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附錄一 外文譯文
機械手生產(chǎn)設(shè)計的進化和發(fā)展
摘要
信息物理系統(tǒng)的出現(xiàn)已經(jīng)在機器人協(xié)作制造的背景下提高了利用率。完成這樣要求的一種方法是通過制造更便宜的，更加容易制造的機器人，它們能夠通過中小企業(yè)進行制造。為了解決這個問題，本實驗利用了快速原型機制造技術(shù)開發(fā)能夠通過信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)的可定制機器人操作器。因此，本研究有助于設(shè)計連接型和快速原型機器人。這種方法同時考慮了實現(xiàn)機器人機械手所需的軟件和硬件的發(fā)展。此外，生成設(shè)計，一種被用來進化和人工智能為基礎(chǔ)的方法，用于設(shè)計機器人關(guān)節(jié)之間的鏈接模塊。該組件已被定義為理想的設(shè)計并且通過此方法，它可以有利于與快速原型耦合的生成設(shè)計方法的大部分。本文還探討了基于因特網(wǎng)控制技術(shù)的機器人機械手的控制結(jié)構(gòu)在信息物理系統(tǒng)中的貫徹。
1.介紹
1.1信息物理系統(tǒng)
CPPS由自主合作系統(tǒng)（例如智能機器）和子系統(tǒng)（例如智能工廠）組成。它們依靠著情境而來互相聯(lián)系。在所有生產(chǎn)層次上，從過程級到工廠級和生產(chǎn)級。
實施CPPS的主要驅(qū)動因素之一是生產(chǎn)系統(tǒng)的連續(xù)適應性和進化的需要，不斷變化的生產(chǎn)系統(tǒng)需求可以追溯其起源于易變的客戶行為和不斷發(fā)展的產(chǎn)品。
需要適應顧客的需要也就暗示著生產(chǎn)系統(tǒng)需要利用有高效率的生產(chǎn)系統(tǒng)同時也適應制造環(huán)境的需要。由于機器人提供高效率和精確性，同時不犧牲靈活性，信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)的出現(xiàn)帶來了機器人的增加利用。也就是說，隨著協(xié)作和連接機器人的出現(xiàn)，機器人的發(fā)展趨勢正在發(fā)生變化。這一趨勢在達沃斯世界經(jīng)濟論壇上也得到了強調(diào)，它將先進的機器人識別為工業(yè)4.0背后的主要技術(shù)驅(qū)動力之一。
1.2合作和可聯(lián)系的機器人技術(shù)
這就是說，這并不意味著人類將完全從車間中移除。事實上，在詳細的研究和實驗的基礎(chǔ)上，菲佛認為，在將來的車間內(nèi)，人類的經(jīng)驗將仍然是需要的。由此可見，人類和機器人在制造業(yè)合作的需求將在未來幾年內(nèi)增加。為了證實這一說法，布魯斯對機器人公司的關(guān)鍵管理者進行了討論，并基于這種CIN對這種日益增長的需求的反應，實際上可以看出所有主要機器人制造商是如何引入他們的陣容的。
為了在CPPS中貫徹實施，這些機器人需要容易地連接到控制制造操作的控制系統(tǒng)。CPPS的核心是分散或局部控制。這種本地化的CPPS是通過使用具有嵌入式處理和聯(lián)網(wǎng)能力的機器來實現(xiàn)的。這些能力擁有著分布式認知控制的第三個特性。這種分布式控制越來越受歡迎，具有使用認知處理來分析從機器傳感器收集的數(shù)據(jù)的能力，這允許對CPPS控制的分散。
持續(xù)適應的需求也推動了實施插裝生產(chǎn)概念方法的發(fā)展。插裝生產(chǎn)允許根據(jù)生產(chǎn)需要從生產(chǎn)系統(tǒng)中添加和移除生產(chǎn)系統(tǒng)的不同元件。
這種插頭和生產(chǎn)的概念也允許模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)的開發(fā)。正如幾位作者所解釋的，Schleipen等人、OnRi和MaEDA。插裝的概念不僅必須支持機械功能，而且還需要開發(fā)新的和改進的軟件和控制范例。
1.3機器人的民主化
