面向管道機(jī)器人的模塊劃分方法研究

祝海珍,袁艷,雷永軍

(西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

0 前言

管道機(jī)器人通過自身攜帶的工作裝置，在操作人員或計(jì)算機(jī)的控制下，可以沿管道內(nèi)壁或外壁行走，實(shí)現(xiàn)對管道的檢測維護(hù)和清潔保養(yǎng)，是一種理想的自動(dòng)化管道設(shè)備[1]。但隨著管道機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其面臨的應(yīng)用環(huán)境和功能需求愈發(fā)多樣化，不但要求產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代、降低成本，而且要求提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。然而擁有固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機(jī)器人無法滿足上述需求，嚴(yán)重阻礙了管道機(jī)器人的應(yīng)用和推廣[2]。

模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起構(gòu)成一個(gè)通用性模塊，再與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行不同的組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，從而產(chǎn)生多種不同功能或相同功能性能不同的系列產(chǎn)品[3-4]。這種設(shè)計(jì)方法可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)效率，更有利于快速響應(yīng)客戶需求，提供高質(zhì)量的個(gè)性化服務(wù)。因此管道機(jī)器人模塊化技術(shù)已經(jīng)成為科研人員重要的研究方向。

由于模塊化設(shè)計(jì)的過程就是模塊分解和模塊組合的過程，因此模塊劃分是模塊化設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。所以面向管道機(jī)器人提出一種基于公理化設(shè)計(jì)和IDEF相結(jié)合的模塊劃分方法，為后續(xù)模塊化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能分析

為了得到合理的模塊劃分方案，首先必須對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能以及各組成部分之間的關(guān)系做出全面細(xì)致的分析，構(gòu)建出功能-結(jié)構(gòu)模型，從而為后續(xù)模塊劃分的具體實(shí)施提供依據(jù)[5-6]。

1.1 結(jié)構(gòu)分解

目前市場上管道機(jī)器人種類繁多、形態(tài)各異，從功能角度出發(fā)，通?？煞譃楣艿谰S修機(jī)器人、管道檢測機(jī)器人、管道清潔機(jī)器人三類。以管道維修機(jī)器人為例，采用層次分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，如圖1所示。構(gòu)建管道維修機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖1 管道維修機(jī)器人結(jié)構(gòu)分解

圖2 管道維修機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

由結(jié)構(gòu)模型可知，管道維修機(jī)器人是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、支撐裝置、控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成。其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于提供工作動(dòng)力包括電機(jī)、車輪；支撐裝置是承載及支撐管道機(jī)器人執(zhí)行元件的部分，包括車身、云臺(tái)、傳感器平臺(tái)；執(zhí)行系統(tǒng)中包括照明設(shè)備及各式機(jī)械手，機(jī)械手可擁有多個(gè)自由度用于完成特定工作；控制系統(tǒng)則用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，主要包括芯片、電池、通信裝置、控制板及傳感器組。

1.2 功能分解

通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)等方法收集、量化客戶需求，建立需求與功能間的映射關(guān)系，將總需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品所需的總功能，即維修功能、清潔功能及檢測功能。為了保證模塊功能能準(zhǔn)確滿足客戶需要，再將總功能進(jìn)一步細(xì)化為一級(jí)功能和二級(jí)功能。以管道維修機(jī)器人為例，構(gòu)建管道維修機(jī)器人的功能模型，如圖3上半部分所示。

1.3 建立功能-結(jié)構(gòu)模型

以管道維修機(jī)器人為例，根據(jù)結(jié)構(gòu)模型、功能模型及兩者之間的映射關(guān)系，建立功能-結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示，為后續(xù)模塊劃分工作奠定基礎(chǔ)[7-8]。

