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附錄一 外文譯文
機械手生產設計的進化和發(fā)展
摘要
信息物理系統(tǒng)的出現(xiàn)已經在機器人協(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開發(fā)能夠通過信息物理生產系統(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，生成設計，一種被用來進化和人工智能為基礎的方法，用于設計機器人關節(jié)之間的鏈接模塊。該組件已被定義為理想的設計并且通過此方法，它可以有利于與快速原型耦合的生成設計方法的大部分。本文還探討了基于因特網控制技術的機器人機械手的控制結構在信息物理系統(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。在所有生產層次上，從過程級到工廠級和生產級。
實施CPPS的主要驅動因素之一是生產系統(tǒng)的連續(xù)適應性和進化的需要，不斷變化的生產系統(tǒng)需求可以追溯其起源于易變的客戶行為和不斷發(fā)展的產品。
需要適應顧客的需要也就暗示著生產系統(tǒng)需要利用有高效率的生產系統(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濟論壇上也得到了強調，它將先進的機器人識別為工業(yè)4.0背后的主要技術驅動力之一。
1.2合作和可聯(lián)系的機器人技術
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上，菲佛認為，在將來的車間內，人類的經驗將仍然是需要的。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增加。為了證實這一說法，布魯斯對機器人公司的關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概念方法的發(fā)展。插裝生產允許根據(jù)生產需要從生產系統(tǒng)中添加和移除生產系統(tǒng)的不同元件。
這種插頭和生產的概念也允許模塊化生產系統(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的使用民主化。
技術的民主化是指更多的人快速獲得技術的過程。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和工業(yè)4.0技術。
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開發(fā)可定制的機器人操作器，這些技術可以在信息物理生產系統(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計技術來設計機器人關節(jié)之間的連接。生成設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)給出原型設計和實現(xiàn)。本研究的結論和未來工作將在第6節(jié)提出。
2 生成設計
生成設計并不是一個新概念，它有時被稱為進化設計，它指的是在這個計算過程中使用的搜索技術和進化算法。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計。在這種方法中，原型系統(tǒng)創(chuàng)建了新的設計，并使用遺傳算法對這些設計進行迭代優(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計系統(tǒng)由三個要素組成:
在設計過程中，適當?shù)乇硎緦嶓w對象，使計算機能夠有效地操縱候選設計。
xA改進的遺傳算法從零進化出這樣的代表設計。
xEvaluation軟件指導演進過程。
正如參考文獻[12]所解釋的，概念設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)可能沒有被人類設計者發(fā)現(xiàn)的解決方案。因此，這種設計技術可以用來提高設計開發(fā)對人類設計師的支持，同時在設計過程的中心保持設計師。Krish在其生成設計過程中也描述了這種協(xié)同開發(fā)方法。Krish解釋了設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，使用這種進化技術進行設計自動化不僅可以提高設計的功能，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的藝術狀態(tài)。使用生成設計。生成設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計中得到了解釋。通過生成設計方法對該產品進行分析，生成所需運動軸的數(shù)量和性質。本研究在設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)用于自動機器人設計。這項工作探索了不同的設計問題，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構。
生成設計的一個有趣的應用是Saravanan等人在機器人夾子的設計中獲得了最優(yōu)的幾何尺寸?；谒麄儗嶒灥某晒?，本研究的作者得出結論，這項工作為進一步研究如何利用智能技術解決復雜的工程優(yōu)化問題打開了方便之門。
生成設計也被用來優(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打印技術開發(fā)基于折紙結構的機器人。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打印技術的實用性，以成本效益的方式打印復雜結構，同時為新的創(chuàng)新設計打開了大門。
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計。
