本文应用新一代计算机辅助计划方式，展开模块机器人的计划方法论跟CAD体系的研讨，致力于提出办理柔性加工体系的计算机辅助计划智能软件的思绪跟框架，本文以模块机器人的计划为突破口，提出了以面向使命为特点、基于事例的计划方式正在机器概念化计划中的使用，论文中先容了近年来开展疾速的模块机器人的尺度模块跟根本拓扑关联，依据模块机器人概念化计划的特点，联合人工智能使用中基于事例的推理机制，提出了面向使命跟基于事例的计算机辅助计划方式跟应用软件的框架，和实现自上而下的计算机推理的流程，文中借先容了面向用户的机器人使命跟事情情况的默示。
1引言
模块化思惟正在柔性加工体系中失掉日趋普遍的正视，西欧有关研讨机构从80年月终便起头对模块机器人的研讨，初期次要侧重于模块本身的研制，而近期则偏重于模块机器人应用领域的开拓。
模块机器人的研讨可分为3个分歧的范畴，即模块机器人硬件的研讨、节制的研讨跟依据分歧使用的计算机辅助计划，迄今为止的大多数研讨侧重于前两个范畴的研讨。现阶段，商业化的尺度模块曾经面市，模块机器人的呈现无疑为柔性加工体系供给了更多的取舍时机，但随之而来的问题是使命工具的变幻无穷、事情情况的分歧，加上模块机器人的可随便组合——即模块机器人拓扑关联、模块枢纽及模块连杆的无量组合，模块机器人计划成为存在挑战性课题摆在咱们眼前。
机器人计算机辅助计划课题始终为人们所存眷，B.O.Nnaji，正在1986年出书了“机器人计算机辅助计划、取舍与评估”的专著。他对能够构成机器人的4个枢纽的运动规模、速率停止分度编码，并对执行器，枢纽驱动单位、枢纽节制单位、计划参数等共89个参数停止了定性或定量天划定，Nnaji借对若何依据计划要求肯定相关代码给出了程序流程，这为机器人计算机辅助计划创始了先河。K-HWurst正在开辟模块机器人的同时也给出了取舍模块的普通准则。前者的研讨次要针对普通机器人若何依据计划参数肯定代码，从而肯定知足计划要求的机器人拓扑关联跟布局参数，那正在计划新型机器人时有着必然的指导意义。
作为模块机器人的概念化计算机计划，其指导思想与Nnaji的计划有以下不同之处，一是模块机器人的构成有必然的限定，即有限枢纽模块跟无限连杆的可选择性；二是Nnaji的设计方案是针对机器人计划专业职员开辟的，那须要计划职员具有有机构运动学、动力学、计算机控制和对机器人的深化相识，而咱们所开辟的计算机辅助计划体系的用户工具是机器人用户，而非机器人专家。换言之，咱们的体系是面向用户，而不是面向机器人的设计者，从用户利用角度来说，他不需要相识模块机器人的外部具体机关跟运作，他只须要相识跟描写该机器人所处置的使命跟该当具有的机能，从这个意思上讲，该体系是以使命为驱动，或者说是面向使命的．由上述区别所发生的新的区别借在于，计算机辅助计划体系跟数据结构分歧．辅助设计体系必需有充足的智能，以停止自上而下的计划，那便要求该体系应具有充足深度的常识，以描写模块与模块机器人的功用、机能跟布局（FuncTIon，BehaviorandStructure，缩写为FBS），描写机器人应负担的使命跟所处的情况，和正在使命-功用-布局的映射进程中的常识。这一计划智能化的要求对系统数据结构提出了加倍苛刻的前提，普通关系数据库的数据结构曾经不克不及知足其计划须要，对于以面向对象为特点的机器人常识建模可参见文献。
2模块机器人
公用机器人的高效、正确跟低使用本钱已正在规模化工业生产中失掉充分体现，但面临将来多变更跟小批量的柔性出产需要来说，公用机器人的计划周期跟制造本钱皆成为亟待解决的难题．模块化观点的引入到机器人计划为柔性加工体系注入了新的活气，取舍得当的模块机器人拓扑关联跟尺度模块，疾速构成模块机器人是缩短机器人计划周期跟降低建造本钱的有效途径，模块化机器人将成为将来柔性加工体系中最紧张的设备之一。
2.1尺度模块
