面向管道機器人的模塊劃分方法研究

祝海珍,袁艷,雷永軍

(西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安 710021)

0 前言

管道機器人通過自身攜帶的工作裝置，在操作人員或計算機的控制下，可以沿管道內壁或外壁行走，實現(xiàn)對管道的檢測維護和清潔保養(yǎng)，是一種理想的自動化管道設備[1]。但隨著管道機器人技術的發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，其面臨的應用環(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)品質量和服務質量。然而擁有固定結構的傳統(tǒng)機器人無法滿足上述需求，嚴重阻礙了管道機器人的應用和推廣[2]。

模塊化設計是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起構成一個通用性模塊，再與其他產(chǎn)品要素進行不同的組合，構成新的系統(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]。這種設計方法可以大大縮短設計周期，提高產(chǎn)品設計水平和生產(chǎn)效率，更有利于快速響應客戶需求，提供高質量的個性化服務。因此管道機器人模塊化技術已經(jīng)成為科研人員重要的研究方向。

由于模塊化設計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計的前提和基礎。所以面向管道機器人提出一種基于公理化設計和IDEF相結合的模塊劃分方法，為后續(xù)模塊化設計提供依據(jù)。

1 產(chǎn)品結構與功能分析

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

1.1 結構分解

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

圖1 管道維修機器人結構分解

圖2 管道維修機器人結構模型

由結構模型可知，管道維修機器人是由驅動系統(tǒng)、支撐裝置、控制系統(tǒng)及執(zhí)行系統(tǒng)四部分組成。其中驅動系統(tǒng)用于提供工作動力包括電機、車輪；支撐裝置是承載及支撐管道機器人執(zhí)行元件的部分，包括車身、云臺、傳感器平臺；執(zhí)行系統(tǒng)中包括照明設備及各式機械手，機械手可擁有多個自由度用于完成特定工作；控制系統(tǒng)則用于實現(xiàn)人機交互功能，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

通過調查、統(tǒng)計等方法收集、量化客戶需求，建立需求與功能間的映射關系，將總需求轉化為產(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確滿足客戶需要，再將總功能進一步細化為一級功能和二級功能。以管道維修機器人為例，構建管道維修機器人的功能模型，如圖3上半部分所示。

1.3 建立功能-結構模型

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

圖3 管道維修機器人功能-結構模型

2 模塊劃分方法的確定

公理化設計是模塊劃分時常用的一種方法。此方法是以功能分解為基礎，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。由于管道機器人結構復雜、底層零部件較多，若僅應用公理化設計方法來劃分模塊，不一定能滿足功能模塊之間的獨立性。即，若功能分解得到的設計矩陣為對角陣，則可以單獨劃分為一個功能模塊；但若功能分解得到的設計矩陣為三角陣或滿矩陣，則公理化設計不能保證功能模塊之間的獨立性，則不可作為模塊劃分的依據(jù)[9-11]。而IDEF方法有較強的直觀性和交互性，可以清楚細致地觀察到系統(tǒng)活動塊之間的關系。若存在不能滿足獨立性公理的子結構，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活動塊，利用其可視化的特點，為模塊劃分提供依據(jù)，很好地彌補了公理化設計的不完整性。故提出一種基于公理化設計和IDEF相結合的方法，采用自頂向下的方式，對管道機器人系統(tǒng)進行模塊劃分。

確定模塊劃分方法后，繪制流程圖，如圖4所示。在對管道機器人進行模塊劃分時，從功能角度出發(fā)，首先通過公理化設計中功能域和結構域之間的映射轉換，進行管道機器人系統(tǒng)模塊的初步劃分。若公理化設計中功能和結構的映射關系無法滿足獨立性公理要求，再使用IDEF設計方法中功能建模的方式，描述功能和需求之間的關系，將關聯(lián)度小的活動塊重新聚類，歸為一個功能模塊。這種方法不僅簡化了整個模塊劃分的過程，避免了重復設計及龐大的計算量，而且更加高效準確[12-15]。

圖4 管道機器人系統(tǒng)模塊劃分方法

3 管道機器人系統(tǒng)的模塊劃分

3.1 基于公理化設計的模塊劃分

(1)最高層第0級

以管道維修機器人為例，其最基本的目標是實現(xiàn)管道內的焊接疏通功能。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設計為：FR0=管道維修；DP0=模塊化管道維修機器人。

