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(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)模塊可以構(gòu)成無(wú)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(gè)滿足六自由度空間運(yùn)動(dòng)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(guò)4個(gè)多自由度的關(guān)節(jié)模塊和3個(gè)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(duì)操作器的自由度的要求還會(huì)降低。圖2給出了由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成的幾種常見(jiàn)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(lèi)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(duì)某些應(yīng)用，它并不是最佳拓?fù)潢P(guān)系。對(duì)于執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)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(duì)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(zhuān)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(hù)必須是機(jī)器人領(lǐng)域的行家里手，用戶(hù)必須精通機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)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(hù)和對(duì)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(hù)、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?zhuān)有。
　　3.1 模塊機(jī)器人設(shè)計(jì)的特征

　　就模塊機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)而言，最終用戶(hù)的設(shè)計(jì)并非對(duì)所有機(jī)器人的關(guān)節(jié)和連桿進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而是根據(jù)給定任務(wù)確定機(jī)器人最佳拓?fù)潢P(guān)系、關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)，以確定選用標(biāo)準(zhǔn)的模塊，組成滿足任務(wù)要求的模塊機(jī)器人，這是典型的機(jī)械系統(tǒng)概念化設(shè)計(jì).面向用戶(hù)的現(xiàn)代軟件的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想確定了輔助設(shè)計(jì)軟件的使用者是最終用戶(hù)，而不是機(jī)器人或計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專(zhuān)家［8］。事實(shí)上，用戶(hù)根本不需要成為機(jī)器人設(shè)計(jì)的行家，也沒(méi)有必要對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其控制的細(xì)節(jié)作深入了解。用戶(hù)惟一關(guān)心的，就是在輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用界面上，正確地確定機(jī)器人欲完成的任務(wù)，描述其工作環(huán)境，輸入模塊機(jī)器人應(yīng)該具備的功能和應(yīng)達(dá)到的性能、以及某些限定性約束條件.作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)推理的結(jié)論，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，即拓?fù)潢P(guān)系和模塊參數(shù)，成為滿足新任務(wù)要求的新的技術(shù)方案.換言之，模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)應(yīng)是以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、自上而下的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　機(jī)器人所從事的任務(wù)決定了機(jī)器人應(yīng)具備的功能和性能要求.在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)器人的拓?fù)潢P(guān)系決定了機(jī)器人功能，而關(guān)節(jié)特性和連桿長(zhǎng)度及質(zhì)量則會(huì)影響機(jī)器人的性能.換言之，在機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系確定的情況下，該機(jī)器人的功能就已經(jīng)確定，而不同的關(guān)節(jié)和連桿參數(shù)僅會(huì)影響機(jī)器人的性能。這一假設(shè)使模塊機(jī)器人的任務(wù)－功能－結(jié)構(gòu)之間的雙向映射成為可能。

　　3.2　智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方案的選擇

　　現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)向著軟件智能化方向發(fā)展，以面向用戶(hù)和面向?qū)ο鬄樘卣鞯闹悄芑�設(shè)計(jì)軟件是以知識(shí)庫(kù)為依托、計(jì)算機(jī)進(jìn)行推理為主線索。

　　一種基于事例的計(jì)算機(jī)推理（Case－Based Reasoning，縮寫(xiě)為CBR）過(guò)程應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的概念化設(shè)計(jì)，可以把尋求新的技術(shù)方案與已有的成功設(shè)計(jì)事例緊密地聯(lián)系在一起［9］。作為一種類(lèi)似人類(lèi)設(shè)計(jì)過(guò)程的方法，基于事例的設(shè)計(jì)有效地利用了已有的成功經(jīng)驗(yàn)，大大縮短了尋求最終解決方案的時(shí)間。采用基于事例的設(shè)計(jì)思想的好處還在于簡(jiǎn)化了智能系統(tǒng)中的知識(shí)，過(guò)濾了許多低層的元知識(shí)，突出了與任務(wù)相關(guān)的上層知識(shí)，使得知識(shí)的表達(dá)、存儲(chǔ)和索引更加簡(jiǎn)潔和清晰，解決了基于元規(guī)則推理時(shí)可能出現(xiàn)“組合爆炸”的潛在隱患。

    智能軟件面向用戶(hù)的特征，不僅在于界面友好的形式要求，更重要的是軟件的使用者僅是該領(lǐng)域的一般工程技術(shù)人員，而非該領(lǐng)域的行家里手。以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、自上而下的設(shè)計(jì)應(yīng)成為智能設(shè)計(jì)的主線索，但所謂自上而下的設(shè)計(jì)并非設(shè)計(jì)系統(tǒng)的惟一策略。在任務(wù)－功能－結(jié)構(gòu)的映射不能奏效時(shí)，基于元知識(shí)、自下而上的正向推理則有助于產(chǎn)生新的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以滿足新的功能要求和適應(yīng)新的任務(wù)要求，這會(huì)增加系統(tǒng)知識(shí)和推理機(jī)制的復(fù)雜程度。自下而上的設(shè)計(jì)對(duì)最終用戶(hù)是透明的，用戶(hù)并不會(huì)被要求對(duì)機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)加以了解。

