面向管道机器人的模块划分方法研究

祝海珍,袁艳,雷永军

(西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021)

0 前言

管道机器人通过自身携带的工作装置，在操作人员或计算机的控制下，可以沿管道内壁或外壁行走，实现对管道的检测维护和清洁保养，是一种理想的自动化管道设备[1]。但随着管道机器人技术的发展和应用范围的不断扩大，其面临的应用环境和功能需求愈发多样化，不但要求产品迅速更新换代、降低成本，而且要求提高产品质量和服务质量。然而拥有固定结构的传统机器人无法满足上述需求，严重阻碍了管道机器人的应用和推广[2]。

模块化设计是将产品的某些要素组合在一起构成一个通用性模块，再与其他产品要素进行不同的组合，构成新的系统，从而产生多种不同功能或相同功能性能不同的系列产品[3-4]。这种设计方法可以大大缩短设计周期，提高产品设计水平和生产效率，更有利于快速响应客户需求，提供高质量的个性化服务。因此管道机器人模块化技术已经成为科研人员重要的研究方向。

由于模块化设计的过程就是模块分解和模块组合的过程，因此模块划分是模块化设计的前提和基础。所以面向管道机器人提出一种基于公理化设计和IDEF相结合的模块划分方法，为后续模块化设计提供依据。

1 产品结构与功能分析

为了得到合理的模块划分方案，首先必须对产品的结构、功能以及各组成部分之间的关系做出全面细致的分析，构建出功能-结构模型，从而为后续模块划分的具体实施提供依据[5-6]。

1.1 结构分解

目前市场上管道机器人种类繁多、形态各异，从功能角度出发，通常可分为管道维修机器人、管道检测机器人、管道清洁机器人三类。以管道维修机器人为例，采用层次分析法进行结构分解，如图1所示。构建管道维修机器人结构模型，如图2所示。

图1 管道维修机器人结构分解

图2 管道维修机器人结构模型

由结构模型可知，管道维修机器人是由驱动系统、支撑装置、控制系统及执行系统四部分组成。其中驱动系统用于提供工作动力包括电机、车轮；支撑装置是承载及支撑管道机器人执行元件的部分，包括车身、云台、传感器平台；执行系统中包括照明设备及各式机械手，机械手可拥有多个自由度用于完成特定工作；控制系统则用于实现人机交互功能，主要包括芯片、电池、通信装置、控制板及传感器组。

1.2 功能分解

通过调查、统计等方法收集、量化客户需求，建立需求与功能间的映射关系，将总需求转化为产品所需的总功能，即维修功能、清洁功能及检测功能。为了保证模块功能能准确满足客户需要，再将总功能进一步细化为一级功能和二级功能。以管道维修机器人为例，构建管道维修机器人的功能模型，如图3上半部分所示。

1.3 建立功能-结构模型

以管道维修机器人为例，根据结构模型、功能模型及两者之间的映射关系，建立功能-结构模型，如图3所示，为后续模块划分工作奠定基础[7-8]。

图3 管道维修机器人功能-结构模型

2 模块划分方法的确定

公理化设计是模块划分时常用的一种方法。此方法是以功能分解为基础，通过零部件之间的配合度以及相互之间的影响度来划分模块。由于管道机器人结构复杂、底层零部件较多，若仅应用公理化设计方法来划分模块，不一定能满足功能模块之间的独立性。即，若功能分解得到的设计矩阵为对角阵，则可以单独划分为一个功能模块；但若功能分解得到的设计矩阵为三角阵或满矩阵，则公理化设计不能保证功能模块之间的独立性，则不可作为模块划分的依据[9-11]。而IDEF方法有较强的直观性和交互性，可以清楚细致地观察到系统活动块之间的关系。若存在不能满足独立性公理的子结构，则可以采用IDEF(ICAM DEFinition method，其中ICAM：Integrated Computer Aided Manufacturing)中功能建模的方式将其重新聚类为某一个活动块，利用其可视化的特点，为模块划分提供依据，很好地弥补了公理化设计的不完整性。故提出一种基于公理化设计和IDEF相结合的方法，采用自顶向下的方式，对管道机器人系统进行模块划分。

确定模块划分方法后，绘制流程图，如图4所示。在对管道机器人进行模块划分时，从功能角度出发，首先通过公理化设计中功能域和结构域之间的映射转换，进行管道机器人系统模块的初步划分。若公理化设计中功能和结构的映射关系无法满足独立性公理要求，再使用IDEF设计方法中功能建模的方式，描述功能和需求之间的关系，将关联度小的活动块重新聚类，归为一个功能模块。这种方法不仅简化了整个模块划分的过程，避免了重复设计及庞大的计算量，而且更加高效准确[12-15]。

