圖1　標準模塊

    2.2 模塊機器人拓撲關系

    從理論上講，使用同一類型的標準模塊可以構成無數不同拓撲關系的機器人。但從實際應用角度出發，一個滿足六自由度空間運動要求的串連機器人（圖1的標準模塊僅限于串連機器人），由不超過4個多自由度的關節模塊和3個連桿模塊組成.若考慮到終端執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給出了由標準模塊組成的幾種常見串連機器人拓撲關系［1］。圖2（a）所示的六自由度模塊機器人為最典型的工業機器人拓撲關系，它能滿足大多數工業應用要求。這種類型的機器人的優點在于能在它的工作空間回避障礙，但對某些應用，它并不是最佳拓撲關系。對于執行器運動空間要求不大的機器人，如流水線上的裝配機器人，圖2（b）、（d）和（e）所示的機器人應用較多。其余所示機器人的應用則相對較少。

　　圖2　模塊機器人拓撲關系

　　3　模塊機器人的計算機輔助設計

　　模塊機器人的計算機輔助設計，可以遵循Nnaji或其他專家提出的設計流程進行設計，但使用這些方法的前提是該用戶必須是機器人領域的行家里手，用戶必須精通機器人運動學、動力學、機器人控制，以及熟悉現有機器人產品的結構和性能。這正是大多數計算機輔助設計軟件不能得到普及和應用的主要障礙，也與現代概念設計方法和面向用戶和對象的軟件設計思想格格不入。我們研究的目的在于，根據模塊機器人設計的特點，提出面向用戶、基于事例的方法和計算機輔助設計系統，使得模塊機器人的計算機輔助設計不再為領域專家所專有。
　　3.1 模塊機器人設計的特征

　　就模塊機器人計算機輔助設計而言，最終用戶的設計并非對所有機器人的關節和連桿進行結構設計，而是根據給定任務確定機器人最佳拓撲關系、關節和連桿參數，以確定選用標準的模塊，組成滿足任務要求的模塊機器人，這是典型的機械系統概念化設計.面向用戶的現代軟件的設計指導思想確定了輔助設計軟件的使用者是最終用戶，而不是機器人或計算機領域的專家［8］。事實上，用戶根本不需要成為機器人設計的行家，也沒有必要對機器人結構及其控制的細節作深入了解。用戶惟一關心的，就是在輔助設計軟件的應用界面上，正確地確定機器人欲完成的任務，描述其工作環境，輸入模塊機器人應該具備的功能和應達到的性能、以及某些限定性約束條件.作為計算機輔助設計系統推理的結論，機器人的結構，即拓撲關系和模塊參數，成為滿足新任務要求的新的技術方案.換言之，模塊機器人概念化設計應是以任務為驅動、自上而下的設計過程。

　　機器人所從事的任務決定了機器人應具備的功能和性能要求.在這里需要強調的是，機器人的拓撲關系決定了機器人功能，而關節特性和連桿長度及質量則會影響機器人的性能.換言之，在機器人拓撲關系確定的情況下，該機器人的功能就已經確定，而不同的關節和連桿參數僅會影響機器人的性能。這一假設使模塊機器人的任務－功能－結構之間的雙向映射成為可能。

　　3.2　智能計算機輔助設計方案的選擇

　　現代計算機輔助設計的發展趨勢向著軟件智能化方向發展，以面向用戶和面向對象為特征的智能化設計軟件是以知識庫為依托、計算機進行推理為主線索。

　　一種基于事例的計算機推理（Case－Based Reasoning，縮寫為CBR）過程應用于復雜系統的概念化設計，可以把尋求新的技術方案與已有的成功設計事例緊密地聯系在一起［9］。作為一種類似人類設計過程的方法，基于事例的設計有效地利用了已有的成功經驗，大大縮短了尋求最終解決方案的時間。采用基于事例的設計思想的好處還在于簡化了智能系統中的知識，過濾了許多低層的元知識，突出了與任務相關的上層知識，使得知識的表達、存儲和索引更加簡潔和清晰，解決了基于元規則推理時可能出現“組合爆炸”的潛在隱患。