大公司有專門的開發(fā)團隊，也有實現(xiàn)這些技術(shù)的投資潛力。據(jù)國際機器人聯(lián)盟(International Federation for Robotics)報道，2015年全球機器人銷量增長了15%，達到253,748臺，創(chuàng)造了一年以來的最高水平。
這些先進的制造技術(shù)同樣也不能被說成中小企業(yè)，盡管中小企業(yè)比大公司占了最大的比例。因此，如果正如Sommer所描述的那樣，中小企業(yè)并不是工業(yè)4.0的第一個受害者，那么就有必要使機器人技術(shù)的使用民主化。
技術(shù)的民主化是指更多的人快速獲得技術(shù)的過程。滿足這一需求的一種方法是通過開發(fā)更廉價和更可定制的機器人來促進機器人的實現(xiàn)，這些機器人可以很容易地由中小型企業(yè)實現(xiàn)。
由于中小型企業(yè)對工業(yè)4.0技術(shù)的投資意愿較低，提供更便宜的機器人可能會增加機器人的使用。此外，使機器人易于連接和訓練也可以解決中小型企業(yè)對機器人使用和實現(xiàn)的任何保留。這些方法同時提供了一個機器人平臺的可能性，可以為中小企業(yè)廣泛變化的需求定制，也會增加機器人技術(shù)和工業(yè)4.0技術(shù)。
1.4實驗目標
為了應對這些挑戰(zhàn)，本研究旨在利用快速原型技術(shù)開發(fā)可定制的機器人操作器，這些技術(shù)可以在信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)中實現(xiàn)。為了盡量減少機械手的重量和成本，這種方法利用了一種生成設(shè)計技術(shù)來設(shè)計機器人關(guān)節(jié)之間的連接。生成設(shè)計是一種進化和人工智能方法，并在第2節(jié)中進一步討論。其他處理類似的方法也在第3節(jié)中提出。第4節(jié)描述了用于開發(fā)機器人機械手的方法。第5節(jié)給出原型設(shè)計和實現(xiàn)。本研究的結(jié)論和未來工作將在第6節(jié)提出。
2 生成設(shè)計
生成設(shè)計并不是一個新概念，它有時被稱為進化設(shè)計，它指的是在這個計算過程中使用的搜索技術(shù)和進化算法。在參考文獻[11]中，本特利和韋克菲爾德描述了一個原型設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種遺傳算法從零起點進化出新的概念設(shè)計。在這種方法中，原型系統(tǒng)創(chuàng)建了新的設(shè)計，并使用遺傳算法對這些設(shè)計進行迭代優(yōu)化。遺傳算法利用了這些原理。在自然中發(fā)現(xiàn)的進化首先產(chǎn)生一個解決方案，然后“復制”最適合的解決方案。通過隨機交叉和變異操作將這些適合父母的基因型組合起來，生成后代。賓利和韋克菲爾德的設(shè)計系統(tǒng)由三個要素組成:
在設(shè)計過程中，適當?shù)乇硎緦嶓w對象，使計算機能夠有效地操縱候選設(shè)計。
xA改進的遺傳算法從零進化出這樣的代表設(shè)計。
xEvaluation軟件指導演進過程。
正如參考文獻[12]所解釋的，概念設(shè)計過程可以作為一個優(yōu)化過程提出。為了達到一個解決方案并確定一組規(guī)則，以評估針對特定設(shè)計問題的解決方案的適用性。這些方法充分利用了進化計算的創(chuàng)造性，以便發(fā)現(xiàn)可能沒有被人類設(shè)計者發(fā)現(xiàn)的解決方案。因此，這種設(shè)計技術(shù)可以用來提高設(shè)計開發(fā)對人類設(shè)計師的支持，同時在設(shè)計過程的中心保持設(shè)計師。Krish在其生成設(shè)計過程中也描述了這種協(xié)同開發(fā)方法。Krish解釋了設(shè)計師如何明確定義約束信封，其中定義了解決方案的幾何可行性。正如Sun等人所解釋的，使用這種進化技術(shù)進行設(shè)計自動化不僅可以提高設(shè)計的功能，而且還可以減少開發(fā)時間，降低成本，特別是在設(shè)計復雜組件時。
3 當前發(fā)展狀況
在本節(jié)中，作者展示了與本研究主題相關(guān)的藝術(shù)狀態(tài)。使用生成設(shè)計。生成設(shè)計的一個應用在一個具有相對復雜特征的典型微球端銑刀的設(shè)計中得到了解釋。通過生成設(shè)計方法對該產(chǎn)品進行分析，生成所需運動軸的數(shù)量和性質(zhì)。本研究在設(shè)計一種新型五軸激光機的過程中進行了分析。
