基于特种机器人的模块化设计方法探索

黄菊永



基于特种机器人的模块化设计方法探索

黄菊永

（本溪广播电视大学，辽宁 本溪 117000）

目前，模块化机器人的模块划分办法有很多，大部分机器人均是采取自顶向下的办法进行设计，此种设计办法比较注重模块的结构，如果使用现有的机器人模块便会存在一定的难度，其只适用于设计全新模块化机器人。由于自底向上的模块化设计办法是基于已有机器人而开展的，其可以使已有资源得到充分地应用，最大限度地减少设计成本。所以，本文以现存的特种机器人为例，采取自底向上的设计办法，对基于特种机器人的模块化设计进行了探讨，以期为我国特种机器人的模块化设计提供一些参考。

特种机器人；模块化；设计方法

1 引言

在当下自然灾害日益频发、世界反恐形势越来越严峻的新时代下，具备消防、侦察、排爆、攻击以及搜救等功能的特种机器人也逐渐受到社会各界广泛的关注。而模块化设计可以最大限度地缩减产品的开发周期，最大限度地减少产品的开发成本，只需对相关的模块进行更换，便可达到升级功能、更新设备的目的。因此，模块化设计已经被广泛应用于特种机器人设计之中，且已经取得了较好的效果。对基于特种机器人的模块化设计方法进行探索与研究就显得非常有必要。

2 模块化设计办法

模块化设计办法主要包括两种，即自底向上法和自顶向下法[1]。文章采取的是自底向上的设计办法。自底向上法属于一种后置平台的设计办法，就是把已有的多个系统当作子系统，并把它们整合起来组成父系统。相互独立的基本元素是此过程中最先得到细致描述的，接着就是把基本元素整合起来组成子系统，之后再对子系统加以整合来形成父系统，有时需要对多个层次的子系统进行整合方能形成父系统[2]。这是一个从微小、简单向健全、繁杂转变的过程，也就是通过重新设计现有的一组产品，使部件实现标准化，继而创建出具备更强竞争力的产品。自底向上法利用非模块化产品来对产品的共性进行归纳，从而得出通用模块，是使非模块化产品实现模块化的一种有效办法。

此办法中牵涉到功能基、伪功能基、流以及功能元等术语。其中，系统输出量与输入量之间的关系就称作功能，而流就是指那些输出量与输入量，主要包括信息流、物流及能量流。在分解功能的过程中，分解到无法再分的最小功能就称作功能元。产品的总功能可分解成多个功能元，借助流把系统的所有功能元整合在一起，便可形成功能结构。通过归纳法形成的一种构建功能模型使用的通用设计语言就称作功能基，功能基主要包括流集合与功能集合。功能基不仅可以使功能结构分析变得更加简化，同时也是确保功能分解结果与过程唯一且能够再现的基础[3]。功能基中存在着一个停止分解的标准，而且借助功能基来构建功能模型，可以在同一功能级上对不同的产品进行对比，便于对产品的相似性进行分析。伪功能基是指高度集成的复杂机电产品，在对比较复杂的机器人产品进行分析时，部分软硬件结合、集成度高的功能部件可以当作一个整体使用于结构分析中，而无需细分到功能元或功能基时，就可将其作为伪功能基使用。

IDEF是美国空军基于结构化分析办法而制定的一种复杂系统建模办法，其中IDEFO办法主要是用于对系统各功能之间的关联和功能要求进行描述，同时对完成功能的实现机制进行记录[4]。文章采用IDEFO建模办法来对系统的功能关系及活动进行描述，通过对各模块相互之间的关系和功能模型进行构建，以此来对模块化机器人系统的体系结构进行描述。

