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附录 A 译文
生成式设计在机械臂开发中的应用
伊曼纽尔·弗兰卡兰萨，亚历克·费内奇，保罗·库塔哈尔
马耳他大学工业与制造工程系，马耳他，MSD2080
摘 要
随着网络物理生产系统的出现，协作制造环境中对机器人技术的利用也呈上升趋势。满足这种需求的其中一种方法是通过制造可以由中小型企业使用的更便宜，可定制的机器人来使机器人大众化。为了解决这个问题，本研究着眼于使用快速原型技术来开发可在网络物理生产系统中实现可定制的机械臂。因此，这项研究为设计连接的快速原型机械臂提供了一种方法。这种方法同时考虑了实现机械臂所需的软件和硬件开发。此外，生成设计是一种基于进化和人工智能的方法，用于设计机器人关节之间的链接模块。该组件已被认为是使用该方法进行设计的理想选择，因为它使大多数生成设计方法以及快速原型设计受益。本文还探索了一种基于以太网控制技术的机械臂控制结构，以在网络物理生产系统中实现。
关键词：机器人 设计 人工智能
介绍
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- 网络物理生产系统
CPPS由自主和协作元素（例如智能机器）和子系统（例如智能工厂）组成，它们在各个级别的生产中（从过程级别到工厂和生产级别）均以与情境相关的方式相互连接[1]。
实施CPPS的主要推动力之一是对生产系统的持续适应性和发展的需求[1]。不断变化的生产系统需求可以追溯其源于不稳定的客户行为和不断变化的产品[2]。
适应客户要求的需求已暗示出生产系统使用的技术和机器可提供高水平的效率，同时又能适应制造环境的需求。由于机器人提供了高效率和精度，同时又不牺牲灵活性，因此网络物理生产系统的出现带来了对机器人技术的更多利用。也就是说随着协作和互联机器人技术的出现，机器人技术的趋势正在发生变化。在达沃斯举行的世界经济论坛上，这一趋势也得到了强调，该论坛将先进的机器人技术确定为工业4.0背后的主要技术驱动力之一。
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- 协作与互联机器人
然而，这并不意味着人类将完全从车间中被铲除。实际上，根据进行的详细研究和实验，Pfeiffer [3]认为，未来的车间仍需要人类经验。基于此，在未来几年中，人类和机器人在制造操作上进行协作的需求将会增加[4]。为了证实这一主张，Bloss [4]与机器人公司的主要经理进行了讨论，并据此得出结论，协作机器人技术“将在未来几十年内成为主导的机器人技术”。
为了满足这种不断增长的需求，实际上可以看出所有主要的机器人制造商都在介绍他们的能够与人类操作员携手合作的协作机器人。
为了实现到CPPS中，这些机器人需要轻松连接到管理制造操作的控制系统。CPPS的核心特征是分散控制或局部控制。通过使用具有嵌入式处理和联网功能的机器，可以实现全球本地化的愿景[5]。这些功能使分布式和认知控制的第三个特征成为可能。这种分布式控件凭借使用认知处理来分析从机器传感器收集的数据，使得CPPS控制更加分散，因此而受到越来越多的欢迎。
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。即插即用功能允许根据生产需要在生产系统中添加和删除生产系统的不同元素。
即插即用的概念也允许模块化生产系统的开发。正如Schleipen等人[6]，Onori [7]和Maeda [8]的多位作者所解释的那样，即插即用的概念不仅必须由机械功能来支持，而且还必须通过新的和改进的软件和控制范例来支持。
1.3. 机器人的民主化
大型公司拥有专门的开发团队，以及实施此类技术的投资潜力。根据国际机器人联合会[9]的报告，2015年，全球机器人销量增长了15％，达到253,748台，创下一年来的最高水平。
尽管与大型企业相比中小型企业占的比例最大，但这些先进的制造技术在中小型企业中所占的比例未必相同[10]。因此，如果如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，那么就需要使机器人技术的使用更普及。
技术民主化是指更多人迅速获得技术使用权的过程。满足此需求的方法是通过开发更便宜，更可定制的机器人来促进机器人技术的实施，这些机器人可以容易地由中小型企业实现。