另一個應用是Lee的一個進化系統(tǒng)用于自動機器人設(shè)計。這項工作探索了不同的設(shè)計問題，從機器人的簡單行為控制器，到復雜的行為控制器，最后是完成一個完整的機器人系統(tǒng)，包括控制器和物理結(jié)構(gòu)。
生成設(shè)計的一個有趣的應用是Saravanan等人在機器人夾子的設(shè)計中獲得了最優(yōu)的幾何尺寸。基于他們實驗的成功，本研究的作者得出結(jié)論，這項工作為進一步研究如何利用智能技術(shù)解決復雜的工程優(yōu)化問題打開了方便之門。
生成設(shè)計也被用來優(yōu)化3D打印應用。其中一種方法是asadio - eydivand等在骨組織工程中使用3D打印支架。本研究成功地利用進化算法探索不同的3D打印參數(shù)。
正如Onal等人所解釋的那樣，打印機器人的能力為現(xiàn)代的、真實的機器人應用程序引入了一種快速且低成本的制造方法。采用3D打印技術(shù)開發(fā)基于折紙結(jié)構(gòu)的機器人。雖然這些機器人目前還沒有合適的工業(yè)應用，但它們展示了3D打印技術(shù)的實用性，以成本效益的方式打印復雜結(jié)構(gòu)，同時為新的創(chuàng)新設(shè)計打開了大門。
Bulgarelli等也采用了類似的方法，開發(fā)了一種低成本、開源的3D打印技術(shù)的機器人手。本研究采用的一種有趣的方法是，開發(fā)的硬件和軟件都是在線提供的，以促進社區(qū)的進一步改進。開源社區(qū)為了促進機器人的民主化。Armesto等實際上認為，3D打印技術(shù)的廣泛應用使機器人社區(qū)有機會接觸到更廣泛的公眾。本研究實際上提出了一種用于工程教育的低成本可打印機器人的設(shè)計。
在文獻綜述中，作者可以得出結(jié)論，沒有辦法將3D打印的機器人與在CPPS中使用的生成設(shè)計方法結(jié)合起來。如第1節(jié)所述，這種方法將降低實現(xiàn)成本，從而維持機器人的民主化，從而支持中小型企業(yè)執(zhí)行CPPS。
4 支撐著生成設(shè)計的過程
為了保證CPPS的即插即用概念，需要使用一種方法來考慮信息網(wǎng)絡(luò)透視圖。因此，為了開發(fā)這樣的系統(tǒng)，需要采用一種方法。本文對幾種設(shè)計方法進行了綜述。雖然它們都突出了CPPS的多個透視圖，但這些都沒有說明從需求到最終設(shè)計的設(shè)計過程。這種缺乏CPPS的設(shè)計方法也得到了Fisher等人的強調(diào)。
因此，設(shè)計了基本的設(shè)計周期[26]。該設(shè)計過程如圖1所示，因此在本研究中使用，以開發(fā)網(wǎng)絡(luò)連接的機器人機械手。
CPPS設(shè)備的這個設(shè)計過程描述了從目標(需求)到方法(經(jīng)過批準的設(shè)計)的設(shè)計周期。在這一設(shè)計過程中，設(shè)計者可以利用人工智能的生成設(shè)計技術(shù)來自動化設(shè)計合成、模擬和評估活動。也就是說，這并不能消除設(shè)計過程中的設(shè)計師。本研究提供的設(shè)計過程是一個人在循環(huán)系統(tǒng)。因此，雖然設(shè)計過程的一些活動可能是自動化的，但最終決定批準設(shè)計的還是設(shè)計師。
圖1 一個CPPS設(shè)備的生成設(shè)計周期
此外，設(shè)計周期說明了在CPPS的合成設(shè)計過程中，物理和網(wǎng)絡(luò)組件是如何被考慮的。此外，為了滿足系統(tǒng)的要求，CPPS設(shè)備還必須使用可實現(xiàn)技術(shù)，如可配置性、模塊化、可診斷性和可連接性。
5 原型的設(shè)計和實現(xiàn)
5.1物理組件的設(shè)計
物理組件設(shè)計過程導致機器人機械手的物理接口。物理系統(tǒng)設(shè)計利用一組機器人關(guān)節(jié)模塊，其中一些模塊由一個鏈路模塊連接。機器人機械手一旦產(chǎn)生和裝配，本質(zhì)上就是一個鉸接機器人，如圖2所示。機械手是在關(guān)節(jié)模塊中使用步進電機驅(qū)動的。