    此外，因?yàn)槟�塊機(jī)器人所從事的任務(wù)、所處的工作環(huán)境的不斷變化，以及不斷增長(zhǎng)的模塊機(jī)器人的組成，導(dǎo)致了系統(tǒng)知識(shí)的不斷變更和膨脹。為了消除可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰的數(shù)據(jù)混亂，面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是解決這一潛在問(wèn)題的唯一選擇。研究模塊機(jī)器人對(duì)象的功能、性能和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是模塊機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)。作為事例的數(shù)據(jù)抽象，對(duì)象類(lèi)的成員數(shù)據(jù)和方法的可封裝、繼承和重載特性，使得用戶(hù)可以有效地定義或開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜對(duì)象，這對(duì)于大型工程問(wèn)題所涉及的知識(shí)、數(shù)據(jù)和方法的定義和應(yīng)用是至關(guān)重要的。面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想用于智能CAD，導(dǎo)致了系統(tǒng)中知識(shí)的表示和組織不同于一般基于規(guī)則的推理機(jī)制中的知識(shí)表示。綜上所述，根據(jù)模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)的特征，選擇以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、面向?qū)ο蠛突�于事例推理的�?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用自上而下的推理策略是進(jìn)行模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)的最佳選擇。

    4　模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)

    圖3給出了模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)示意圖。圖4給出了基于事例推理的CAD系統(tǒng)流程。領(lǐng)域?qū)＜易鳛橄到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)者，將成功的模塊機(jī)器人的事例（對(duì)象）按照功能與性能進(jìn)行分層索引，該樹(shù)狀索引圖直接用于支持推理的知識(shí)庫(kù).用戶(hù)通過(guò)人機(jī)界面輸入機(jī)器人即將從事的任務(wù)、工作環(huán)境和約束。任務(wù)編譯器將輸入映射為對(duì)機(jī)器人功能和性能的指標(biāo)，作為推理機(jī)進(jìn)行索引的標(biāo)簽。推理機(jī)首先根據(jù)功能要求在樹(shù)狀知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行相關(guān)匹配候選。滿足基本功能要求和部分滿足性能要求的模塊機(jī)器人將被作為候選者，而性能最接近的模塊機(jī)器人將被選出.由于被選出的模塊機(jī)器人在性能上未必能滿足新的工作要求，適當(dāng)?shù)男薷脑偎�難免.由于決定模塊機(jī)器人功能的機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系已經(jīng)確定，所進(jìn)行的適應(yīng)性修改僅僅是選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)節(jié)和連桿模塊.改變模塊參數(shù)后的前向計(jì)算容易確定新的機(jī)器人的性能，這實(shí)際上是一個(gè)優(yōu)化過(guò)程，其優(yōu)化的目標(biāo)是使該機(jī)器人的功能和性能與完成新任務(wù)所需的功能和性能的差別最小。通過(guò)模擬得到用戶(hù)確認(rèn)的最優(yōu)模塊機(jī)器人結(jié)構(gòu)將作為系統(tǒng)的輸出，并增加到事例庫(kù)中。

　　圖3　基于事例推理的模塊機(jī)器人輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)

圖4　基于事例的推理

    在匹配過(guò)程中如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)暮蜻x者產(chǎn)生，則系統(tǒng)首先要求用戶(hù)修訂對(duì)任務(wù)的說(shuō)明，如放松約束或降低性能要求，以利于回調(diào)相關(guān)機(jī)器人.系統(tǒng)在不能回調(diào)相關(guān)模塊機(jī)器人時(shí)，會(huì)向領(lǐng)域?qū)＜艺髟?xún)進(jìn)一步的知識(shí)，以求解決新的任務(wù)。若在有限循環(huán)次數(shù)后仍不能回調(diào)相關(guān)事例，則系統(tǒng)調(diào)用綜合過(guò)程，從模塊庫(kù)中綜合新的機(jī)器人拓?fù)潢P(guān)系。

    系統(tǒng)任務(wù)描述界面如圖5所示（略），用戶(hù)可以從3個(gè)屬性界面上對(duì)機(jī)器人作業(yè)基本任務(wù)、工作環(huán)境和約束進(jìn)行描述。例如，一機(jī)器人在一平面空間進(jìn)行弧焊任務(wù)，焊頭Welder重為3.5kg，最大工作范圍在平面500mm×450 mm的范圍內(nèi)，焊頭能在X平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)，軌跡類(lèi)型為連續(xù)，焊頭Welder從給定點(diǎn)PStart，經(jīng)軌跡Path＿1，到結(jié)束點(diǎn)PEnd。對(duì)工作空間可以用圖形方式加以直觀定義和顯示，對(duì)軌跡的描述可以是數(shù)組或圖形方式。工作環(huán)境描述主要包括對(duì)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)定位、相關(guān)設(shè)備、傳感器等的定義。約束條件指的是對(duì)機(jī)器人作業(yè)時(shí)其他約束，諸如對(duì)執(zhí)行器的最大速度、加速度、機(jī)器人定位精度、重復(fù)精度、制作成本、使用成本等因素的考慮。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　本文旨在根據(jù)模塊機(jī)器人概念化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將基于事例推理應(yīng)用到模塊機(jī)器人的智模塊機(jī)器人及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。