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第十一届中国工程院制造工程智能计算大会，中国工程院ICME 17

生成式设计在机器人机械手的开发

摘要

网络物理生产系统的出现使得机器人在协同制造环境中的应用越来越多。满足这一需求的一种方法是通过制造更便宜、更可定制、可由中小型企业实现的机器人，实现机器人的民主化。为了解决这一问题，本研究着眼于利用快速原型技术开发可定制的机器人机械手，这些机械手可以在网络物理生产系统中实现。因此，本研究为设计连接快速原型机器人提供了一种方法。该方法考虑了实现机械手所需的软件和硬件开发。在此基础上，采用基于进化和人工智能的生成设计方法，设计了机器人关节间的连接模块。这个组件被认为是用这种方法设计的理想组件，因为它受益于大多数生成式设计方法以及快速原型。本文还研究了一种基于以太网控制技术的机械手控制结构，用于网络物理生产系统的实现。

copy;2017作者。由爱思唯尔出版

第十一届中国保监会人工智能计算大会科学委员会负责的同行评审工作。

copy;2017作者。由爱思唯尔B。V。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放访问文章(http://creativecommons.org/licenses/bync -nd/4.0/)。

第十一届中国保监会制造工程智能计算大会科学委员会负责同行评审工作

关键词:机器人;设计;人工智能。

1. 介绍

1.1。网络实体生产系统

CPPS由自主的和协作的元素(例如智能机器)和子系统(例如智能工厂)组成，这些子系统以依赖于情景的方式相互连接，并且跨生产的所有级别，从流程级别到工厂和生产级别[1]。

实现CPPS的主要驱动因素之一是生产系统[1]不断适应和发展的需要。不断发展的生产系统需求可以在不断变化的客户行为和不断发展的产品[2]中追溯它们的起源。

适应客户需求的需要意味着生产系统利用技术和机器来提供高水平的效率，同时适应制造环境的需要。由于机器人提供了高效率和精确性，同时又不牺牲灵活性，网络物理生产系统的出现带来了对机器人的更多利用。也就是说,

随着协作和连接机器人的出现，机器人技术的趋势正在发生变化。这一趋势在达沃斯世界经济论坛(World Economic Forum)上也得到了突显。该论坛认为，先进机器人是工业4.0背后的主要技术驱动因素之一。

1.2。协作与连接机器人

尽管如此，这并不意味着人类将从车间里被彻底消灭。事实上，基于详细的研究和实验，Pfeiffer[3]认为，未来的车间仍然需要人类的经验。基于此，在未来几年，人类和机器人在制造业务上合作的需求将会增加。为了证实这一说法，Bloss[4]与机器人公司的主要管理人员进行了讨论，并在此基础上得出结论，协作机器人技术“将在未来几十年内成为主导机器人技术”。

为了应对这一日益增长的需求，我们可以看到所有主要的机器人制造商都在推出自己的产

作者:2212-8271copy;2017由爱思唯尔B。V。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放访问文章(http://creativecommons.org/licenses/bync -nd/4.0/)。

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doi: 10.1016 / j.procir.2017.12.207

245 Emmanuel Francalanza等人/ procedure dia CIRP 67 (2018) 244 - 249

能够与人类操作员携手工作的协作机器人。

为了实现CPPSs，这些机器人需要容易地连接到管理制造操作的控制系统。CPPS的一个核心特性是分散控制或glocallocalcontrol。glocalizescpps[5]的这一远景是通过使用具有嵌入式处理和联网功能的机器实现的。这些能力为分布式和认知控制的第三个特征提供了可能。由于能够使用认知处理来分析从机器传感器收集的数据，从而允许CPPS控制的分散化，这种分布式控制越来越受欢迎。

对持续适应的需求也推动了实现即插即用概念的方法的发展。即插即用允许根据生产的需要从生产系统中添加和删除生产系统的不同元素。

这种即插即用的概念也允许开发模块化生产系统。正如Schleipen等人[6]、Onori[7]和Maeda[8]所解释的那样，即插即用的概念不仅必须从机械功能上得到支持，而且还必须通过开发新的和改进的软件和控制范例来支持。

1.3。民主化的机器人

大公司有专门的开发团队，也有实施这些技术的投资潜力。据国际机器人联合会报道，2015年，全球机器人销量增长15%，达到253,748台，为一年来的最高水平。

这些先进制造技术在中小型企业(sme)中所占的比例并不一定相同，尽管与大型企业相比，中小型企业所占的比例最大。因此，如果像Sommer[10]所描述的那样，中小企业不是工业4.0的第一个受害者，那么就有必要使机器人的使用民主化。

