摘要：本文利用新一代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，開展模塊機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法論和CAD系統(tǒng)的研究，旨在提出解決柔性加工系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)智能軟件的思路和框架．本文以模塊機(jī)器人的設(shè)計(jì)為突破口，提出了以面向任務(wù)為特征、基于事例的設(shè)計(jì)方法在機(jī)械概念化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用．論文中介紹了近年來發(fā)展迅速的模塊機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)模塊和基本拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)的特征，結(jié)合人工智能應(yīng)用中基于事例的推理機(jī)制，提出了面向任務(wù)和基于事例的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用軟件的框架，以及實(shí)現(xiàn)自上而下的計(jì)算機(jī)推理的流程．文中還介紹了面向用戶的機(jī)器人任務(wù)和工作環(huán)境的表示．
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，模塊，基于事例推理，智能CAD

1引言

模塊化思想在柔性加工系統(tǒng)中得到日益廣泛的重視．歐美有關(guān)研究機(jī)構(gòu)從80年代末就開始對模塊機(jī)器人的研究，早期主要側(cè)重于模塊本身的研制，而近期則偏重于模塊機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的開拓［1～5］。

模塊機(jī)器人的研究可分為3個不同的領(lǐng)域，即模塊機(jī)器人硬件的研究、控制的研究和根據(jù)不同應(yīng)用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，迄今為止的大多數(shù)研究側(cè)重于前兩個領(lǐng)域的研究．目前，商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)模塊（模塊關(guān)節(jié)和模塊連桿）已經(jīng)面市．模塊機(jī)器人的出現(xiàn)無疑為柔性加工系統(tǒng)提供了更多的選擇機(jī)會，但隨之而來的問題是任務(wù)對象的千變?nèi)f化、工作環(huán)境的不同，加之模塊機(jī)器人的可隨意組合——即模塊機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系、模塊關(guān)節(jié)及模塊連桿的無窮組合，模塊機(jī)器人設(shè)計(jì)成為具有挑戰(zhàn)性課題擺在我們面前。

機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課題一直為人們所關(guān)注，B. O. Nnaji,在1986年出版了“機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、選擇與評價(jià)”的專著［6］．他對可能組成機(jī)器人的4個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍、速度進(jìn)行分度編碼，并對執(zhí)行器，關(guān)節(jié)驅(qū)動單元、關(guān)節(jié)控制單元、設(shè)計(jì)參數(shù)等共89個參數(shù)進(jìn)行了定性或定量地（16 分度）規(guī)定．Nnaji還對如何根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定相關(guān)代碼給出了程序流程，這為機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開創(chuàng)了先河．K-H Wurst 在開發(fā)模塊機(jī)器人的同時也給出了選擇模塊的一般原則［1］．前者的研究主要針對一般機(jī)器人如何根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)確定代碼，從而確定滿足設(shè)計(jì)要求的機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系和結(jié)構(gòu)參數(shù)，這在設(shè)計(jì)新型機(jī)器人時有著一定的指導(dǎo)意義。

作為模塊機(jī)器人的概念化計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，其指導(dǎo)思想與Nnaji 的設(shè)計(jì)有以下不同之處，一是模塊機(jī)器人的組成有一定的限制，即有限關(guān)節(jié)模塊和無限連桿的可選擇性；二是Nnaji的設(shè)計(jì)方案是針對機(jī)器人設(shè)計(jì)專業(yè)人員開發(fā)的，這需要設(shè)計(jì)人員具備有機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、計(jì)算機(jī)控制以及對機(jī)器人的深入了解，而我們所開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的用戶對象是機(jī)器人用戶，而非機(jī)器人專家．換言之，我們的系統(tǒng)是面向用戶，而不是面向機(jī)器人的設(shè)計(jì)者．從用戶使用角度來講，他沒有必要了解模塊機(jī)器人的內(nèi)部詳細(xì)構(gòu)造和運(yùn)作，他只需要了解和描述該機(jī)器人所從事的任務(wù)和應(yīng)該具備的性能，從這個意義上講，該系統(tǒng)是以任務(wù)為驅(qū)動，或者說是面向任務(wù)的．由上述區(qū)別所產(chǎn)生的新的區(qū)別還在于，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同．輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須有足夠的智能，以進(jìn)行自上而下的設(shè)計(jì)，這就要求該系統(tǒng)應(yīng)具備足夠深度的知識，以描述模塊與模塊機(jī)器人的功能、性能和結(jié)構(gòu)（Function, Behavior and Structure，縮寫為FBS），描述機(jī)器人應(yīng)承擔(dān)的任務(wù)和所處的環(huán)境，以及在任務(wù)-功能-結(jié)構(gòu)的映射過程中的知識．這一設(shè)計(jì)智能化的要求對系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提出了更加苛刻的條件，一般關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足其設(shè)計(jì)需要．關(guān)于以面向?qū)ο鬄樘卣鞯臋C(jī)器人知識建模可參見文獻(xiàn)［7］．

