黃菊永

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基于特種機器人的模塊化設(shè)計方法探索

黃菊永

（本溪廣播電視大學(xué)，遼寧 本溪 117000）

目前，模塊化機器人的模塊劃分辦法有很多，大部分機器人均是采取自頂向下的辦法進行設(shè)計，此種設(shè)計辦法比較注重模塊的結(jié)構(gòu)，如果使用現(xiàn)有的機器人模塊便會存在一定的難度，其只適用于設(shè)計全新模塊化機器人。由于自底向上的模塊化設(shè)計辦法是基于已有機器人而開展的，其可以使已有資源得到充分地應(yīng)用，最大限度地減少設(shè)計成本。所以，本文以現(xiàn)存的特種機器人為例，采取自底向上的設(shè)計辦法，對基于特種機器人的模塊化設(shè)計進行了探討，以期為我國特種機器人的模塊化設(shè)計提供一些參考。

特種機器人；模塊化；設(shè)計方法

1 引言

在當(dāng)下自然災(zāi)害日益頻發(fā)、世界反恐形勢越來越嚴(yán)峻的新時代下，具備消防、偵察、排爆、攻擊以及搜救等功能的特種機器人也逐漸受到社會各界廣泛的關(guān)注。而模塊化設(shè)計可以最大限度地縮減產(chǎn)品的開發(fā)周期，最大限度地減少產(chǎn)品的開發(fā)成本，只需對相關(guān)的模塊進行更換，便可達到升級功能、更新設(shè)備的目的。因此，模塊化設(shè)計已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于特種機器人設(shè)計之中，且已經(jīng)取得了較好的效果。對基于特種機器人的模塊化設(shè)計方法進行探索與研究就顯得非常有必要。

2 模塊化設(shè)計辦法

模塊化設(shè)計辦法主要包括兩種，即自底向上法和自頂向下法[1]。文章采取的是自底向上的設(shè)計辦法。自底向上法屬于一種后置平臺的設(shè)計辦法，就是把已有的多個系統(tǒng)當(dāng)作子系統(tǒng)，并把它們整合起來組成父系統(tǒng)。相互獨立的基本元素是此過程中最先得到細(xì)致描述的，接著就是把基本元素整合起來組成子系統(tǒng)，之后再對子系統(tǒng)加以整合來形成父系統(tǒng)，有時需要對多個層次的子系統(tǒng)進行整合方能形成父系統(tǒng)[2]。這是一個從微小、簡單向健全、繁雜轉(zhuǎn)變的過程，也就是通過重新設(shè)計現(xiàn)有的一組產(chǎn)品，使部件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，繼而創(chuàng)建出具備更強競爭力的產(chǎn)品。自底向上法利用非模塊化產(chǎn)品來對產(chǎn)品的共性進行歸納，從而得出通用模塊，是使非模塊化產(chǎn)品實現(xiàn)模塊化的一種有效辦法。

此辦法中牽涉到功能基、偽功能基、流以及功能元等術(shù)語。其中，系統(tǒng)輸出量與輸入量之間的關(guān)系就稱作功能，而流就是指那些輸出量與輸入量，主要包括信息流、物流及能量流。在分解功能的過程中，分解到無法再分的最小功能就稱作功能元。產(chǎn)品的總功能可分解成多個功能元，借助流把系統(tǒng)的所有功能元整合在一起，便可形成功能結(jié)構(gòu)。通過歸納法形成的一種構(gòu)建功能模型使用的通用設(shè)計語言就稱作功能基，功能基主要包括流集合與功能集合。功能基不僅可以使功能結(jié)構(gòu)分析變得更加簡化，同時也是確保功能分解結(jié)果與過程唯一且能夠再現(xiàn)的基礎(chǔ)[3]。功能基中存在著一個停止分解的標(biāo)準(zhǔn)，而且借助功能基來構(gòu)建功能模型，可以在同一功能級上對不同的產(chǎn)品進行對比，便于對產(chǎn)品的相似性進行分析。偽功能基是指高度集成的復(fù)雜機電產(chǎn)品，在對比較復(fù)雜的機器人產(chǎn)品進行分析時，部分軟硬件結(jié)合、集成度高的功能部件可以當(dāng)作一個整體使用于結(jié)構(gòu)分析中，而無需細(xì)分到功能元或功能基時，就可將其作為偽功能基使用。