技术民主化是指更多的人迅速获得技术的过程。满足这一需求的一种方法是通过开发更便宜和更可定制的机器人来促进机器人的实现，这些机器人可以很容易地由中小型企业实现。

由于中小企业对工业4.0技术的投资意愿较低，提供更便宜的机器人可能会增加机器人的使用。此外，使机器人易于连接和训练也将解决中小型企业对机器人的使用和实现的任何保留意见。这些方法，加上提供一个单一的机器人平台的可能性，可以定制为中小企业的广泛不同的需求，也将增加对机器人和工业4.0技术的采用。

1.4。研究的目的是

为了解决这些挑战，本研究旨在利用快速原型技术开发可定制的机器人机械手，这些机械手可以在网络物理生产系统中实现。为了使机械手的重量和成本最小化，该方法利用生成设计技术来设计机器人关节之间的连接。生成设计是一种进化的人工智能方法，将在第2节中进一步讨论。然后在第3节中介绍了处理类似挑战的其他先进方法。第4节描述了用于开发机械手的方法。第5节给出了原型设计和实现。第6节介绍了与本研究有关的结论和今后的工作。

2. 生成设计

生成性设计并不是一个新概念，它有时被称为进化设计，指的是在这个计算过程中使用的搜索技术和进化算法。在[11]中，Bentley和Wakefield描述了一个原型设计系统，该系统使用遗传算法从零开始进化新的概念设计。在这种方法中，原型系统创建新的设计，并使用遗传算法对这些设计进行迭代优化。遗传算法利用自然界中发现的进化原理，首先生成一组解，然后“复制”最合适的解。通过随机交叉和突变操作，将这些适合的亲本的基因型组合在一起产生后代。由Bentley和Wakefield[11]贡献的设计系统由三个要素组成:

一个合适的实体表示，使计算机能够在设计过程中有效地操作候选设计。

一种经过修改的遗传算法，以从零开始进化这种表示设计。

评价软件指导进化过程。

正如[12]所解释的，概念设计过程可以表示为一个优化过程。为了得到一个解决方案并确定一组规则，需要评估一个解决方案对特定设计问题的适用性。这些类型的方法充分利用了进化计算的创造性，以便发现人类设计者可能没有发现的解决方案。因此，这些设计技术可以用来增强对人类设计师的设计探索支持，同时保持设计师处于设计过程的中心。Krish在生成设计过程[14]中也描述了这种协同开发方法。Krish解释了设计人员如何显式定义约束信封，其中定义了解决方案的几何可行性。正如Sun等人[15]所解释的那样，在设计自动化中使用这种进化技术不仅可以改进设计的功能，还可以减少开发时间，从而降低成本，特别是在设计复杂组件时。

3.最先进的

在本节中，作者介绍了与本研究主题相关的最新研究进展。使用生成式设计。生成设计的一个应用是[16]解释了在一个典型的微球磨机的设计相对复杂的特点。采用生成式设计方法对该产品进行分析，生成所需运动轴的数量和性质。并将此分析结果应用于新型五轴激光机床的设计中。

另一个应用是Lee[17]对自动机器人设计的进化系统的使用。本研究探讨了不同的设计问题，从为机器人进化出简单的行为控制器，到复杂的行为控制器，最后完成一个完整的机器人系统，包括它的控制器和物理结构。

生成式设计的一个有趣的应用是Saravanan等人[18]在机器人抓手设计中应用生成式设计来获得最优几何尺寸。基于他们的实验成功，本研究的作者认为，这项工作为进一步研究如何使用智能技术来解决复杂的工程优化问题[18]打开了大门。

生成式设计也被用于优化3D打印应用。其中一种方法是Asadi-Eydivand等人将[19]用于骨组织工程的3D打印支架。本研究成功地利用进化算法探索了不同的3D打印参数。

正如Onal等人解释的[20]，打印机器人的能力引入了一种快速和低成本的制造方法到现代，现实世界的机器人应用。基于折纸结构，采用三维打印方法开发机器人。虽然这些机器人目前还没有合适的工业应用，但它们证明了3D打印的实用性，可以以低成本的方式打印复杂的结构，同时为新的创新设计打开了大门。