圖3 管道維修機(jī)器人功能-結(jié)構(gòu)模型

2 模塊劃分方法的確定

公理化設(shè)計(jì)是模塊劃分時(shí)常用的一種方法。此方法是以功能分解為基礎(chǔ)，通過零部件之間的配合度以及相互之間的影響度來劃分模塊。由于管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、底層零部件較多，若僅應(yīng)用公理化設(shè)計(jì)方法來劃分模塊，不一定能滿足功能模塊之間的獨(dú)立性。即，若功能分解得到的設(shè)計(jì)矩陣為對角陣，則可以單獨(dú)劃分為一個(gè)功能模塊；但若功能分解得到的設(shè)計(jì)矩陣為三角陣或滿矩陣，則公理化設(shè)計(jì)不能保證功能模塊之間的獨(dú)立性，則不可作為模塊劃分的依據(jù)[9-11]。而IDEF方法有較強(qiáng)的直觀性和交互性，可以清楚細(xì)致地觀察到系統(tǒng)活動(dòng)塊之間的關(guān)系。若存在不能滿足獨(dú)立性公理的子結(jié)構(gòu)，則可以采用IDEF(ICAM DEFinition method，其中ICAM：Integrated Computer Aided Manufacturing)中功能建模的方式將其重新聚類為某一個(gè)活動(dòng)塊，利用其可視化的特點(diǎn)，為模塊劃分提供依據(jù)，很好地彌補(bǔ)了公理化設(shè)計(jì)的不完整性。故提出一種基于公理化設(shè)計(jì)和IDEF相結(jié)合的方法，采用自頂向下的方式，對管道機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分。

確定模塊劃分方法后，繪制流程圖，如圖4所示。在對管道機(jī)器人進(jìn)行模塊劃分時(shí)，從功能角度出發(fā)，首先通過公理化設(shè)計(jì)中功能域和結(jié)構(gòu)域之間的映射轉(zhuǎn)換，進(jìn)行管道機(jī)器人系統(tǒng)模塊的初步劃分。若公理化設(shè)計(jì)中功能和結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系無法滿足獨(dú)立性公理要求，再使用IDEF設(shè)計(jì)方法中功能建模的方式，描述功能和需求之間的關(guān)系，將關(guān)聯(lián)度小的活動(dòng)塊重新聚類，歸為一個(gè)功能模塊。這種方法不僅簡化了整個(gè)模塊劃分的過程，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)及龐大的計(jì)算量，而且更加高效準(zhǔn)確[12-15]。

圖4 管道機(jī)器人系統(tǒng)模塊劃分方法

3 管道機(jī)器人系統(tǒng)的模塊劃分

3.1 基于公理化設(shè)計(jì)的模塊劃分

(1)最高層第0級(jí)

以管道維修機(jī)器人為例，其最基本的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)的焊接疏通功能。由此確定最高層次的功能需求為：管道維修。即最高層的FR0-DP0設(shè)計(jì)為：FR0=管道維修；DP0=模塊化管道維修機(jī)器人。

(2)第一級(jí)分解

確定首層FR0-DP0設(shè)計(jì)后，利用模塊的概念，通過管道機(jī)器人每一部分結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的功能來進(jìn)行組部件的劃分，從而實(shí)現(xiàn)對FR0的進(jìn)一步分解。此層分解得到功能需求和設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 第一級(jí)分解

由表1可知，一級(jí)分解得到的功能需求和設(shè)計(jì)參數(shù)之間的設(shè)計(jì)矩陣為對角陣，即第一級(jí)分解得到的6個(gè)部件級(jí)結(jié)構(gòu)，在功能和結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，滿足獨(dú)立性公理。故可將管道維修機(jī)器人劃分為：提供能量、移動(dòng)位置、采集信息、處理信息、用戶控制、管道維修6個(gè)一級(jí)功能模塊。

(3)第二級(jí)分解

在第二級(jí)分解中，將管道維修機(jī)器人的一級(jí)功能要求分解為二級(jí)功能要求，即將FR和DP進(jìn)一步“之”字映射分解，如表2所示。

表2 第二級(jí)分解

由表2可知：采集信息和處理信息功能的設(shè)計(jì)矩陣是滿矩陣和下三角陣，說明同一級(jí)別同一分支下的功能結(jié)構(gòu)之間存在相互影響的關(guān)系，無法保證功能和結(jié)構(gòu)上的獨(dú)立性，故只將其余5個(gè)部分做出對應(yīng)的“之”字形功能-結(jié)構(gòu)映射分解，進(jìn)行模塊劃分，如圖5所示。則經(jīng)過第二級(jí)分解又劃分出電機(jī)模塊、電池模塊等10個(gè)二級(jí)模塊。