IDEF是美國空軍基于結(jié)構(gòu)化分析辦法而制定的一種復(fù)雜系統(tǒng)建模辦法，其中IDEFO辦法主要是用于對系統(tǒng)各功能之間的關(guān)聯(lián)和功能要求進行描述，同時對完成功能的實現(xiàn)機制進行記錄[4]。文章采用IDEFO建模辦法來對系統(tǒng)的功能關(guān)系及活動進行描述，通過對各模塊相互之間的關(guān)系和功能模型進行構(gòu)建，以此來對模塊化機器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行描述。

3 模塊化分析過程

模塊化分析過程主要包括如下幾個步驟：

3.1 借助功能基、偽功能基、流及功能元構(gòu)建現(xiàn)有產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)

3.1.1 對系統(tǒng)的輸入流、輸出流及總功能進行確立

在確定主參數(shù)與設(shè)計任務(wù)的前提下來分析總功能。設(shè)計任務(wù)總目標(biāo)的反映就是總功能。功能是對技術(shù)系統(tǒng)或產(chǎn)品的特定工作能力的一種抽象化的描述，其是產(chǎn)品對外界造成的某種影響或效應(yīng)的一種反映，如產(chǎn)品與外界環(huán)境之間發(fā)生的信息、能量、物質(zhì)的交互，或狀態(tài)的變化[5]?？刹扇　昂谙浞ā眮矸治隹偣δ堋ａ槍δ硞€未知的繁雜系統(tǒng)，可通過測量或觀測外部來對其與外部環(huán)境之間的關(guān)系進行判斷，并對信號流、能量流以及物質(zhì)流三者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進行分析，繼而對總功能進行判定。

3.1.2 逐層把產(chǎn)品的總功能分解至偽功能基或功能基，形成功能樹

產(chǎn)品的總功能是對產(chǎn)品功能的更深層次的概述，為了方便劃分功能模塊，必須分解功能。把產(chǎn)品的總功能分解成相對簡單的功能或分功能的過程就稱作功能分解，通過分解功能可以有效降低問題的復(fù)雜程度，便于求解產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品的功能是具有一定層次性的，是可以逐層進行分解的。所以，在劃分模塊時也可以采取這一辦法。

3.1.3 分別為各個輸入流構(gòu)建相應(yīng)的功能鏈

首先，分別為各個輸入流構(gòu)建相應(yīng)的功能鏈。接著，再對從輸入到輸出或者到流的內(nèi)容轉(zhuǎn)換處對流的所有操作加以全面的考慮。之后，再根據(jù)操作發(fā)生的先后順序，對各偽功能基或功能基進行排列，同時為它們構(gòu)建相應(yīng)的功能鏈。根據(jù)時間順序，可將功能鏈分為并行功能鏈與串行功能鏈兩種。其中，并行功能鏈?zhǔn)侵冈谕粫r間點發(fā)生的操作，多個串行功能鏈組合在一起便形成了并行功能鏈，并行功能鏈中的所有串行功能鏈共享一個或幾個公共流；而串行功能鏈?zhǔn)侵父鶕?jù)時間先后順序發(fā)生的對流的一系列操作。

3.1.4 將所有功能鏈連接起來，形成功能結(jié)構(gòu)

設(shè)計模塊化過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)就是構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)，功能結(jié)構(gòu)是構(gòu)建模塊化系統(tǒng)以及劃分模塊的基礎(chǔ)條件。所以，準(zhǔn)確地構(gòu)建功能結(jié)構(gòu)具有極其重要的現(xiàn)實意義。

3.2 查找功能類似產(chǎn)品的共享功能結(jié)構(gòu)

通過將形成的功能結(jié)構(gòu)進行對比，把多次出現(xiàn)的相同部分確定為共享功能結(jié)構(gòu)的共享功能部分，將個性部分確定為個性功能部分。對功能類似產(chǎn)品的共享功能結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，可以使多個產(chǎn)品在功能上的相同與差別清晰地體現(xiàn)出來，從而便于對個性功能與共享功能能進行確定。個性功能就是指僅屬于特定產(chǎn)品的功能，而共享功能則是指多個產(chǎn)品都具備的功能。