由于中小企业投资工业4.0技术的意愿很低[10]，提供更便宜的机器人可能会增加机器人技术的使用率。此外，使机器人易于连接和培训也将解决中小企业在使用和实施机器人方面的任何保留。这些方法以及提供单个机器人平台的可能性，可以针对中小企业广泛变化的需求对其进行定制，这也将增加机器人技术和工业4.0技术的使用。
1.4 研究目的
为了解决这些挑战，本研究旨在利用快速原型技术开发可在网络物理生产系统中实现的可定制机器人操纵器。为了最小化机器人操纵器的重量和成本，这种方法利用了一种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。在第3节中介绍解决类似挑战的其他先进方法。第4节介绍了用于开发机器人操纵器的方法。然后，第5节介绍了原型设计和实现。与该研究有关的结论和未来工作将在第6节中介绍。
生成设计
生成设计不是一个新概念，有时会被称为进化式设计用，该术语是指在此计算过程中使用的搜索技术和进化算法。在[11]中，Bentley和Wakefield描述了一种原型设计系统，该系统使用遗传算法从头开始发展新的概念设计。在这种方法中，原型系统创建新的设计，并使用遗传算法迭代优化这些设计。遗传算法利用自然界中发现的进化原理首先生成一组解决方案，然后“复制”最适合的解决方案。通过使用随机交叉和突变操作，结合这些适合父母的基因型而产生后代。由Bentley和Wakefield [11]贡献的设计系统包括三个要素：
1.固体对象的适当表示，以允许计算机在设计过程中有效地操纵候选设计。
2.一种改进的遗传算法，可以从头开始开发此类表示的设计。
3.评估软件指导进化过程。
如[12]所解释的，概念设计的过程可以表示为一个优化过程。为了获得解决方案并确定一组规则，需要评估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，以发现人类设计人员可能找不到的解决方案。因此，此类设计技术可用于增强对人类设计师的设计探索，同时将设计师保持在设计过程的中心[13]。克里希（Krish）在他们的生成设计过程中也描述了这种共同开发的方法[14]。克里希（Krish）解释了设计者如何明确定义约束包络，其中定义了解决方案的几何可行性。正如Sun等人解释的。[15]，这种进化技术在设计自动化中的使用不仅可以改善设计的功能，还可以减少开发时间，从而降低成本，尤其是在设计复杂组件时。
技术水平
在本节中，作者介绍了与本研究主题相关的现状，生成式设计的使用。生成设计的一种应用是由[16]在具有相对复杂特征的典型的微型球磨机的设计中解释的。用生成式设计方法对产品进行分析，生成所需运动轴的数量和质量。这项研究的分析结果已被用于新型五轴激光机的设计中。
Lee [17]的另一个应用是将进化系统用于自动机器人设计。这项工作探索了不同的设计问题，从发展用于机器人的简单行为控制器到复杂的行为控制器，最后到完成包括其控制器和物理结构的完整机器人系统。
生成设计的一个有趣的应用是Saravanan等人[18]在机器人抓爪的设计中获得最佳的几何尺寸。基于他们实验的成功，这项研究的作者得出结论，这项工作为进一步研究如何使用智能技术解决复杂的工程优化问题打开了大门[18]。
生成设计也已用于优化3D打印应用程序。其中一种是Asadi-Eydivand等人的[19]用于骨组织工程中的3D打印支架的方法。这项研究成功地使用了进化算法来探索不同的3D打印参数。
如Onal等人[20]所述。打印机器人的能力为现代，现实世界的机器人应用引入了一种快速且低成本的制造方法。利用3D打印思路开发基于折纸结构的机器人。尽管这些机器人目前没有合适的工业应用，但它们展示了3D打印以低成本的方式打印复杂结构的有用性，同时为新的创新设计打开了大门。
Bulgarelli等人也采用了类似的方法[21]开发一种低成本、开源的3D可打印拟人化灵巧机械手。这项研究采用的一种有趣的方法是，在线提供开发的硬件和软件以促进社区的进一步改进。开源社区，以促进机器人技术的民主化。Armesto等人[22]通过指出3D打印技术的更广泛可用性为机器人领域提供了接触更广泛公众的机会来论证这一点。这项研究[22]实际上提出了一种用于工程教育的低成本可打印机器人的设计。
从进行的文献回顾中，作者可以得出结论，没有一种方法可以将使用生成设计方法设计的3D打印机器人用于CPPS。如第1节所述，这种方法将降低实施成本，从而维持机器人民主化，支持中小企业实施CPPS。
CPPS生成设计支持流程
