统的唯一策略，基于元知 识、自下而上的正向推理则有助于产生新的机器入结构，以满足新的功能要求和适应新的任 务要求，这会增加系统知识和推理机制的复杂程度。自下而上的设计对最终用户是透明的， 用户并不会被要求对机器人内部结构的细节加以，解。为此，我们希望系统具有足够的知 识，以尽可能高的自动化程度完成设计。把最终用户从繁琐的设计计算中解放出来，使用户 将更多的精力花费在如何运用机器人完成所从事的任务上。 本章的重点在于提出面向最终用户的模块机器人计算机辅助设计的新方法体系，使辅助 设计系统的开发和使用符合模块机械设计的特点，并使开发和维护的开销降到最低。 31 对模块机器人设计方法体系的要求 在过去的2 0 年中，随着计算机应用的不断普及，计算机辅助设计和制造技术深入到产 品设计和加工的每一个细节向并向集成化方向发展，各种基于知识的专家系统在设计、制作 和管理方面不断推陈出新。传统的专家系统采用基于规则( r u l e b a s e d ) 的推理，加上基于部 件( p a r t - b a s e d ) 或基于模块( m o d u l e - b a s e d ) 的知识，对给定机械的设计要求，根据规则知 识在部件库或模式库中的模块进行组台，自下而上地产生满足设计要求和约束的可行解。这 种计算机辅助设计思路在数据量和规则较少、机械系统不太复杂时较为有效。随着机械系统 日渐复杂，系统所需数据急剧增加，传统的专家系统暴露出以下问题： 1 规则就因为各种因素的耦含和，或约束的相互制约而变得模糊不清，甚至相互冲 突，数据一致性和系统的可维护性问题变得日渐突出。这是因为产生式规则不能 有效地反映事物内在性质的深层次知识，对于某些机械系统来说，规则的产生本 身就是一件困难的事； 第1 2 页模块机器人设计方法体系及c a d 系统 2 。 基于元知识的前向推理因模块的不断增多，使搜索空间增大，搜索容易出现“组 合爆炸”，设计过程的有效性和效率受到质疑； 3 基本模块本身的功能和性能与最终设计的功能和性能之间韵关系无法预先清晰地 描述； 4 面向用户的设计指导思想不能得到充分的体现。因为在设计过程中，基本模块之 间的组合过多的依赖于用户的知识水平和决策，这就需要该软件的使用者是该领 域的专家； 5 数据库依赖与应用的形式和编程环境，使得数据在不同系统中的交换变得十分困 难，而对于现代c a d 、c i m 以及产品的管理来说，实现数据共享是至关重要的。 上述问题正是与我们所期望的设计系统的初衷相违背。为此，我们必须寻找新的途径， 以解决上述问题，更好地实现面向最终用户的要求。 就面向用户的模块机器人计算机辅助设计而言，用户所从事的所谓的设汁并非对机器人 的关节和连杆进行结构设计，而是根据给定任务确定机器人最佳拓扑关系，选定标准模块关 节和连杆，组成满足任务要求的模块机器人。作为计算机辅助设计系统设计的结论，模块机 器人的结构，即对模块机器入拓扑关系和选用的各标准模块的描述，成为满足新任务要求的 新的技术方案。这是典型的机械系统概念化设计。 面向用户的现代软件的设计指导思想确定了辅助设计软件的使用者是最终用户，而不是 机器人或计算机领域的专家。事实上，用户不需要成为以前意义上机器人设计的专家，也没 有必要对机器人结构及其控制的所有细节作深入了解。用户唯一关心的，就是在辅助设计软 件提供的应用界面上，正确地确定机器人欲完成的任务，输入模块机器人应该具备的功能和 应达到的性能，规定终端执行器的运动轨迹，给定某些限定性约束条件，诸如被操作对象所 限制的最大速度或和最大加速度，以及障碍物的位置、形状和大小等。辅助设计系统根据 轨迹运动的特征，寻找能实现运动要求的模块机器人拓扑结构，并根据任务要求确定各模块 的参数，使之满足设计要求。这种自上而下、由任务为驱动的设计思路，应该成为模块机器 人设计的主导思想，这是当前设计方法学和软件的发展方向。 如前所述，机器人所从事的任务决定了机器人应具备的功能和性能要求。其中决定机器 人功能的是机器人的拓扑关系，而关节模块特性和连杆模块长度、惯量和质量仪会影响机器 人的性能。这一假设使模块机器人的任务一功能一结构之间的映射成为模块机器人辅助设计 的主线索。由该线索确定的计算机辅助设计系统和数据结构与传统的c a d 系统有很大的不 同。辅助设计系统必须有足够的智能，以进行自上而下的设计，这就要求该系统应具备足够 深度的知识，以描述模块与模块机器人的功能、性能和结构( f u n c t i o n ，b e h a 、4 0 ra n d s t r u c t u r e ，缩写为f b s ) ，描述机器人应承担的任务和所处的环境，以及在任务一功能一结 构的映射过程中的知识。这一设计智能化的要求对系统数据结构提出了更加苛刻的条件，一 般关系数据库的数据结构已经不能满足其设计需要。我们需要寻求表达复杂机械对象的新的 方法，使智能辅助设计系统的开发建立在简洁和高效的知识库的基础上。 在近十年来，各国专家正在致力于上述问题的解决方案人工智能应用研究的一个分 支，基于事例的推理在设计中的应用已经显示出一定的生命力。基于事例的设计方法在建筑 设计和机械概念化设计设计方面已有较为成熟的应用软件问世。基于事例的设计方法的一个 重要基础是对复杂的已有事例进行可靠的描述和有效的查询，这就要求建立适合描述复杂对 象知识体系或面向对象的智能数据库。尽管目前尚未出版真正面向对象的数据库应用软件， 但具有面向对象特征、用于产品数据建模和数据交换的国际标准e x p r e s s s t e p 语言( i s o 1 0 3 0 3 ) ，为我们提供了建立面向对象的数据库的可能性。我们将尝试利用这种具有面向对 象特征的数据建模语言，建立适合复杂机械系统表达和查询的数据库，实现基于事例、自上 而下的模块机器人概念化设计。 西南交通大学博士学位论文 第1 3 页 3 2 人工智能和基于知识的设计 关于基于知识的设计的研究起始于7 0 年代，这是因为计算机的出现为实现由机器进行 的问题求解和推理提供了强有力的工具。人们在应用计算机从事数值计算的同时，不断探讨 利用计算机进行非数值的符号处理、推理和演绎，这就导致了所谓