布尔加雷利等人也采用了类似的方法来开发一种低成本、开源的3D打印灵巧拟人机械手。本研究采用的一个有趣的方法是，所开发的硬件和软件都是在线提供的，以促进社区的进一步改进。开放源码社区，以促进机器人的民主化。事实上，Armesto等人[22]认为，3D打印技术的广泛应用使机器人社区有机会接触到更广泛的公众。本研究提出了一种适用于工程教育的低成本打印机器人的设计方案。

从文献综述中，作者可以得出结论，目前还没有一种方法可以将使用生成式设计方法设计的3D打印机器人结合起来用于CPPS。如第1节所述，这种办法将减少执行费用，从而维持

因此，机器人技术的民主化支持中小企业实施计划生育政策。

4. CPPS生成设计支持流程

为了支持CPPS的即插即用概念，需要使用一种兼顾物理和网络视角的方法。因此，需要一种方法来开发这种系统。本研究综述了[23]、[24]、[25]的几种设计方法。虽然它们都突出了CPPS的多个视角，但是没有一个能够说明从需求到最终设计的设计过程。Fisher等人也强调了CPPS设计方法的这种缺乏。因此，从鲁森伯格的基本设计周期[26]推导出一个系统的设计过程。因此，在本研究中，为了开发网络连接机器人机械手，采用了如图1所示的设计过程。

CPPS设备的设计过程描述了从目标(需求)到方法(已批准的设计)的设计周期。在此设计过程中，设计者可以使用生成式设计技术，利用人工智能实现设计综合、仿真和评估活动的自动化。也就是说，这并没有把设计师从设计过程中排除出去。本研究的设计过程是一个人在回路的系统。因此，虽然设计过程中的一些活动可能是自动化的，但仍然是由设计师做出最终的决定来批准设计。

此外，文中所述的设计周期还描述了在CPPS的综合设计中如何同时考虑物理和网络组件。此外，为了满足系统需求，CPPS设备还必须使用可配置性、模块化、可诊断性和可连接性等支持技术。

5. 5.1原型设计与实现物理组件设计

机械臂的物理元件设计过程决定了机械臂的物理界面。物理系统设计采用了一组机器人关节模块，其中一些模块由连杆模块连接。一旦生产和组装完成，机械手实质上就是一个铰接式机器人，如图2所示。该机械手是使用步进电机驱动的关节模块。

5.1.1。设计可配置性

为了满足不同工业应用的定制要求，通过选择、添加和删除关节和链接模块来配置物理机械手设计。机械手的主要结构如图2所示，采用六自由度。这意味着机械手由六个关节组成，每个关节都是转动关节。六自由度确保末端执行器能够到达机械手工作空间内的任何位置和方向。采用不同的步进电机尺寸和传动比，以便最大限度地提升1.5公斤的负载。

图2所示。机械手装配模型。

另一方面，一边表面平整的零件采用FDM打印，一边放置在打印床上。当3D打印的零件需要在内部和不可触及的零件中提供支撑材料时，也鼓励使用FDM。在这些情况下使用了可溶性支架，使支架材料在后处理过程中易于拆卸。

在设计3D打印时，一个重要的考虑因素是重量最小化。在使用CAD建模时，几个部件被设计成尽可能的最小壁厚。这第一步导致寻找其他可能的减肥方法。这包括减少关节模块的直径，导致所有内部部件也更小，从而更轻。

5.2。生成设计

另一种减轻重量的方法是在体积大得不必要的零件上钻洞。因此，正如第1.4节所述，连接机器人关节的链接模块是一个理想的案例研究，用于演示生成设计的使用。使用Autodesk Inventor CAD系统中的形状生成器功能实现生成设计练习。

5.2.1。构建体积和设计约束

第一步是创建零件模型的构建卷或近似。使用圆柱形作为链接模块的原始构建体。定义了构建卷之后，下一步是定义keep out区域。生成设计过程不会在创建向导形状时修改这些区域。最后，对零件的约束条件和受力进行了说明。然后，在临时设计解决方案的自动化模拟过程中使用这些标准来评估每个解决方案满足设计需求的能力。基于机械臂的设计，在本案例研究中，使用的标准是中轴上的连杆所能承受的力。

图3所示的模型说明了应用于link模块的初始构建体积和设计约束。需要注意的是，在这种物理组件设计中，为了通过电气驱动器的布线，需要设置

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