为了支持CPPS的即插即用概念，需要采用一种既考虑物理角度又考虑网络角度的方法。因此，需要一种方法来开发这样的系统。在这项研究期间，对几种设计方法进行了回顾[23]，[24]，[25]。尽管它们都突出了CPPS的多个视角，但是这些都没有说明从需求到最终设计的设计过程。Fisher等人也强调了CPPS设计方法的不足。[25]。因此，从Roozenburg的基本设计周期[26]开发出了系统的设计过程。因此，在本研究中使用了如图1所示的设计过程，以开发网络连接的机器人机械手。
CPPS设备的设计过程描述了从目标（需求）到均值（已批准的设计）的设计周期。在此设计过程中，设计人员可以采用生成设计技术，这些技术可以利用人工智能使设计合成，仿真和评估活动自动化。也就是说，这并没有从设计过程中淘汰设计师。这项研究的设计过程是一个“人在回路”系统。因此，尽管设计过程中的某些活动可能是自动化的，但最终还是由设计者来决定批准设计。
图1. CPPS装置的生成设计周期。
此外，图中所示的设计周期描述了在CPPS的综合设计中必须同时考虑物理和网络组件的情况。同时，为了满足系统要求，CPPS设备还必须利用使能技术，例如可配置性，模块化，可诊断性和可连接性等技术。
原型设计与实现
5.1. 物理组件设计
物理元件的设计过程决定了机械手的物理接口。物理系统设计利用一组机器人关节模块，其中一些通过连杆模块连接。如图2所示，一旦完成生产和组装，该机械手实质上就是一个铰接式机械手。在关节模块中使用步进电机来驱动该机械手。
5.1.1.可配置性设计
为了满足可针对不同工业应用进行定制的要求，通过选择、添加和移除关节和链接模块来配置物理机械手设计。机械手的主要配置如图2所示，它具有六个自由度。这意味着机器人操纵器由六个关节组成，每个关节都是一个旋转关节。六个自由度确保末端执行器可以在机械手的工作空间内达到任何位置和方向。并且采用了不同的步进电机尺寸和传动比，以便在最大伸展距离下提升1.5 kg的负载。
图2.机械的组装模型
5.1.2.3D打印设计
由于这种机械手主要用于快速成型，因此在原型制作过程中需要考虑几个因素和约束。采用熔融沉积建模（FDM）和立体光刻（SLA）进行快速成型。该过程根据每个零件的几何形状选择工艺。一侧特殊几何形状的零件使用SLA 3D打印，例如专门设计的齿轮。将具有重要几何形状的侧面放置在远离支撑材料的地方，对于保持所述几何形状很重要。
另一方面，使用FDM打印一侧表面平坦的零件，并将该侧放在打印床上。当3D打印的零件需要内部和不可触及零件的支撑材料时，也鼓励使用FDM。在这些情况下，使用可溶性载体，便于载体材料在后处理过程中易于除去。
在设计3D打印时，要考虑的重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模时，设计了多个零件以使其壁厚最小。第一步会影响寻找其他可能减重的方法。这包括减小关节模块直径，这也会导致所有内部部件更小，从而更轻。
5.2. 生成设计
减轻重量的另一种方法是在不必要的大体积零件上开孔。因此，如第1.4节所述，连接机器人关节的链接模块是有选择的，可以作为展示使用生成设计的理想案例研究。生成式设计的实现是使用Autodesk Inventor CAD系统中的形状生成器功能进行的。
5.2.1.建造量和设计约束
第一步是创建零件模型的构建体积或近似值。圆柱形状被用作链接模块的原始构建体积。定义了构建体积后，下一步就是定义隔离区域。创建引导形状时，生成设计过程不会修改这些区域。最后，给出要应用于零件所受的约束和力，然后在临时设计解决方案的自动仿真过程中使用这些标准来评估每个解决方案满足设计要求的能力。基于机械手的设计，在本案例研究中，所采用的标准是可通过中心轴上的连杆承受的力。
图3所示的模型说明了应用于链接模块的初始构建量和设计约束。对于此物理组件设计，需要注意的是为了使电气驱动器的布线通过，需要留出一些隔离区域。
5.2.2.形状生成
根据指定的设计标准，在Autodesk Inventor中运行了Shape Generator研究。该算法生成一个网格，如图4所示。
图3.生成设计约束 图4.生成设计过程产生的网格
网格可作为设计人员使用切口，拉伸和其他特征编辑对构建体模型进行修改的指南。设计师的编辑将生成的设计形状从近似转换为组件设计。
5.2.3.成果
生成设计练习的结果如图5所示。该设计保持了相同的结构完整性，但是在重量和制造时间上以及在机械手的总体成本上均大大降低了。
图5.生成设计练习的结果
5.
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