3 模块化分析过程

模块化分析过程主要包括如下几个步骤：

3.1 借助功能基、伪功能基、流及功能元构建现有产品的功能结构

3.1.1 对系统的输入流、输出流及总功能进行确立

在确定主参数与设计任务的前提下来分析总功能。设计任务总目标的反映就是总功能。功能是对技术系统或产品的特定工作能力的一种抽象化的描述，其是产品对外界造成的某种影响或效应的一种反映，如产品与外界环境之间发生的信息、能量、物质的交互，或状态的变化[5]。可采取“黑箱法”来分析总功能。针对某个未知的繁杂系统，可通过测量或观测外部来对其与外部环境之间的关系进行判断，并对信号流、能量流以及物质流三者之间的转换关系进行分析，继而对总功能进行判定。

3.1.2 逐层把产品的总功能分解至伪功能基或功能基，形成功能树

产品的总功能是对产品功能的更深层次的概述，为了方便划分功能模块，必须分解功能。把产品的总功能分解成相对简单的功能或分功能的过程就称作功能分解，通过分解功能可以有效降低问题的复杂程度，便于求解产品功能的结构。产品的功能是具有一定层次性的，是可以逐层进行分解的。所以，在划分模块时也可以采取这一办法。

3.1.3 分别为各个输入流构建相应的功能链

首先，分别为各个输入流构建相应的功能链。接着，再对从输入到输出或者到流的内容转换处对流的所有操作加以全面的考虑。之后，再根据操作发生的先后顺序，对各伪功能基或功能基进行排列，同时为它们构建相应的功能链。根据时间顺序，可将功能链分为并行功能链与串行功能链两种。其中，并行功能链是指在同一时间点发生的操作，多个串行功能链组合在一起便形成了并行功能链，并行功能链中的所有串行功能链共享一个或几个公共流；而串行功能链是指根据时间先后顺序发生的对流的一系列操作。

3.1.4 将所有功能链连接起来，形成功能结构

设计模块化过程中一个非常重要的环节就是构建功能结构，功能结构是构建模块化系统以及划分模块的基础条件。所以，准确地构建功能结构具有极其重要的现实意义。

3.2 查找功能类似产品的共享功能结构

通过将形成的功能结构进行对比，把多次出现的相同部分确定为共享功能结构的共享功能部分，将个性部分确定为个性功能部分。对功能类似产品的共享功能结构进行构建，可以使多个产品在功能上的相同与差别清晰地体现出来，从而便于对个性功能与共享功能能进行确定。个性功能就是指仅属于特定产品的功能，而共享功能则是指多个产品都具备的功能。

3.3 模块划分

以功能结构为基础，采取模块启发法，再根据三流原则来划分产品的功能模块。转换/传输功能流原则界定的模块是由转换/传输功能组、转换子功能或转换/传输功能链组成；支流原则界定的模块是由分支流确立的并行功能链组成；主流原则界定的模块是由许多被主流联系在一起的子功能组成。牵涉范围从主流入口直至切换点或出口。

模块可将功能类似产品分为个性功能模块与共享功能模块，个性功能模块是由个性功能确立的，而共享功能模块则是由共享功能确立的。

3.4 对模块化系统进行描述

采取了IDEFO建模办法来描述系统中各模块的功能关系及活动。在将各共享功能模块提取出来之后，通过逐级分解的结构化办法来对系统模块的功能加以构建或描述，再利用结构化分析办法对系统进行全面地描述，在装备模块化系统中发挥办法指导及理论支撑的作用。再借助IDEFO办法来对流程的功能结构树进行定义规划，并明确流程中各模块的纵向关联，接着再将功能活动关系图绘制于各个层次上，以此来描述每个层次上模块间的横向关联，最终构建模块化体系结构的规范化模型。

4 设计应用

本章节选取了侦探、排爆以及攻击这三种具有代表性的特种机器人实施模块化分析。采取自底向上法来分别分解这三种特种机器人的功能，并划分了其功能结构，依据得出的功能结构图，提取了个性模块与共享模块。通过IDEFO办法构建了模块化机器人系统的功能模型图，建议定制模块来对特定机器人的独特功能进行描述，并构建了其与其他模块之间的联系图。主要包括以下几个步骤：