    智能軟件面向用戶的特征，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域的一般工程技術人員，而非該領域的行家里手。以任務為驅動、自上而下的設計應成為智能設計的主線索，但所謂自上而下的設計并非設計系統的惟一策略。在任務－功能－結構的映射不能奏效時，基于元知識、自下而上的正向推理則有助于產生新的機器人結構，以滿足新的功能要求和適應新的任務要求，這會增加系統知識和推理機制的復雜程度。自下而上的設計對最終用戶是透明的，用戶并不會被要求對機器人內部結構的細節加以了解。

    此外，因為模塊機器人所從事的任務、所處的工作環境的不斷變化，以及不斷增長的模塊機器人的組成，導致了系統知識的不斷變更和膨脹。為了消除可能導致系統崩潰的數據混亂，面向對象的數據結構是解決這一潛在問題的唯一選擇。研究模塊機器人對象的功能、性能和結構之間的關系是模塊機器人計算機輔助設計中最重要的環節。作為事例的數據抽象，對象類的成員數據和方法的可封裝、繼承和重載特性，使得用戶可以有效地定義或開發各種復雜對象，這對于大型工程問題所涉及的知識、數據和方法的定義和應用是至關重要的。面向對象的設計思想用于智能CAD，導致了系統中知識的表示和組織不同于一般基于規則的推理機制中的知識表示。綜上所述，根據模塊機器人概念化設計的特征，選擇以任務為驅動、面向對象和基于事例推理的計算機輔助設計系統，采用自上而下的推理策略是進行模塊機器人概念化設計的最佳選擇。

    4　模塊機器人概念化設計CAD系統

    圖3給出了模塊機器人概念化設計的CAD系統示意圖。圖4給出了基于事例推理的CAD系統流程。領域專家作為系統的設計和維護者，將成功的模塊機器人的事例（對象）按照功能與性能進行分層索引，該樹狀索引圖直接用于支持推理的知識庫.用戶通過人機界面輸入機器人即將從事的任務、工作環境和約束。任務編譯器將輸入映射為對機器人功能和性能的指標，作為推理機進行索引的標簽。推理機首先根據功能要求在樹狀知識庫中進行相關匹配候選。滿足基本功能要求和部分滿足性能要求的模塊機器人將被作為候選者，而性能最接近的模塊機器人將被選出.由于被選出的模塊機器人在性能上未必能滿足新的工作要求，適當的修改再所難免.由于決定模塊機器人功能的機器人拓撲關系已經確定，所進行的適應性修改僅僅是選擇適當的關節和連桿模塊.改變模塊參數后的前向計算容易確定新的機器人的性能，這實際上是一個優化過程，其優化的目標是使該機器人的功能和性能與完成新任務所需的功能和性能的差別最小。通過模擬得到用戶確認的最優模塊機器人結構將作為系統的輸出，并增加到事例庫中。

　　圖3　基于事例推理的模塊機器人輔助設計系統

圖4　基于事例的推理

    在匹配過程中如果沒有適當的候選者產生，則系統首先要求用戶修訂對任務的說明，如放松約束或降低性能要求，以利于回調相關機器人.系統在不能回調相關模塊機器人時，會向領域專家征詢進一步的知識，以求解決新的任務。若在有限循環次數后仍不能回調相關事例，則系統調用綜合過程，從模塊庫中綜合新的機器人拓撲關系。

    系統任務描述界面如圖5所示（略），用戶可以從3個屬性界面上對機器人作業基本任務、工作環境和約束進行描述。例如，一機器人在一平面空間進行弧焊任務，焊頭Welder重為3.5kg，最大工作范圍在平面500mm×450 mm的范圍內，焊頭能在X平面內偏轉，軌跡類型為連續，焊頭Welder從給定點PStart，經軌跡Path＿1，到結束點PEnd。對工作空間可以用圖形方式加以直觀定義和顯示，對軌跡的描述可以是數組或圖形方式。工作環境描述主要包括對系統坐標系統定位、相關設備、傳感器等的定義。約束條件指的是對機器人作業時其他約束，諸如對執行器的最大速度、加速度、機器人定位精度、重復精度、制作成本、使用成本等因素的考慮。

　　5　結束語

　　本文旨在根據模塊機器人概念化設計的特點，將基于事例推理應用到模塊機器人的智模塊機器人及計算機輔助設計。