望文生义，模块机器人由模块——即由模块枢纽跟模块连杆构成．模块普通应存在标准化的机器与电气接口用于模块间连接，存在一到三个自由度的模块枢纽由直流或交换机电驱动，并集成有减速机构跟控制器．无自由度的模块连杆仅用于模块枢纽之间的毗邻。分歧长度的模块连杆跟分歧方位的标准接口，使得模块枢纽之间的毗邻能知足对机器人分歧运动学跟动力学要求。一自由度的枢纽模块可以是扭捏或平动，两自由度的枢纽可以是反转展转与扭捏、平动与反转展转战争动与扭捏．统一类型的枢纽可以有分歧的驱动机构，以顺应分歧的运动与动力学要求，但可取舍的余地是有限的，枢纽的长度可以依据实际要求建造。
2.2模块机器人拓扑关联
从实际上讲，利用统一类型的尺度模块可以组成有数分歧拓扑关联的机器人．但从实际使用角度动身，一个知足六自由度空间运动要求的串联机器人。由没有跨越4个多自由度的枢纽模块跟3个连杆模块构成．若思量到终端执行器本身存在的三自由度，对操纵器的自由度的要求还会降低。所示的六自由度模块机器人为最典范的工业机器人拓扑关联，它能知足大多数工业使用要求。这类类型的机器人的优点在于能正在它的事情空间躲避阻碍，但对某些使用，它并不是最好拓扑关联．关于执行器运动空间要求不大的机器人，如流水线上的拆卸机器人，所示的机器人使用较多，其余所示机器人的使用则绝对较少。
3模块机器人的计算机辅助计划
模块机器人的计算机辅助计划，可以遵守Nnaji或其他专家提出的计划流程停止计划，但利用这些方式的条件是该用户必需是机器人范畴的行家里手，用户必需粗通机器人运动学、动力学、机器人节制，和熟习现有机器人产物的布局跟机能．那恰是大多数计算机辅助计划软件不克不及失掉提高跟使用的次要阻碍，也与古代概念设计方式跟面向用户跟工具的软件设计思惟扞格难入，咱们研讨的目标在于，依据模块机器人计划的特色，提出面向用户、基于事例的方式跟计算机辅助计划体系，使得模块机器人的计算机辅助计划不再为领域专家所专有。
3.1模块机器人计划的特点
便模块机器人计算机辅助计划而言，最终用户的计划并不是对一切机器人的枢纽跟连杆停止结构设计，而是依据给定使命肯定机器人最好拓扑关联、枢纽跟连杆参数，以肯定选用尺度的模块，构成知足使命要求的模块机器人，这是典范的机械系统概念化计划。面向用户的古代软件的计划指导思想肯定了辅助设计软件的使用者是最终用户，而不是机器人或计算机领域的专家。事实上，用户基础没有须要成为机器人计划的内行，也不需要对机器人布局及其节制的细节作深化相识．用户惟一体贴的，就是正在辅助设计软件的使用界面上，精确天肯定机器人欲实现的使命，描写其事情情况，输入模块机器人该当具有的功用跟应到达的机能、和某些限定性约束条件。作为计算机辅助计划体系推理的论断，机器人的布局，即拓扑关联跟模块参数，成为知足新使命要求的新的技巧计划。换言之，模块机器人概念化计划应是以使命为驱动、自上而下的计划进程。
机器人所处置的使命决意了机器人应具有的功用跟机能要求．正在这里须要强调的是，机器人的拓扑关联决意了机器人功用，而枢纽特性跟连杆长度及质量则会影响机器人的机能．换言之，正在机器人拓扑关联肯定的环境下，该机器人的功用便曾经肯定，而分歧的枢纽跟连杆参数仅会影响机器人的机能．这一假定使模块机器人的使命-功用-布局之间的双向映射成为能够。
3.2智能计算机辅助设计方案的取舍
古代计算机辅助计划的发展趋势向着软件智能化标的目的开展，以面向用户跟面向对象为特点的智能化计划软件是以知识库为依靠、计算机停止推理为主线索。
一种基于事例的计算机推理（Case-BasedReasoning，缩写为CBR）进程使用于庞大体系的概念化计划，可以把追求新的技巧计划与已有的胜利计划事例慎密天接洽正在一路。作为一种近似人类计划进程的方式，基于事例的计划无效天应用了已有的成功经验，大大缩短了追求终极解决方案的工夫．采取基于事例的计划思惟的益处借在于简化了智能体系中的常识，过滤了许多低层的元常识，突出了与使命相关的上层常识，使得常识的抒发、存储跟索引加倍简明跟明晰，办理了基于元规则推理时能够呈现“组合爆炸”的潜伏隐患。
