面向知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型

劉 超 ，趙 武 ，尚 萬 ，，錢志遠

（1.四川大學 制造科學與工程學院，四川 成都 610065；2.上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室，上海 201108）

1 引言

在新的航天任務(wù)需求牽引下需要新型的空間機構(gòu)來完成多種空間任務(wù)。而空間環(huán)境惡劣、機構(gòu)安裝和工作空間差異性較大、體積重量比要求極為嚴格、系統(tǒng)精度和工作壽命以及可靠性要求高，考慮到概念設(shè)計階段空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識離散性、流動性、模糊性、復(fù)雜性的特點，如何整合與空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計相關(guān)的技術(shù)資源，運用相關(guān)知識，并建立規(guī)范的創(chuàng)新設(shè)計過程模型，引導設(shè)計者有效使用創(chuàng)新方法，幫助設(shè)計者融合使用多領(lǐng)域知識，從而高效地完成空間機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計已成為當前迫切需要解決的問題。目前國內(nèi)外研究主要涉及四個領(lǐng)域：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的研究[1]；產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程模型的研究；基于知識的產(chǎn)品設(shè)計的研究[2]；空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的研究[3]。然而針對于工作環(huán)境復(fù)雜、安全性要求極高的空間機構(gòu)都有一定的局限性。針對空間機構(gòu)涉及知識對創(chuàng)新設(shè)計過程進行研究，分析知識支撐概念設(shè)計全過程，提出面向知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型，為空間機構(gòu)設(shè)計人員進行創(chuàng)新設(shè)計提供理論依據(jù)。

2 知識的表達與應(yīng)用

2.1 空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識表達

針對空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程的不同階段，對知識的使用和要求有所區(qū)別，對于同一個知識點，要對其進行詳細程度不同的表達。引入知識粒度[4]表達空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識，知識粒度是一條知識對其知識信息內(nèi)容和相關(guān)信息關(guān)系描述的詳細程度。根據(jù)空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中使用知識的詳細程度，將知識粒度劃分為粗粒度知識，中粒度知識，細粒度知識，精細粒度知識。以原理效應(yīng)類知識為例，需要表達到中到細粒度知識的程度，采用本體五元組來表示如下式：D=（N，C，T，F(xiàn)，G）

式中：N—原理名稱；C—原理類型；T—原理文字描述；F—原理公式；G—原理說明圖形或者實例。

空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計模型是創(chuàng)新設(shè)計方法引導設(shè)計者運用知識的過程，將空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計每一階段對應(yīng)的知識，如表1所示。

表1 空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計對應(yīng)的知識Tab.1 Knowledge of Spatial Mechanism Innovation Design

2.2 創(chuàng)新設(shè)計知識組織應(yīng)用模型

在知識組織管理時采用文獻[5]提出的基于本體的FPBS模型，將空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識按照功能、原理效應(yīng)、行為、結(jié)構(gòu)、約束及準則，建立一系列獨立的知識體，將每一個個體知識按照FPBS模型建立映射關(guān)系，建立知識個體之間的映射庫，對知識進行聯(lián)系和融合，實現(xiàn)對知識的組織管理，進而提出本體語義搜索的知識應(yīng)用模型，如圖1所示。

圖1 空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識應(yīng)用模型圖Fig.1 Model Diagram of Knowledge Application

該應(yīng)用模型分為用戶層、搜索層、本體層和數(shù)據(jù)層四個層次，主要包含兩個關(guān)鍵技術(shù)，一是設(shè)計知識的本體組織技術(shù)，另一個是對設(shè)計知識的本體語義搜索及推理技術(shù)。用戶層為設(shè)計者提供知識庫操作的接口，提供輸入查詢條件和實現(xiàn)查詢結(jié)果的界面。搜索層根據(jù)設(shè)計任務(wù)關(guān)鍵字，基于語義本體進行同義擴展、泛化、聯(lián)想等智能化的搜索，獲得所需設(shè)計本體知識。本體層將各種知識按照FPBS模型構(gòu)建知識本體和功能本體，通過知識識別和處理工具進行抽象和封裝，實現(xiàn)各知識本體間相關(guān)性連接，為知識本體的搜索建立有效的知識庫。數(shù)據(jù)層由空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計各階段所需知識分別建立的知識庫構(gòu)成，另有填充知識的接口。這些知識的豐富性和規(guī)范性是支持空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)。

