非結(jié)構(gòu)環(huán)境需求下的液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)

路可欣，秦建軍

(北京建筑大學(xué) a.機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院；b.城市軌道交通車(chē)輛服役性能保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，對(duì)繁多冗雜的需求進(jìn)行系統(tǒng)性分析[1-3]已成為贏(yíng)得市場(chǎng)、提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)性分析也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。Zaim等[4]將分析網(wǎng)絡(luò)過(guò)程與模糊邏輯法相耦合，提高了需求響應(yīng)速度。劉普寅等[5]基于加權(quán)Euclid距離的模糊聚類(lèi)方法，使需求聚類(lèi)質(zhì)量得以改善。為突破多粒度語(yǔ)言環(huán)境下的需求模糊性與不確定性問(wèn)題，He等[6]改進(jìn)傳統(tǒng)卡諾模型，提升了識(shí)別需求的精準(zhǔn)度。為進(jìn)一步提高需求向產(chǎn)品設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換的科學(xué)性，Wang等[7]基于樸素貝葉斯分類(lèi)器的需求分類(lèi)法，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加科學(xué)可靠。

液壓四足機(jī)器人因其功率密度比大、驅(qū)動(dòng)力大與環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，作為野外環(huán)境下的特種機(jī)器人得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，其主要作業(yè)場(chǎng)地多以非結(jié)構(gòu)化地形為主，故本文以該環(huán)境特征為例進(jìn)行分析，最終結(jié)合不同環(huán)境需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)。為避免機(jī)器人在野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下導(dǎo)致的復(fù)雜需求聚集問(wèn)題，Chu等[8]定義了擬合系數(shù)，利用區(qū)間模糊數(shù)算法建立權(quán)重等級(jí)隸屬度函數(shù)，確保了需求客觀(guān)標(biāo)準(zhǔn)與主觀(guān)語(yǔ)言的一致性。在提高機(jī)器人性能方面，韓國(guó)工業(yè)技術(shù)研究院的P2機(jī)器人[9]采用液壓馬達(dá)帶動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，消除了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的非線(xiàn)性，使控制更加簡(jiǎn)單。中國(guó)上海交通大學(xué)的四足機(jī)器人[10]通過(guò)混連式腿部結(jié)構(gòu)，將全部的驅(qū)動(dòng)液壓缸集中在軀干，減輕了腿部負(fù)荷，提高了控制精度。在解決高動(dòng)態(tài)下的機(jī)器人行走問(wèn)題方面，MIT的Cheetah機(jī)器人[11]采用阻抗控制和虛擬模型相結(jié)合的控制框架，提高了行進(jìn)速度。美國(guó)麻省理工大學(xué)的獵豹機(jī)器人[12]采用腿部關(guān)節(jié)與脊柱關(guān)節(jié)的仿貓科類(lèi)構(gòu)型，結(jié)構(gòu)更合理精細(xì)，進(jìn)一步解決了機(jī)體的輕量化問(wèn)題。

由此可以看出，面對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境需求下的液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)問(wèn)題，大多數(shù)學(xué)者分別從環(huán)境需求分析與提高機(jī)器人性能兩方面單獨(dú)進(jìn)行研究，從不同角度對(duì)液壓四足機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于液壓四足機(jī)器人不同于普通的產(chǎn)品，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮環(huán)境需求這一重要約束條件，對(duì)復(fù)雜需求進(jìn)行分析及聚類(lèi)，進(jìn)而從多個(gè)方面共同考慮，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。為此，本文提出了模糊非解耦模型與FPBS耦合的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)建立模糊非解耦矩陣對(duì)需求進(jìn)行層次劃分，以獲取需求的精準(zhǔn)聚類(lèi)，同時(shí)基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)層級(jí)的迭代，滿(mǎn)足產(chǎn)品系統(tǒng)化以及自頂至下多層級(jí)的設(shè)計(jì)要求，使最終方案得到需求的快速響應(yīng)。

