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(duì)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(gè)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(gè)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(huì)，但隨之而來的問題是任務(wù)對(duì)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(píng)價(jià)”的專著［6］．他對(duì)可能組成機(jī)器人的4個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍、速度進(jìn)行分度編碼，并對(duì)執(zhí)行器，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)單元、關(guān)節(jié)控制單元、設(shè)計(jì)參數(shù)等共89個(gè)參數(shù)進(jìn)行了定性或定量地（16 分度）規(guī)定．Nnaji還對(duì)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(shí)也給出了選擇模塊的一般原則［1］．前者的研究主要針對(duì)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(shí)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(duì)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(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)控制以及對(duì)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(duì)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(gè)意義上講，該系統(tǒng)是以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，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(shí)，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(shí)．這一設(shè)計(jì)智能化的要求對(duì)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(shí)建?？蓞⒁娢墨I(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)?；I(yè)生產(chǎn)中得到充分體現(xiàn)，但面對(duì)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(gè)自由度的模塊關(guān)節(jié)由直流或交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)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(duì)機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(dòng),二自由度的關(guān)節(jié)可以是回轉(zhuǎn)與搖擺、平動(dòng)與回轉(zhuǎn)和平動(dòng)與搖擺．同一類型的關(guān)節(jié)可以有不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以適應(yīng)不同的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)要求，但可選擇的余地是有限的．關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際要求制作。 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(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(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。 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(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、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? 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，而不是機(jī)器人或計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的專家［8］．事實(shí)上，用戶根本不需要成為機(jī)器人設(shè)計(jì)的行家，也沒有必要對(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，以面向用戶和面向?qū)ο鬄樘卣鞯闹悄芑O(shè)計(jì)軟件是以知識(shí)庫為依托、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，縮寫為CBR）過程應(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］．作為一種類似人類設(shè)計(jì)過程的方法，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)最終用戶是透明的，用戶并不會(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K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，使得用戶可以有效地定義或開發(fā)各種復(fù)雜對(duì)象，這對(duì)于大型工程問題所涉及的知識(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谑吕评淼挠?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，該樹狀索引圖直接用于支持推理的知識(shí)庫．用戶通過人機(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)功能要求在樹狀知識(shí)庫中進(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y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?。ㄟ^模擬得到用戶確認(rèn)的最優(yōu)模塊機(jī)器人結(jié)構(gòu)將作為系統(tǒng)的輸出，并增加到事例庫中。 在匹配過程中如果沒有適當(dāng)?shù)暮蜻x者產(chǎn)生，則系統(tǒng)首先要求用戶修訂對(duì)任務(wù)的說明，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)＜艺髟冞M(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)用綜合過程，從模塊庫中綜合新的機(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 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)器人的智能設(shè)計(jì)中．輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的智能化在于面向?qū)ο蟮闹R(shí)表示和基于知識(shí)和事例的推理機(jī)制引入．本研究得到香港政府研究基金委員會(huì)1996～1999年度的資助（項(xiàng)目編號(hào)9040222）．