3.3 模塊劃分

以功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采取模塊啟發(fā)法，再根據(jù)三流原則來劃分產(chǎn)品的功能模塊。轉(zhuǎn)換/傳輸功能流原則界定的模塊是由轉(zhuǎn)換/傳輸功能組、轉(zhuǎn)換子功能或轉(zhuǎn)換/傳輸功能鏈組成；支流原則界定的模塊是由分支流確立的并行功能鏈組成；主流原則界定的模塊是由許多被主流聯(lián)系在一起的子功能組成。牽涉范圍從主流入口直至切換點或出口。

模塊可將功能類似產(chǎn)品分為個性功能模塊與共享功能模塊，個性功能模塊是由個性功能確立的，而共享功能模塊則是由共享功能確立的。

3.4 對模塊化系統(tǒng)進行描述

采取了IDEFO建模辦法來描述系統(tǒng)中各模塊的功能關(guān)系及活動。在將各共享功能模塊提取出來之后，通過逐級分解的結(jié)構(gòu)化辦法來對系統(tǒng)模塊的功能加以構(gòu)建或描述，再利用結(jié)構(gòu)化分析辦法對系統(tǒng)進行全面地描述，在裝備模塊化系統(tǒng)中發(fā)揮辦法指導(dǎo)及理論支撐的作用。再借助IDEFO辦法來對流程的功能結(jié)構(gòu)樹進行定義規(guī)劃，并明確流程中各模塊的縱向關(guān)聯(lián)，接著再將功能活動關(guān)系圖繪制于各個層次上，以此來描述每個層次上模塊間的橫向關(guān)聯(lián)，最終構(gòu)建模塊化體系結(jié)構(gòu)的規(guī)范化模型。

4 設(shè)計應(yīng)用

本章節(jié)選取了偵探、排爆以及攻擊這三種具有代表性的特種機器人實施模塊化分析。采取自底向上法來分別分解這三種特種機器人的功能，并劃分了其功能結(jié)構(gòu)，依據(jù)得出的功能結(jié)構(gòu)圖，提取了個性模塊與共享模塊。通過IDEFO辦法構(gòu)建了模塊化機器人系統(tǒng)的功能模型圖，建議定制模塊來對特定機器人的獨特功能進行描述，并構(gòu)建了其與其他模塊之間的聯(lián)系圖。主要包括以下幾個步驟：

第一步：構(gòu)建偵察、排爆及攻擊這三類特種機器人的功能結(jié)構(gòu)，見圖1、圖2、圖3。針對攻擊機器人，首先對其輸入流、輸出流以及總功能進行確立，接著再逐層把產(chǎn)品總功能分解至偽功能基或功能基，形成功能樹；之后再分別為各個輸入流構(gòu)建相應(yīng)的功能鏈；最后，再將所有功能鏈連接起來，形成偵察機器人的功能結(jié)構(gòu)。排爆機器人和偵察機器人的功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建也是如此。

圖1 攻擊機器人的功能圖

圖2 排爆機器人的功能圖

圖3 偵察機器人的功能圖

第二步：構(gòu)建共享功能結(jié)構(gòu)。通過對比、分析以上三類特種機器人的功能結(jié)構(gòu)，提煉出了共享功能結(jié)構(gòu)，接著再確定個性功能與共享功能。

第三步：模塊劃分。先確立以上三個產(chǎn)品的模塊，其主要包括：視覺模塊、移動模塊、提供能量模塊、熱成像模塊、傳感器調(diào)節(jié)模塊、聽覺模塊、信息處理模塊、清障模塊、人機交互模塊、安全模塊、自身監(jiān)控模塊、能量轉(zhuǎn)換模塊、載重模塊以及定位模塊。比如，在聽覺模塊的設(shè)計中，可以將麥克風(fēng)作為主要的部件，通過麥克風(fēng)采集各種聲音，之后再對所采集到的聲音進行轉(zhuǎn)換，使其形成機器人能夠傳輸或者識別的數(shù)字信號或者模擬信號。由于聲音本身就可以繞過各種障礙物，而機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對嗅覺、視覺和聽覺等感官的有機結(jié)合，但其他傳感器卻無法透過障礙物，且視場有限。而機器人的聽覺系統(tǒng)可以使這一問題得到有效解決，機器人擁有較為完善的聽覺系統(tǒng)，故其認(rèn)知環(huán)境的能力也相對較強。一般來說，機器人的聽覺系統(tǒng)都是由兩個麥克風(fēng)共同組成的，甚至還有多麥克風(fēng)陣列，這樣一來，可以使接收及處理空間信號時單一傳感器存在的局限性得到有效地彌補。