空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識的應(yīng)用包含本體解析和查詢兩個方面。本體解析主要是對自然語言和搜索關(guān)鍵內(nèi)容進行轉(zhuǎn)化，使查詢結(jié)果更加符合設(shè)計者的需求。本體知識查詢，是對知識按照本體解析后，對知識映射庫中，尋找搜索內(nèi)容對應(yīng)的關(guān)系，根據(jù)關(guān)系確定的語義網(wǎng)絡(luò)，找到語義網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)的知識個體。查詢分為主動查詢和被動查詢，主動查詢是設(shè)計者根據(jù)需求找到相對應(yīng)的知識，語義網(wǎng)絡(luò)就可以校正自然語言表達的非規(guī)范性，同時也不會遺漏有效信息。被動查詢是結(jié)合創(chuàng)新方法主動給設(shè)計者推送相關(guān)知識。

3 基于知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型

在知識應(yīng)用模型的基礎(chǔ)上提出空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程中知識的運行機制，從設(shè)計任務(wù)到理想方案全過程中，涉及到所有空間機構(gòu)知識可以通過本體搜索應(yīng)用模型直接連接到各知識庫、擴展知識通過網(wǎng)絡(luò)web搜索，創(chuàng)新方法策略作為方法層為設(shè)計人員提升創(chuàng)新思維和能力，如圖2所示。

方法層是在空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型中的創(chuàng)新設(shè)計方法及策略，為設(shè)計者提供創(chuàng)新方法，引導設(shè)計者尋找相關(guān)知識進行創(chuàng)新設(shè)計。在空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程中按照設(shè)計階段對創(chuàng)新方法進行分類，讓設(shè)計者利用創(chuàng)新方法從已建立好的多領(lǐng)域知識庫中提取知識。知識層為設(shè)計者提供知識的支撐，在空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計知識分類、表達及組織管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合知識運用模型，通過知識搜索的方式，知識層將知識呈現(xiàn)在設(shè)計者面前，由設(shè)計者在創(chuàng)新設(shè)計方法引導下選擇知識。在知識支撐引導設(shè)計模型基礎(chǔ)上，建立基于知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型，運用流程，如圖3所示。

圖3 基于知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型Fig.3 Process Model for Innovation Design Based on Knowledge

（1）針對空間機構(gòu)航天任務(wù)、性能、可靠性、壽命、工作環(huán)境和接口關(guān)系等，設(shè)計者首先確定產(chǎn)品的理想解集合（IFR），運用相關(guān)知識理想化定義問題確定設(shè)計任務(wù)；（2）在市場需求、背景文化等綜合知識支撐下利用5W2H方法獲取用戶需求[6]，利用文獻[7]中的KJ方法進行需求整理與歸類，利用AHP方法進行需求權(quán)重排序[8]，AHP法能夠在使用KJ法得出的層次結(jié)構(gòu)模型上，解決多目標的復(fù)雜決策問題，以及KJ法中無法確定需求之間的相對重要性的問題；（3）利用QFD方法運用設(shè)計標準和空間機構(gòu)設(shè)計準則等知識進行需求分析與轉(zhuǎn)換，并結(jié)合專利知識和其他相關(guān)技術(shù)知識分析設(shè)計的市場競爭力和技術(shù)競爭力；（4）利用KJ方法運用功能抽象知識和設(shè)計實例來分析定義空間機構(gòu)的功能，按重要程度分為基本功能和輔助功能；按性質(zhì)分為實用功能和外在功能；利用FMECA方法運用空間機構(gòu)可靠性及安全性準則類知識來分析設(shè)計的可靠性[9]，并提出相應(yīng)改進措施；（5）利用FPBS方法，通過科學效應(yīng)庫、專利庫獲得實現(xiàn)空間機構(gòu)功能的科學效應(yīng)、原理、領(lǐng)域知識以及設(shè)計實例和專利等知識，進行空間機構(gòu)創(chuàng)新方案設(shè)計；（6）利用AD與TRIZ集成的方法[10]，AD用來分析產(chǎn)品功能要求，發(fā)現(xiàn)技術(shù)問題的沖突，TRIZ解決沖突，運用創(chuàng)新原理與設(shè)計實例等知識完成空間機構(gòu)創(chuàng)新方案的優(yōu)化設(shè)計；（7）最后利用檢核表法運用空間機構(gòu)設(shè)計準則及約束類知識完成空間機構(gòu)的創(chuàng)新方案驗證，進行設(shè)計校核、仿真實驗、設(shè)計修改等，最終得到空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方案。