智能软件面向用户的特点，不只在于界面友爱的情势要求，更紧张的是软件的使用者仅是该范畴的普通工程技术人员，而非该范畴的行家里手．以使命为驱动、自上而下的计划应成为智能计划的主线索，但所谓自上而下的计划并不是计划体系的惟一战略。正在使命-功用-布局的映射不克不及奏效时，基于元常识、自下而上的正向推理则有助于发生新的机器人布局，以知足新的功用要求跟顺应新的使命要求，这会增长体系常识跟推理机制的复杂程度。自下而上的计划对最终用户是通明的，用户并不会被要求对机器人内部结构的细节加以相识。
另外，由于模块机器人所处置的使命、所处的事情情况的不休变更，和不休增加的模块机器人的构成，招致了体系常识的不休变换跟收缩．为了消弭能够导致系统解体的数据杂沓，面向对象的数据结构是办理这一潜伏问题的独一取舍。研讨模块机器人工具的功用、机能跟布局之间的关联是模块机器人计算机辅助计划中最紧张的环节，作为事例的数据抽象，工具类的成员数据跟方式的可封装、继续跟重载特性，使得用户可以无效天界说或开辟各类庞大工具，那关于大型工程问题所波及的常识、数据跟方式的界说跟使用是至关重要的。面向对象的计划思惟用于智能CAD，招致了体系中常识的默示跟组织不同于普通基于划定规矩的推理机制中的常识默示。综上所述，依据模块机器人概念化计划的特点，取舍以使命为驱动、面向对象跟基于事例推理的计算机辅助计划体系，采取自上而下的推理战略是停止模块机器人概念化计划的最好取舍。
4模块机器人概念化计划CAD体系
湖北省药品分拣机器人领域专家作为体系的计划跟维护者，将胜利的模块机器人的事例依照功用与机能停止分层索引，该树状索引图间接用于撑持推理的知识库．用户经由过程人机界面输入机器人行将处置的使命、事情情况跟约束．使命编译器将输入映射为对机器人功用跟机能的目标，作为推理机停止索引的标签．推理机起首依据功用要求正在树状知识库中停止相关婚配候选．知足基本功能要求跟部门知足机能要求的模块机器人将被作为候选者，而机能最濒临的模块机器人将被选出．因为被选出的模块机器人正在机能上一定能知足新的事情要求，得当的点窜再所不免。因为决意模块机器人功用的机器人拓扑关联曾经肯定，所停止的适应性点窜仅仅是取舍得当的枢纽跟连杆模块。转变模块参数后的前向计较简单肯定新的机器人的机能，那实际上是一个优化进程，其优化的方针是使该机器人的功用跟机能与实现新使命所需的功用跟机能的不同最小．经由过程模拟失掉用户确认的最优模块机器人布局将作为体系的输出，并增长到事例库中。
正在婚配进程中若是不得当的候选者发生，则体系起首要求用户修订对使命的解释，如抓紧约束或降低机能要求，以利于回调相关机器人。体系正在不克不及回调相关模块机器人时，会向领域专家咨询进一步的常识，以求办理新的使命．若正在有限轮回次数后仍不克不及回调相关事例，则体系挪用综合进程，从模块库中综合新的机器人拓扑关联。
垃圾分拣机器人定做用户可以从3个属性界面上对机器人功课根本使命、事情情况跟约束停止描写。例如，一机器人正在一立体空间停止弧焊使命，焊头Welder重为3.5kg，最大事情规模正在立体500mm×450mm的规模内，焊头能正在X立体内偏转，轨迹类型为接连，焊头Welder从给定点PStart，经轨迹Path_1，到完毕面PEnd．对事情空间可以用图形方法加以直观界说跟显现，对轨迹的描写可以是数组或图形方法．事情情况描写次要包罗对系统坐标体系定位、相关设备、传感器等的界说。约束条件指的是对机器人功课时其他约束，诸如对执行器的最大速率、加速度、机器人定位精度、反复精度、建造本钱、利用本钱等因素的思量。
5结束语
本文致力于依据模块机器人概念化计划的特色，将基于事例推理使用到模块机器人的智能计划中，辅助设计体系的智能化在于面向对象的常识默示跟基于常识跟事例的推理机制引入，本研讨失掉香港政府研讨基金委员会1996～1999年度的赞助。
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