圖5 公理化設(shè)計(jì)方法劃分結(jié)果

3.2 基于IDEF的模塊劃分

由于基于公理化設(shè)計(jì)的管道維修機(jī)器人模塊劃分中，照明和攝像功能相關(guān)聯(lián)，信息傳輸與信息收集功能也有交互性，不滿足模塊之間的獨(dú)立性特征，故采集信息和處理信息這兩個(gè)功能無法直接劃分為相應(yīng)的二級(jí)模塊。因此需要進(jìn)一步采用IDEF功能建模的方法，分析這兩個(gè)一級(jí)功能活動(dòng)內(nèi)部的二級(jí)功能活動(dòng)之間的關(guān)系，以便進(jìn)行合理準(zhǔn)確的模塊劃分。若功能需求之間關(guān)聯(lián)度小且所需機(jī)制并不相同，則可以劃分為一個(gè)功能模塊。

利用IDEF功能建模的方法，建立模型描述采集信息功能的輸入和輸出關(guān)系，繪制A3圖，如圖6所示。由A3圖中描述的功能關(guān)系可知：在采集信息功能活動(dòng)中，LED燈實(shí)現(xiàn)照明功能，攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)采集圖像功能，照明功能輔助采集圖像信息功能，二者相互協(xié)作。但在功能實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備結(jié)構(gòu)上，并不存在耦合關(guān)系，故可以進(jìn)行模塊劃分。即采集信息功能模塊可細(xì)化為：采集熱信息、采集自身信息、采集圖像信息和照明4個(gè)二級(jí)功能模塊。

圖6 采集信息功能A3圖

利用IDEF功能建模的方法，建立模型描述信息處理功能的輸入和輸出關(guān)系，繪制A4圖，如圖7所示。通過觀察分析A4圖所描述的信息處理內(nèi)部二級(jí)功能關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在信息處理功能活動(dòng)中，二級(jí)功能活動(dòng)塊之間存在數(shù)據(jù)信息的傳輸，而在實(shí)現(xiàn)功能所需的機(jī)制上并不相同，即編碼器、通信裝置完成信息的傳輸，而芯片完成信息的收集。二者相關(guān)性較小，從功能角度出發(fā)的概念設(shè)計(jì)，可以將其劃分為一級(jí)功能模塊：處理信息模塊；二級(jí)功能模塊：信息傳輸模塊和信息收集模塊。

圖7 信息處理功能A4圖

至此，應(yīng)用公理化設(shè)計(jì)和IDEF相結(jié)合的方法，完成了道維修機(jī)器人系統(tǒng)的模塊劃分，劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 完整的模塊劃分結(jié)果

3.3 提煉共享功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述管道維修機(jī)器人模塊劃分方法，進(jìn)一步對管道清潔機(jī)器人和管道檢測機(jī)器人進(jìn)行完整的模塊劃分，將其劃分結(jié)果放置一起，便于進(jìn)行對比分析，如圖9所示。

圖9 提煉功能模塊

通過對三類管道機(jī)器人的模塊劃分結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)：不同的管道機(jī)器人為完成各自的工作內(nèi)容，只需搭配不同類型的工作裝置，其余的功能模塊都可以互換通用。故為簡化流程、方便模塊查詢及管理，提煉出通用模塊和特殊模塊，即將管道機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分通用模塊及特殊模塊，獲得具有一定通用性的模塊化管道機(jī)器人平臺(tái)，如圖10所示。

圖10 管道機(jī)器人模塊系統(tǒng)

4 總結(jié)

為解決管道機(jī)器人面臨的應(yīng)用環(huán)境增多、功能需求多變等困難，提出一種公理化設(shè)計(jì)和IDEF功能建模相結(jié)合的方法，對其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)研究。從設(shè)備整體結(jié)構(gòu)框架入手，首先分析要實(shí)現(xiàn)的功能，再由公理化設(shè)計(jì)分解出不同的功能模塊，并判斷每一個(gè)模塊的獨(dú)立性。對于不滿足獨(dú)立性條件的功能模塊，通過IDEF功能建模的方式，可視化地、客觀地描述系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)功能活動(dòng)之間的關(guān)系，確定出相對獨(dú)立的模塊，以完善整個(gè)模塊劃分過程。

從功能的角度出發(fā)，以自頂向下的方式展開對管道機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)研究，不僅簡化了模塊劃分過程，避免了重復(fù)設(shè)計(jì)及龐大的計(jì)算量，而且更加高效準(zhǔn)確，在相關(guān)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用性及推廣性。