1 非結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響

移動(dòng)機(jī)器人主要分為輪式、履帶式和足式3類(lèi)，其特點(diǎn)各不相同，如表1所示。在野外環(huán)境中，遍布著崎嶇不平的山丘、叢林以及溝壑等，這些復(fù)雜環(huán)境使輪式和履帶式機(jī)器人無(wú)法正常運(yùn)行，而足式機(jī)器人因其較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力而被廣泛應(yīng)用。

表1 移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)的四足機(jī)器人因其運(yùn)行的環(huán)境需求不同而具備不同的結(jié)構(gòu)，從而特點(diǎn)也不盡相同，如表2所示。在野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，地形的差異會(huì)對(duì)機(jī)器人帶來(lái)諸多影響，具體如表3所示。

表2 國(guó)內(nèi)外四足機(jī)器人及其特點(diǎn)

表3 典型非結(jié)構(gòu)環(huán)境對(duì)機(jī)器人的影響

2 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的需求聚類(lèi)

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量屋

產(chǎn)品質(zhì)量屋(house of quality,HoQ)是將用戶(hù)需求與產(chǎn)品工程特性、過(guò)程控制以及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)等多方面聯(lián)系在一起的矩陣[13]，也是質(zhì)量功能展開(kāi)(quality function development,QFD)的重要工具。產(chǎn)品質(zhì)量屋如圖1所示，天花板為產(chǎn)品所有工程特性，由用戶(hù)需求轉(zhuǎn)換而來(lái)；左墻為用戶(hù)需求及重要度所構(gòu)成的輸入矩陣；右墻依次為競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)參數(shù)、用戶(hù)滿(mǎn)意度、目標(biāo)、水平提高度、銷(xiāo)售點(diǎn)、絕對(duì)權(quán)重及相對(duì)權(quán)重；屋頂表示產(chǎn)品各項(xiàng)工程特性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；房間為用戶(hù)需求與工程特性間的關(guān)系矩陣；地板由分解得出的功能權(quán)重構(gòu)成質(zhì)量屋輸出矩陣。

由QFD團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研等方式確定產(chǎn)品質(zhì)量屋中用戶(hù)需求及其重要度，利用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定m項(xiàng)用戶(hù)需求重要度，其定義式為

(1)

圖1 產(chǎn)品質(zhì)量屋

重要度轉(zhuǎn)化方法分為比例分配法與獨(dú)立配點(diǎn)法，其中比例分配法為用戶(hù)需求的數(shù)目與分布會(huì)影響工程特性重要度的結(jié)果，而獨(dú)立配點(diǎn)法可以改進(jìn)評(píng)價(jià)差異，故采用獨(dú)立配點(diǎn)法將重要度轉(zhuǎn)換為工程特性重要度，其定義式為

(2)

將用戶(hù)需求轉(zhuǎn)化為工程特性，得到工程特性重要度。將所得到的工程特性權(quán)重用于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的加權(quán)系數(shù)，進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)品優(yōu)化，充分反映用戶(hù)需求。

2.2 模糊非解耦模型

用戶(hù)需求聚類(lèi)分析是產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期關(guān)鍵的一步，為了科學(xué)地將用戶(hù)需求進(jìn)行層次劃分，采用模糊非解耦模型，具體步驟如下：

步驟1 用戶(hù)需求信息標(biāo)準(zhǔn)化。將獲取的用戶(hù)需求分為階梯型與平等型兩種。階梯型為用戶(hù)需求屬性，具有差異性，例如質(zhì)量、效率等。平等型為用戶(hù)需求相互平等、獨(dú)立且無(wú)差異性，將階梯型用戶(hù)信息聚集在系統(tǒng)前部，平等型用戶(hù)信息聚集在系統(tǒng)后部，為將信息標(biāo)準(zhǔn)化，可建立信息標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)學(xué)模型。

(3)

式中：i=1,2,…,m；γ′為信息原始數(shù)值；γ為信息標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值。

