摘要：本文利用新一代計算機輔助設計方法，開展模塊機器人的設計方法論和CAD系統的研究，旨在提出解決柔性加工系統的計算機輔助設計智能軟件的思路和框架．本文以模塊機器人的設計為突破口，提出了以面向任務為特征、基于事例的設計方法在機械概念化設計中的應用．論文中介紹了近年來發展迅速的模塊機器人的標準模塊和基本拓撲關系，根據模塊機器人概念化設計的特征，結合人工智能應用中基于事例的推理機制，提出了面向任務和基于事例的計算機輔助設計方法和應用軟件的框架，以及實現自上而下的計算機推理的流程．文中還介紹了面向用戶的機器人任務和工作環境的表示．
關鍵詞：機器人，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中得到日益廣泛的重視．歐美有關研究機構從80年代末就開始對模塊機器人的研究，早期主要側重于模塊本身的研制，而近期則偏重于模塊機器人應用領域的開拓［1～5］。

模塊機器人的研究可分為3個不同的領域，即模塊機器人硬件的研究、控制的研究和根據不同應用的計算機輔助設計，迄今為止的大多數研究側重于前兩個領域的研究．目前，商業化的標準模塊（模塊關節和模塊連桿）已經面市．模塊機器人的出現無疑為柔性加工系統提供了更多的選擇機會，但隨之而來的問題是任務對象的千變萬化、工作環境的不同，加之模塊機器人的可隨意組合——即模塊機器人拓撲關系、模塊關節及模塊連桿的無窮組合，模塊機器人設計成為具有挑戰性課題擺在我們面前。

機器人計算機輔助設計課題一直為人們所關注，B. O. Nnaji,在1986年出版了“機器人計算機輔助設計、選擇與評價”的專著［6］．他對可能組成機器人的4個關節的運動范圍、速度進行分度編碼，并對執行器，關節驅動單元、關節控制單元、設計參數等共89個參數進行了定性或定量地（16 分度）規定．Nnaji還對如何根據設計要求確定相關代碼給出了程序流程，這為機器人計算機輔助設計開創了先河．K-H Wurst 在開發模塊機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器人如何根據設計參數確定代碼，從而確定滿足設計要求的機器人拓撲關系和結構參數，這在設計新型機器人時有著一定的指導意義。

作為模塊機器人的概念化計算機設計，其指導思想與Nnaji 的設計有以下不同之處，一是模塊機器人的組成有一定的限制，即有限關節模塊和無限連桿的可選擇性；二是Nnaji的設計方案是針對機器人設計專業人員開發的，這需要設計人員具備有機構運動學、動力學、計算機控制以及對機器人的深入了解，而我們所開發的計算機輔助設計系統的用戶對象是機器人用戶，而非機器人專家．換言之，我們的系統是面向用戶，而不是面向機器人的設計者．從用戶使用角度來講，他沒有必要了解模塊機器人的內部詳細構造和運作，他只需要了解和描述該機器人所從事的任務和應該具備的性能，從這個意義上講，該系統是以任務為驅動，或者說是面向任務的．由上述區別所產生的新的區別還在于，計算機輔助設計系統和數據結構不同．輔助設計系統必須有足夠的智能，以進行自上而下的設計，這就要求該系統應具備足夠深度的知識，以描述模塊與模塊機器人的功能、性能和結構（Function, Behavior and Structure，縮寫為FBS），描述機器人應承擔的任務和所處的環境，以及在任務-功能-結構的映射過程中的知識．這一設計智能化的要求對系統數據結構提出了更加苛刻的條件，一般關系數據庫的數據結構已經不能滿足其設計需要．關于以面向對象為特征的機器人知識建模可參見文獻［7］．

2模塊機器人

專用機器人的高效、精確和低應用成本已在規模化工業生產中得到充分體現，但面對未來多變化和小批量的柔性生產需求來講，專用機器人的設計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器人設計為柔性加工系統注入了新的活力，選擇適當的模塊機器人拓撲關系和標準模塊，迅速組成模塊機器人是縮短機器人設計周期和降低制作成本的有效途徑，模塊化機器人將成為未來柔性加工系統中最重要的設備之一。

2.1標準模塊

顧名思義，模塊機器人由模塊——即由模塊關節和模塊連桿組成．模塊一般應具有標準化的機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節由直流或交流電機驅動，并集成有減速機構和控制器．無自由度的模塊連桿僅用于模塊關節之間的連接．不同長度的模塊連桿和不同方位的標準接口，使得模塊關節之間的連接能滿足對機器人不同運動學和動力學要求．圖1給出了由Wurst開發的標準模塊的示意．一自由度的關節模塊可以是搖擺或平動,二自由度的關節可以是回轉與搖擺、平動與回轉和平動與搖擺．同一類型的關節可以有不同的驅動機構，以適應不同的運動與動力學要求，但可選擇的余地是有限的．關節的長度可以根據實際要求制作。

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．