(2)第一級分解

確定首層FR0-DP0設計后，利用模塊的概念，通過管道機器人每一部分結構所能達到的功能來進行組部件的劃分，從而實現(xiàn)對FR0的進一步分解。此層分解得到功能需求和設計參數(shù)，如表1所示。

表1 第一級分解

由表1可知，一級分解得到的功能需求和設計參數(shù)之間的設計矩陣為對角陣，即第一級分解得到的6個部件級結構，在功能和結構上相互獨立，滿足獨立性公理。故可將管道維修機器人劃分為：提供能量、移動位置、采集信息、處理信息、用戶控制、管道維修6個一級功能模塊。

(3)第二級分解

在第二級分解中，將管道維修機器人的一級功能要求分解為二級功能要求，即將FR和DP進一步“之”字映射分解，如表2所示。

表2 第二級分解

由表2可知：采集信息和處理信息功能的設計矩陣是滿矩陣和下三角陣，說明同一級別同一分支下的功能結構之間存在相互影響的關系，無法保證功能和結構上的獨立性，故只將其余5個部分做出對應的“之”字形功能-結構映射分解，進行模塊劃分，如圖5所示。則經(jīng)過第二級分解又劃分出電機模塊、電池模塊等10個二級模塊。

圖5 公理化設計方法劃分結果

3.2 基于IDEF的模塊劃分

由于基于公理化設計的管道維修機器人模塊劃分中，照明和攝像功能相關聯(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立性特征，故采集信息和處理信息這兩個功能無法直接劃分為相應的二級模塊。因此需要進一步采用IDEF功能建模的方法，分析這兩個一級功能活動內部的二級功能活動之間的關系，以便進行合理準確的模塊劃分。若功能需求之間關聯(lián)度小且所需機制并不相同，則可以劃分為一個功能模塊。

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系，繪制A3圖，如圖6所示。由A3圖中描述的功能關系可知：在采集信息功能活動中，LED燈實現(xiàn)照明功能，攝像機實現(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。但在功能實現(xiàn)所需的設備結構上，并不存在耦合關系，故可以進行模塊劃分。即采集信息功能模塊可細化為：采集熱信息、采集自身信息、采集圖像信息和照明4個二級功能模塊。

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部二級功能關系，發(fā)現(xiàn)在信息處理功能活動中，二級功能活動塊之間存在數(shù)據(jù)信息的傳輸，而在實現(xiàn)功能所需的機制上并不相同，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。二者相關性較小，從功能角度出發(fā)的概念設計，可以將其劃分為一級功能模塊：處理信息模塊；二級功能模塊：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，應用公理化設計和IDEF相結合的方法，完成了道維修機器人系統(tǒng)的模塊劃分，劃分結果如圖8所示。

圖8 完整的模塊劃分結果

3.3 提煉共享功能結構

根據(jù)上述管道維修機器人模塊劃分方法，進一步對管道清潔機器人和管道檢測機器人進行完整的模塊劃分，將其劃分結果放置一起，便于進行對比分析，如圖9所示。

圖9 提煉功能模塊

通過對三類管道機器人的模塊劃分結果分析，發(fā)現(xiàn)：不同的管道機器人為完成各自的工作內容，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，即將管道機器人系統(tǒng)結構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器人平臺，如圖10所示。

圖10 管道機器人模塊系統(tǒng)

4 總結

為解決管道機器人面臨的應用環(huán)境增多、功能需求多變等困難，提出一種公理化設計和IDEF功能建模相結合的方法，對其進行模塊化設計研究。從設備整體結構框架入手，首先分析要實現(xiàn)的功能，再由公理化設計分解出不同的功能模塊，并判斷每一個模塊的獨立性。對于不滿足獨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)內部各個功能活動之間的關系，確定出相對獨立的模塊，以完善整個模塊劃分過程。

從功能的角度出發(fā)，以自頂向下的方式展開對管道機器人的模塊化設計研究，不僅簡化了模塊劃分過程，避免了重復設計及龐大的計算量，而且更加高效準確，在相關領域具有很強的應用性及推廣性。