在文獻綜述中，作者可以得出結論，沒有辦法將3D打印的機器人與在CPPS中使用的生成設計方法結合起來。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絡透視圖。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計的設計過程。這種缺乏CPPS的設計方法也得到了Fisher等人的強調。
因此，設計了基本的設計周期[26]。該設計過程如圖1所示，因此在本研究中使用，以開發(fā)網絡連接的機器人機械手。
CPPS設備的這個設計過程描述了從目標(需求)到方法(經過批準的設計)的設計周期。在這一設計過程中，設計者可以利用人工智能的生成設計技術來自動化設計合成、模擬和評估活動。也就是說，這并不能消除設計過程中的設計師。本研究提供的設計過程是一個人在循環(huán)系統(tǒng)。因此，雖然設計過程的一些活動可能是自動化的，但最終決定批準設計的還是設計師。
圖1 一個CPPS設備的生成設計周期
此外，設計周期說明了在CPPS的合成設計過程中，物理和網絡組件是如何被考慮的。此外，為了滿足系統(tǒng)的要求，CPPS設備還必須使用可實現(xiàn)技術，如可配置性、模塊化、可診斷性和可連接性。
5 原型的設計和實現(xiàn)
5.1物理組件的設計
物理組件設計過程導致機器人機械手的物理接口。物理系統(tǒng)設計利用一組機器人關節(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生和裝配，本質上就是一個鉸接機器人，如圖2所示。機械手是在關節(jié)模塊中使用步進電機驅動的。
5.1.1可構成設計
為了滿足不同工業(yè)應用的定制要求，通過選擇、添加和移除關節(jié)和鏈路模塊來配置物理機器人機械手設計。機器人機械手的主要結構如圖2所示，其自由度為6。這意味著機械手是由六個關節(jié)組成的，每個關節(jié)都是一個轉動關節(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，導致所有內部部件也變得更小，因而更輕。
5.2生成設計
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，連接機器人關節(jié)的鏈接模塊是選擇性的，作為演示生成設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)了生成設計練習。
5.2.1構建容量和設計約束
第一步是創(chuàng)建部件模型的構建卷或近似。一個圓柱形的形狀被用作鏈接模塊的原始構建卷。在定義了構建卷之后，下一步是定義隔離區(qū)域。生成設計過程在創(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計解決方案時使用這些標準，以評估每個解決方案滿足設計需求的能力。基于機器人機械手的設計，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建量和設計約束。需要注意的是，這個物理組件的設計是為了通過電力驅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。該算法生成的網格如圖4所示。
圖3 生成設計約束
圖4 由生成設計過程產生的網格
網格可以作為設計者的指導。
通過剪切、擠壓和其他特性編輯來修改構建卷模型。設計師的編輯改變了。
從近似到組件設計的生成設計。
5.2.3結果
生成設計練習的結果如圖5所示。這種設計保持了相同的結構完整性，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 網絡組件設計
5.3.1要求
該設備控制系統(tǒng)的設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 生成設計的訓練結果
5.3.2工業(yè)因特網
基于因特網硬件的工業(yè)網絡作為控制系統(tǒng)的骨干。有多個相關的工業(yè)因特網協(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物理層(Ethernet PHY)的工業(yè)網絡。網絡是確定性的，可以在實時環(huán)境中使用。它支持比其他工業(yè)網絡更短的周期，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民主化的系統(tǒng)。
當網絡建立在因特網的基礎上時，他們通常需要一個托管的網絡交換機，每一個EtherCAT設備都有兩個因特網PHYs，通過一個daisy鏈配置來連接它們，如果一個環(huán)形網絡拓撲足夠的話，就可以消除對網絡交換機的需求。此外，EtherCAT的從屬設備負責控制網絡的時間，而不需要專門的主網絡控制器。因此，EtherCAT網絡中的主設備可以使用通用COTS Ethernet網絡接口卡(NIC)，從而降低實現(xiàn)以太網絡的成本。使用標準的NIC可以通過使用任何具有基本以太網功能的設備來實現(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，它鼓勵開發(fā)硬件和軟件來使用這種技術。
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網絡。
使用SPI通信的從設備的EtherCAT控制器?；贚AN9252的Arduino平臺的COTS附加組件(shield)是由AB&T Srl生產的。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)合位置轉換到所需的脈沖來驅動步進電機。
圖6 機械手的控制
6 結論
因此，該研究為設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計，一種進化和人工智能方法，來設計機器人關節(jié)之間的連接。
該鏈接模塊被認為是利用生成設計的優(yōu)點和快速原型設計的理想組件。本文還探討了一種基于以太網控制技術的機器人機械手控制結構，用于網絡物理生產系統(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域。
附錄二 外文原文