5.1.1可構(gòu)成設(shè)計
為了滿足不同工業(yè)應用的定制要求，通過選擇、添加和移除關(guān)節(jié)和鏈路模塊來配置物理機器人機械手設(shè)計。機器人機械手的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，其自由度為6。這意味著機械手是由六個關(guān)節(jié)組成的，每個關(guān)節(jié)都是一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。六自由度確保末端執(zhí)行器能夠到達機械手工作空間內(nèi)的任何位置和方向。采用不同的步進電機尺寸和齒輪比，以最大限度地提升1.5公斤的負荷。
5.1.2 3d打印設(shè)計
由于機器人的機械手主要是快速原型，在原型制作過程中需要考慮幾個因素和限制因素。融合沉積模型(FDM)和立體成像(SLA)作為快速成型的過程。這個過程是根據(jù)每個部分的幾何形狀來選擇的。其中一個側(cè)面有重要幾何形狀的部件是使用SLA的3D打印的，例如特別設(shè)計的齒輪。把重要的幾何形狀與支撐材料放在一起，對保持幾何形狀是很重要的。
圖2 機械手的裝配模型
另一方面，在一個側(cè)面有一個平面的部分是用FDM印刷的，那一面被放在了印刷床上。當3D打印部件在內(nèi)部和不可到達的部分需要支撐材料時，也鼓勵使用FDM。在這些情況下使用可溶性支架，使支架材料在后處理過程中易于移動。
在設(shè)計3D打印時，考慮的一個重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模的同時，設(shè)計了幾個部件，以使壁厚達到最小。這第一步導致了尋找其他可能的減肥方法。這包括減少連接模塊的直徑，導致所有內(nèi)部部件也變得更小，因而更輕。
5.2生成設(shè)計
另一種減輕重量的方法是在不必要的大體積的零件上制造出洞。因此，如第1.4節(jié)所述，連接機器人關(guān)節(jié)的鏈接模塊是選擇性的，作為演示生成設(shè)計使用的理想案例研究。在Autodesk發(fā)明人CAD系統(tǒng)中使用形狀生成器函數(shù)實現(xiàn)了生成設(shè)計練習。
5.2.1構(gòu)建容量和設(shè)計約束
第一步是創(chuàng)建部件模型的構(gòu)建卷或近似。一個圓柱形的形狀被用作鏈接模塊的原始構(gòu)建卷。在定義了構(gòu)建卷之后，下一步是定義隔離區(qū)域。生成設(shè)計過程在創(chuàng)建引導形狀時不會修改這些區(qū)域。最后給出了應用于該零件的約束和力。然后在自動模擬臨時設(shè)計解決方案時使用這些標準，以評估每個解決方案滿足設(shè)計需求的能力?；跈C器人機械手的設(shè)計，本案例研究使用的標準是在中軸線上可以承受的力。
圖3所示的模型說明了應用于鏈路模塊的初始構(gòu)建量和設(shè)計約束。需要注意的是，這個物理組件的設(shè)計是為了通過電力驅(qū)動的線路而需要的隔離區(qū)域。
5.2.2形狀的生成
根據(jù)指定的設(shè)計標準，在Autodesk Inventor中運行了一個形狀生成器研究。該算法生成的網(wǎng)格如圖4所示。
圖3 生成設(shè)計約束
圖4 由生成設(shè)計過程產(chǎn)生的網(wǎng)格
網(wǎng)格可以作為設(shè)計者的指導。
通過剪切、擠壓和其他特性編輯來修改構(gòu)建卷模型。設(shè)計師的編輯改變了。
從近似到組件設(shè)計的生成設(shè)計。
5.2.3結(jié)果
生成設(shè)計練習的結(jié)果如圖5所示。這種設(shè)計保持了相同的結(jié)構(gòu)完整性，但在重量和建造時間上都大大減少了，因此也降低了機器人操縱器的整體成本。
5.3 網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)計
5.3.1要求