4 示例

為更好地展示所述基于知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型，下面以關(guān)于空間機器人手爪的已授權(quán)發(fā)明專利作為一個簡單示例。

4.1 分析確定設(shè)計任務(wù)

最終目的是設(shè)計一種新型靈巧空間機器人手爪，完成空間所需任務(wù)。而最終理想方案是完全具備人手的功能；目前的障礙是手指并不能像人手那樣靈活，導致的結(jié)果是無法完成任務(wù)所需的某些功能；克服障礙的條件是存在一種特殊手指結(jié)構(gòu)；可以利用的資源是手指本身。

4.2 需求獲取與表達

用AHP法對用戶需求分析處理，判斷相應(yīng)的重要程度，得到用戶需求重要度排序如下：完成空間多種任務(wù)（0.269807），良好的環(huán)境適應(yīng)性（0.134900），手爪靈活（0.134900），壽命長、可靠性高（0.118783），安全、低風險（0.118783），工作效率高（0.065382），能耗少（0.065382），體積小、重量輕（0.059382），成本低（0.032686）。

4.3 需求分析與轉(zhuǎn)換

采用QFD方法建立需求轉(zhuǎn)換質(zhì)量屋，裁剪屋頂，如圖4所示，得到各項技術(shù)特征的重要度，按照權(quán)重大小排序如下：機能多樣性（3.68），作業(yè)性（3.36），自適應(yīng)性（3.2），結(jié)構(gòu)布局（3.17），外觀（2.97），材質(zhì)（2.80），耐環(huán)境性（2.76），力學特性（2.64），自動化（1.78），經(jīng)濟性（1.69）。

圖4 需求轉(zhuǎn)換質(zhì)量屋Fig.4 House of Quality for Demand Conversion

4.4 功能分析

結(jié)合空間機構(gòu)力矩裕度、精度分配、機構(gòu)非線性、阻尼控制、熱匹配與空間潤滑等知識，確定靈巧多功能空間機器人手爪的功能：抓取、夾持、捕獲以及捕獲目標物，同要求手爪傳動平穩(wěn)，控制簡單，在執(zhí)行的時候穩(wěn)定、靈活，具有良好的適應(yīng)性。同時要求縮小體積、減輕重量，手爪的結(jié)構(gòu)組成簡單緊湊。

4.5 可靠性分析

靈巧多功能空間機器人手爪功能可靠性FMECA分析結(jié)果，如表2所示。得到上述每個功能對應(yīng)的改進措施和設(shè)計要求。重點考慮增力、柔性設(shè)計、結(jié)構(gòu)布局以及冗余設(shè)計。

表2 功能可靠性FMECA分析Tab.2 FMECA Analysis of Functional Reliability

4.6 方案設(shè)計

多功能空間機器人手爪的設(shè)計包含傳動方式、驅(qū)動方式、控制反饋方式、聯(lián)接支承方式以及執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計與選擇。結(jié)合特殊工作環(huán)境，采用體重比更小的步進電機以及工作穩(wěn)定性能更高的滾珠絲桿傳動結(jié)構(gòu)；末端執(zhí)行手指設(shè)計為便于抓持和捕捉形狀不規(guī)則物體的自適應(yīng)調(diào)整的開合機構(gòu)；手掌與手指配合完成空間目標物的定位；在執(zhí)行末端手指上設(shè)置力、位移傳感器，實現(xiàn)簡單的閉環(huán)控制；手爪的材質(zhì)采用鋁合金，如圖5所示。