2模塊機(jī)器人

專用機(jī)器人的高效、精確和低應(yīng)用成本已在規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)中得到充分體現(xiàn)，但面對未來多變化和小批量的柔性生產(chǎn)需求來講，專用機(jī)器人的設(shè)計(jì)周期和制造成本都成為亟待解決的難題．模塊化概念的引入到機(jī)器人設(shè)計(jì)為柔性加工系統(tǒng)注入了新的活力，選擇適當(dāng)?shù)哪K機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)模塊，迅速組成模塊機(jī)器人是縮短機(jī)器人設(shè)計(jì)周期和降低制作成本的有效途徑，模塊化機(jī)器人將成為未來柔性加工系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。

2.1標(biāo)準(zhǔn)模塊

顧名思義，模塊機(jī)器人由模塊——即由模塊關(guān)節(jié)和模塊連桿組成．模塊一般應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)械與電氣接口用于模塊間連接，具有一到三個自由度的模塊關(guān)節(jié)由直流或交流電機(jī)驅(qū)動，并集成有減速機(jī)構(gòu)和控制器．無自由度的模塊連桿僅用于模塊關(guān)節(jié)之間的連接．不同長度的模塊連桿和不同方位的標(biāo)準(zhǔn)接口，使得模塊關(guān)節(jié)之間的連接能滿足對機(jī)器人不同運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)要求．圖1給出了由Wurst開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模塊的示意．一自由度的關(guān)節(jié)模塊可以是搖擺或平動,二自由度的關(guān)節(jié)可以是回轉(zhuǎn)與搖擺、平動與回轉(zhuǎn)和平動與搖擺．同一類型的關(guān)節(jié)可以有不同的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同的運(yùn)動與動力學(xué)要求，但可選擇的余地是有限的．關(guān)節(jié)的長度可以根據(jù)實(shí)際要求制作。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)模塊
2.2 模塊機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系

從理論上講，使用同一類型的標(biāo)準(zhǔn)模塊可以構(gòu)成無數(shù)不同拓?fù)潢P(guān)系的機(jī)器人．但從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，一個滿足六自由度空間運(yùn)動要求的串連機(jī)器人（圖1的標(biāo)準(zhǔn)模塊僅限于串連機(jī)器人），由不超過4個多自由度的關(guān)節(jié)模塊和3個連桿模塊組成．若考慮到終端執(zhí)行器本身具有的三自由度，對操作器的自由度的要求還會降低．圖2給出了由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成的幾種常見串連機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系［1］．圖2（a）所示的六自由度模塊機(jī)器人為最典型的工業(yè)機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系，它能滿足大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用要求．這種類型的機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于能在它的工作空間回避障礙，但對某些應(yīng)用，它并不是最佳拓?fù)潢P(guān)系．對于執(zhí)行器運(yùn)動空間要求不大的機(jī)器人，如流水線上的裝配機(jī)器人，圖2（b）、（d）和（e）所示的機(jī)器人應(yīng)用較多．其余所示機(jī)器人的應(yīng)用則相對較少。

圖2 模塊機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系
3模塊機(jī)器人的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

模塊機(jī)器人的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以遵循Nnaji或其他專家提出的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，但使用這些方法的前提是該用戶必須是機(jī)器人領(lǐng)域的行家里手，用戶必須精通機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、機(jī)器人控制，以及熟悉現(xiàn)有機(jī)器人產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能．這正是大多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件不能得到普及和應(yīng)用的主要障礙，也與現(xiàn)代概念設(shè)計(jì)方法和面向用戶和對象的軟件設(shè)計(jì)思想格格不入．我們研究的目的在于，根據(jù)模塊機(jī)器人設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出面向用戶、基于事例的方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使得模塊機(jī)器人的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)不再為領(lǐng)域?qū)＜宜鶎Ｓ校?