該設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計目標是鼓勵與其他系統(tǒng)的集成，并鼓勵系統(tǒng)集成商進一步開發(fā)。集成必須以簡單和快速的方式在硬件和軟件領(lǐng)域進行。系統(tǒng)必須基于標準化或開源軟件控制和開發(fā)工具。為了維護一個民主的設(shè)計，控制硬件必須基于商業(yè)上的貨架部件(COTS)，從而實現(xiàn)低成本的解決方案。
圖5 生成設(shè)計的訓練結(jié)果
5.3.2工業(yè)因特網(wǎng)
基于因特網(wǎng)硬件的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)作為控制系統(tǒng)的骨干。有多個相關(guān)的工業(yè)因特網(wǎng)協(xié)議，為這個解決方案選擇的是EtherCAT。
EtherCAT是一個基于標準因特網(wǎng)物理層(Ethernet PHY)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)是確定性的，可以在實時環(huán)境中使用。它支持比其他工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更短的周期，這使得它適合運動控制應用。除了適當?shù)男阅?，EtherCAT還提供了其他因素，使它適合用于機器人技術(shù)民主化的系統(tǒng)。
當網(wǎng)絡(luò)建立在因特網(wǎng)的基礎(chǔ)上時，他們通常需要一個托管的網(wǎng)絡(luò)交換機，每一個EtherCAT設(shè)備都有兩個因特網(wǎng)PHYs，通過一個daisy鏈配置來連接它們，如果一個環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲足夠的話，就可以消除對網(wǎng)絡(luò)交換機的需求。此外，EtherCAT的從屬設(shè)備負責控制網(wǎng)絡(luò)的時間，而不需要專門的主網(wǎng)絡(luò)控制器。因此，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備可以使用通用COTS Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)，從而降低實現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)的成本。使用標準的NIC可以通過使用任何具有基本以太網(wǎng)功能的設(shè)備來實現(xiàn)EtherCAT主機，這包括使用一個樹莓Pi，開發(fā)人員認為合適。EtherCAT是一種開源技術(shù)，它鼓勵開發(fā)硬件和軟件來使用這種技術(shù)。
5.3.3 機器人控制
如圖6所示，機器人控制器基于ATMega2560，通過Arduino/Genuino開發(fā)平臺開發(fā)。除了與Arduino開發(fā)解決方案所需的低成本之外，龐大的用戶群對各種項目做出貢獻，縮短和簡化了微控制器開發(fā)周期。
如圖6所示，單片機通過微芯片的LAN9252接口連接到EtherCAT網(wǎng)絡(luò)。
使用SPI通信的從設(shè)備的EtherCAT控制器。基于LAN9252的Arduino平臺的COTS附加組件(shield)是由AB&T Srl生產(chǎn)的。機器人控制器從它的EtherCAT主機接收聯(lián)合位置數(shù)據(jù)，然后從聯(lián)合位置轉(zhuǎn)換到所需的脈沖來驅(qū)動步進電機。
圖6 機械手的控制
6 結(jié)論
因此，該研究為設(shè)計連接的快速原型機械機器人提供了一種方法。這種方法考慮了實現(xiàn)機器人操作器所需的軟件和硬件開發(fā)。此外，這種方法演示了生成設(shè)計，一種進化和人工智能方法，來設(shè)計機器人關(guān)節(jié)之間的連接。
該鏈接模塊被認為是利用生成設(shè)計的優(yōu)點和快速原型設(shè)計的理想組件。本文還探討了一種基于以太網(wǎng)控制技術(shù)的機器人機械手控制結(jié)構(gòu)，用于網(wǎng)絡(luò)物理生產(chǎn)系統(tǒng)的實現(xiàn)。未來的工作將包括對機器人機械手的測試，以確定系統(tǒng)的準確性和重復性，并確定進一步改進的領(lǐng)域。
附錄二 外文原文