圖5 多功能空間機器人手爪Fig.5 Smart Multifunctional Space Robot Gripper

4.7 方案優(yōu)化與驗證

針對得出的初步設(shè)計方案，采用AD—TRIZ對其進行優(yōu)化設(shè)計。為解決手爪體積與重量都較大的問題，參考發(fā)明原理7（套裝）第二條：“使一個物體穿過另一個物體的空腔”，把機器手掌設(shè)計為圓形套筒，驅(qū)動電機和滾珠絲桿均置于內(nèi)腔。參考發(fā)明原理15第一條：“使物體或其環(huán)境自動調(diào)整，以使其在每個動作階段的性能達到最佳”，指尖采用彈性材料可在增大夾持力的同時滿足其適應(yīng)性高的特點。最后根據(jù)奧斯本檢核表法驗證方案符合最初用戶需求和空間環(huán)境要求。解決了傳統(tǒng)手爪夾持力小、重量大、使用復(fù)雜不方便的問題，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體重比小、工作效率高、性能穩(wěn)定的特點，通過一個主體手爪連接不同功能手指，完成在失重、強輻射環(huán)境下抓取物體、進行試驗、裝配維修等指定動作。

5 結(jié)語

參照認知的過程，對于空間機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，重點針對空間機構(gòu)的概念設(shè)計階段，建立了一套完整有效的面向知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型，輔助設(shè)計者應(yīng)用創(chuàng)新設(shè)計方法及多領(lǐng)域知識完成空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。

用該模型指導空間機器人手爪的創(chuàng)新設(shè)計，最終設(shè)計了一種新型靈巧多功能空間機器人手爪。靈巧多功能空間機器人手爪的創(chuàng)新設(shè)計驗證了面向知識的空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計過程模型的正確性和有效性。

［1］Jacob Goldenberg and David Mazursky.Creative in Product Innovation［M］.UK：Cambridge University Press，2002，Cambridge，UK.

［2］李文強，李彥，熊艷.一種以面對面的設(shè)計知識組織與應(yīng)用模型［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2009，15（6）：1062-1069.（Li Wen-qiang，Li Yan，Xiong Yan.Organization and application model of design knowledge based on conception to conception［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2009，15（6）：1062-1069.）

［3］張文輝，葉曉平，季曉明.國內(nèi)外空間機器人技術(shù)發(fā)展綜述［J］.飛行力學，2013，31（3）：198-202.（Zhang Wen-hui，Ye Xiao-ping，Ji Xiao-ming.Development summarizing of space robot technology national and outside［J］.Flight Dynamics，2013，31（3）：198-202.）

［4］王磊，李天瑞.一種基于矩陣的知識粒度計算方法［J］.模式識別與人工智能，2013，26（5）：447-453.（Wang Lei，Li Tian-rui.A matrix-based approach for calculation of knowledge granulation［J］.Pattern Recognition&Artificial Intelligence，2013，26（5）：447-453.）

［5］劉康，李彥，趙武.基于本體的FPBS設(shè)計模型研究［J］.工程設(shè)計學報，2012，19（5）：329-334.（Liu Kang，Li Yan，Zhao Wu.Research of ontology based FPBS design model［J］.Applied Mechanics&Materials，2012，19（5）：329-334.）

［6］袁峰.面向需求的機械產(chǎn)品原理方案創(chuàng)新設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.天津：天津大學，2006.（Yuan Feng.Research on the key technology of the innovation design of the mechanical product principle scheme for the demand［D］.Tianjin：Tianjin University，2006.）

［7］鄧家褆，韓曉建，曾硝.產(chǎn)品概念設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002（5）.（Deng Jia-ti，Han Xiao-jian，Zeng Xiao.Product Conceptual Design［M］.BeiJing：China Machine Press，2002（5）.）

［8］孔峰，劉鴻雁.AHP綜合排序算法分析及其改進［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2009，41（4）：260-263.（Kong Feng，Liu Hong-yan.Analysis and improvement on final ranking of AHP algorithm［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2009，41（4）：260-263.）

［9］田宇.基于 FMECA 方法的應(yīng)用分析與研究［J］.傳動技術(shù)，2011，25（3）：44-47.（Tian Yu.Analysis and research based on the method of FMECA［J］.Drive System Technique，2011，25（3）：44-47.）

［10］付敏，范德林，李銳.基于TRIZ和AD的集成創(chuàng)新設(shè)計模型及其應(yīng)用［J］.機械設(shè)計，2014（3）：10-14.（Fu Min，F(xiàn)an De-lin，Li Rui.Integrated innovation method based on TRIZ and AD and its application［J］.Journal of Machine Design，2014（3）：10-14.）