图4 管道机器人系统模块划分方法

3 管道机器人系统的模块划分

3.1 基于公理化设计的模块划分

(1)最高层第0级

以管道维修机器人为例，其最基本的目标是实现管道内的焊接疏通功能。由此确定最高层次的功能需求为：管道维修。即最高层的FR0-DP0设计为：FR0=管道维修；DP0=模块化管道维修机器人。

(2)第一级分解

确定首层FR0-DP0设计后，利用模块的概念，通过管道机器人每一部分结构所能达到的功能来进行组部件的划分，从而实现对FR0的进一步分解。此层分解得到功能需求和设计参数，如表1所示。

表1 第一级分解

由表1可知，一级分解得到的功能需求和设计参数之间的设计矩阵为对角阵，即第一级分解得到的6个部件级结构，在功能和结构上相互独立，满足独立性公理。故可将管道维修机器人划分为：提供能量、移动位置、采集信息、处理信息、用户控制、管道维修6个一级功能模块。

(3)第二级分解

在第二级分解中，将管道维修机器人的一级功能要求分解为二级功能要求，即将FR和DP进一步“之”字映射分解，如表2所示。

表2 第二级分解

由表2可知：采集信息和处理信息功能的设计矩阵是满矩阵和下三角阵，说明同一级别同一分支下的功能结构之间存在相互影响的关系，无法保证功能和结构上的独立性，故只将其余5个部分做出对应的“之”字形功能-结构映射分解，进行模块划分，如图5所示。则经过第二级分解又划分出电机模块、电池模块等10个二级模块。

图5 公理化设计方法划分结果

3.2 基于IDEF的模块划分

由于基于公理化设计的管道维修机器人模块划分中，照明和摄像功能相关联，信息传输与信息收集功能也有交互性，不满足模块之间的独立性特征，故采集信息和处理信息这两个功能无法直接划分为相应的二级模块。因此需要进一步采用IDEF功能建模的方法，分析这两个一级功能活动内部的二级功能活动之间的关系，以便进行合理准确的模块划分。若功能需求之间关联度小且所需机制并不相同，则可以划分为一个功能模块。

利用IDEF功能建模的方法，建立模型描述采集信息功能的输入和输出关系，绘制A3图，如图6所示。由A3图中描述的功能关系可知：在采集信息功能活动中，LED灯实现照明功能，摄像机实现采集图像功能，照明功能辅助采集图像信息功能，二者相互协作。但在功能实现所需的设备结构上，并不存在耦合关系，故可以进行模块划分。即采集信息功能模块可细化为：采集热信息、采集自身信息、采集图像信息和照明4个二级功能模块。

图6 采集信息功能A3图

利用IDEF功能建模的方法，建立模型描述信息处理功能的输入和输出关系，绘制A4图，如图7所示。通过观察分析A4图所描述的信息处理内部二级功能关系，发现在信息处理功能活动中，二级功能活动块之间存在数据信息的传输，而在实现功能所需的机制上并不相同，即编码器、通信装置完成信息的传输，而芯片完成信息的收集。二者相关性较小，从功能角度出发的概念设计，可以将其划分为一级功能模块：处理信息模块；二级功能模块：信息传输模块和信息收集模块。

图7 信息处理功能A4图

至此，应用公理化设计和IDEF相结合的方法，完成了道维修机器人系统的模块划分，划分结果如图8所示。

图8 完整的模块划分结果

3.3 提炼共享功能结构

根据上述管道维修机器人模块划分方法，进一步对管道清洁机器人和管道检测机器人进行完整的模块划分，将其划分结果放置一起，便于进行对比分析，如图9所示。

图9 提炼功能模块

通过对三类管道机器人的模块划分结果分析，发现：不同的管道机器人为完成各自的工作内容，只需搭配不同类型的工作装置，其余的功能模块都可以互换通用。故为简化流程、方便模块查询及管理，提炼出通用模块和特殊模块，即将管道机器人系统结构划分通用模块及特殊模块，获得具有一定通用性的模块化管道机器人平台，如图10所示。

图10 管道机器人模块系统

4 总结

为解决管道机器人面临的应用环境增多、功能需求多变等困难，提出一种公理化设计和IDEF功能建模相结合的方法，对其进行模块化设计研究。从设备整体结构框架入手，首先分析要实现的功能，再由公理化设计分解出不同的功能模块，并判断每一个模块的独立性。对于不满足独立性条件的功能模块，通过IDEF功能建模的方式，可视化地、客观地描述系统内部各个功能活动之间的关系，确定出相对独立的模块，以完善整个模块划分过程。

从功能的角度出发，以自顶向下的方式展开对管道机器人的模块化设计研究，不仅简化了模块划分过程，避免了重复设计及庞大的计算量，而且更加高效准确，在相关领域具有很强的应用性及推广性。