第四步：描述模塊化系統(tǒng)。利用IDEFO建模辦法對系統(tǒng)中各共享模塊之間的聯(lián)系進行分析，同時描述完備的模塊化機器人體系結(jié)構(gòu)。接著再引進定制思想，構(gòu)建定制模塊，并對特定系統(tǒng)所需的個性模塊進行描述，之后再構(gòu)建其與其他共享模塊間的聯(lián)系。

對特種機器人系統(tǒng)AO圖進行構(gòu)建，并對各模塊或模塊組進行描述。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的不同，定制模塊可以更換成不同的功能模塊，最后再對各元素的子圖進行細(xì)分。

5 結(jié)論

目前已有的特種機器人大部分都是根據(jù)某些特定任務(wù)而設(shè)計，在功能方面存在著較大的局限性，為了應(yīng)對各種各樣的突發(fā)任務(wù)，就必須設(shè)計許多不同功能的特種機器人，這樣一來，便需要耗費大量的資金，從而造成資源浪費。而模塊化特種機器人可以針對不同的工作環(huán)境及工作任務(wù)選取相對應(yīng)的裝配辦法，從而達到快速響應(yīng)用戶要求、優(yōu)化利用資源以及最大限度地提升工作效率的目的。因此，探索與研究基于特種機器人的模塊化設(shè)計方法具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。本文采取自底向上的模塊化設(shè)計辦法，從功能角度對偵察、排爆和攻擊等三種特種機器人進行了體系結(jié)構(gòu)研討，實現(xiàn)了從非模塊化機器人獲得模塊化機器人系統(tǒng)的設(shè)計過程，為建立模塊化特種機器人系統(tǒng)的模塊庫指明了方向。過程中采取IDEFO建模方法對系統(tǒng)模型進行構(gòu)建，對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行分析，引進定制理念，構(gòu)建定制模塊來描述不同產(chǎn)品的個性功能，為后期開發(fā)模塊化特種機器人系統(tǒng)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]付秀強,郎保鄉(xiāng),洪廣元,等.特種機器人的研究和展望[J]. 科技經(jīng)濟導(dǎo)刊,2016(05).

[2]江世亮.在微納世界不斷開拓的特種機器人專家——訪上海大學(xué)特種機器人研究室主任謝少榮教授[J].世界科學(xué),2013(11).

[3]薛卉,陳忠.用于發(fā)電機檢測的特種機器人[J]. 裝備機械,2013(03).

[4]澳科學(xué)家研究“軍蟻搭橋”現(xiàn)象:打造特種機器人[J]. 防災(zāi)博覽,2016(01).

[5]薛卉,陳忠.用于發(fā)電機檢測的特種機器人[J].裝備機械,2013(03).

An Exploration of Modularization Designing Method in the Basis of Special Robot

HUANG Ju-yong

(Benxi Television University, Benxi, Liaoning 117000, China)

At present, there are many methods for the classification of modularization; most robots use top-bottom designing method, which just focus on the structure of the module and lead to problems if the existing robotic modules are used and which only apply to the new modular robot design. Thebottom-up modularization designing is based on the existing robot; thus, the existing resources can be applied sufficiently and design cost can be reduced maximally. The paper takes special robot as example, explores modularization designing of special robot using bottom-up approach, to provide some reference formodularization designing of special robot in our country.

Special robot;Modularization; Designing method

TP

A

1672-4437(2017)03-0057-04

2017-03-14

黃菊永(1964-)，女，遼寧本溪人，本溪廣播電視大學(xué)副教授，主要研究方向：自動化。