第一步：构建侦察、排爆及攻击这三类特种机器人的功能结构，见图1、图2、图3。针对攻击机器人，首先对其输入流、输出流以及总功能进行确立，接着再逐层把产品总功能分解至伪功能基或功能基，形成功能树；之后再分别为各个输入流构建相应的功能链；最后，再将所有功能链连接起来，形成侦察机器人的功能结构。排爆机器人和侦察机器人的功能结构构建也是如此。

图1 攻击机器人的功能图

图2 排爆机器人的功能图

图3 侦察机器人的功能图

第二步：构建共享功能结构。通过对比、分析以上三类特种机器人的功能结构，提炼出了共享功能结构，接着再确定个性功能与共享功能。

第三步：模块划分。先确立以上三个产品的模块，其主要包括：视觉模块、移动模块、提供能量模块、热成像模块、传感器调节模块、听觉模块、信息处理模块、清障模块、人机交互模块、安全模块、自身监控模块、能量转换模块、载重模块以及定位模块。比如，在听觉模块的设计中，可以将麦克风作为主要的部件，通过麦克风采集各种声音，之后再对所采集到的声音进行转换，使其形成机器人能够传输或者识别的数字信号或者模拟信号。由于声音本身就可以绕过各种障碍物，而机器人能够实现对嗅觉、视觉和听觉等感官的有机结合，但其他传感器却无法透过障碍物，且视场有限。而机器人的听觉系统可以使这一问题得到有效解决，机器人拥有较为完善的听觉系统，故其认知环境的能力也相对较强。一般来说，机器人的听觉系统都是由两个麦克风共同组成的，甚至还有多麦克风阵列，这样一来，可以使接收及处理空间信号时单一传感器存在的局限性得到有效地弥补。

第四步：描述模块化系统。利用IDEFO建模办法对系统中各共享模块之间的联系进行分析，同时描述完备的模块化机器人体系结构。接着再引进定制思想，构建定制模块，并对特定系统所需的个性模块进行描述，之后再构建其与其他共享模块间的联系。

对特种机器人系统AO图进行构建，并对各模块或模块组进行描述。根据设计任务的不同，定制模块可以更换成不同的功能模块，最后再对各元素的子图进行细分。

5 结论

目前已有的特种机器人大部分都是根据某些特定任务而设计，在功能方面存在着较大的局限性，为了应对各种各样的突发任务，就必须设计许多不同功能的特种机器人，这样一来，便需要耗费大量的资金，从而造成资源浪费。而模块化特种机器人可以针对不同的工作环境及工作任务选取相对应的装配办法，从而达到快速响应用户要求、优化利用资源以及最大限度地提升工作效率的目的。因此，探索与研究基于特种机器人的模块化设计方法具有至关重要的现实意义。本文采取自底向上的模块化设计办法，从功能角度对侦察、排爆和攻击等三种特种机器人进行了体系结构研讨，实现了从非模块化机器人获得模块化机器人系统的设计过程，为建立模块化特种机器人系统的模块库指明了方向。过程中采取IDEFO建模方法对系统模型进行构建，对系统的整体结构进行分析，引进定制理念，构建定制模块来描述不同产品的个性功能，为后期开发模块化特种机器人系统奠定了坚实的基础。

[1]付秀强,郎保乡,洪广元,等.特种机器人的研究和展望[J]. 科技经济导刊,2016(05).

[2]江世亮.在微纳世界不断开拓的特种机器人专家——访上海大学特种机器人研究室主任谢少荣教授[J].世界科学,2013(11).

[3]薛卉,陈忠.用于发电机检测的特种机器人[J]. 装备机械,2013(03).

[4]澳科学家研究“军蚁搭桥”现象:打造特种机器人[J]. 防灾博览,2016(01).

[5]薛卉,陈忠.用于发电机检测的特种机器人[J].装备机械,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

黄菊永(1964-)，女，辽宁本溪人，本溪广播电视大学副教授，主要研究方向：自动化。