步驟2構(gòu)建模糊相似矩陣。將信息系統(tǒng)前部階梯型的均值轉(zhuǎn)化為平等型屬性值，其定義式為

(4)

式中：k=l+1,l+2,…,n；dk為第k個(gè)屬性的屬性種類(lèi)。

根據(jù)轉(zhuǎn)化后的平等型屬性值，將不同的平等型屬性進(jìn)行聚類(lèi)，其定義式為

(5)

式中：tk為平等型屬性，k=l+1,l+2,…,n。

用戶(hù)對(duì)象集合γ={γ1,γ2,…,γm}中γi與γj的模糊相似度的定義式為

(6)

(7)

該矩陣滿(mǎn)足自反性，即?i=j,lij=1；同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)性，即lij=lji，均代表γi=γj的模糊相似度。

(8)

步驟4構(gòu)建截矩陣Λmatα=(αij)

(9)

式中i,j=1,2,…,n，α為等價(jià)閉包矩陣t(Λmat)中的元素?？赏ㄟ^(guò)α的不同取值得到不同的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)，由QFD團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家進(jìn)行評(píng)估，選擇最優(yōu)聚類(lèi)方案。

1)非耦合矩陣，保證需求間相互獨(dú)立，即其中某一需求發(fā)生變化不會(huì)影響其他需求，故選取非耦合矩陣。

2)準(zhǔn)耦合矩陣，其中某一需求按照一定順序變化，保證另一需求的獨(dú)立性。

3)耦合矩陣，其他類(lèi)型的矩陣統(tǒng)稱(chēng)為耦合矩陣，不能保證需求間的獨(dú)立性。

(a)非耦合矩陣 (b)準(zhǔn)耦合矩陣 (c)耦合矩陣

2.3 基于模糊非解耦模型的需求聚類(lèi)

表5 液壓四足機(jī)器人基本需求特征

表6 液壓四足機(jī)器人基本需求與子需求對(duì)應(yīng)權(quán)重

根據(jù)式(7)構(gòu)建液壓四足機(jī)器人的需求特征模糊關(guān)系的相似矩陣：

由此可知，液壓四足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的16種基本需求特征的解耦示意圖如圖3所示。同時(shí)根據(jù)α取值不同形成需求的細(xì)化分層。

QFD團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家對(duì)液壓四足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的各項(xiàng)需求進(jìn)行重要度評(píng)價(jià)，結(jié)合團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家對(duì)需求特征隱性知識(shí)定量化表達(dá)，建立液壓四足機(jī)器人需求特征與工程特性的產(chǎn)品質(zhì)量屋。因不考慮工程特性之間的關(guān)系，故在產(chǎn)品質(zhì)量屋中忽略屋頂，如表7所示，反映了需求特征與工程特性之間的相關(guān)性，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期為企業(yè)指明了方向。

圖3 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的基本需求特征解耦示意圖

表7 液壓四足機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量屋

利用式(3)對(duì)液壓四足機(jī)器人的工程特性進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其歸一化，重要度排序如表8所示。

表8 液壓四足機(jī)器人工程特性重要度排序

3 液壓四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)模型

Gero J S等首先提出了功能-行為-結(jié)構(gòu)(function-behavior-structure,FBS)的概念，將產(chǎn)品初期分為功能建模、行為建模、結(jié)構(gòu)建模這3個(gè)設(shè)計(jì)階段。國(guó)內(nèi)學(xué)者廖瑩[14]在此基礎(chǔ)上引入了原理模型，提出了FPBS的迭代層次映射，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期綜合考慮功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)這四方面要素，實(shí)現(xiàn)自頂至下多層次創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)自底至上的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合，建立產(chǎn)品初期的拓?fù)淠Ｐ褪菍?shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)的重要工具，基于FPBS產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 基于FPBS產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

3.1.1功能

功能(function)包含3個(gè)方面內(nèi)容：① 系統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)，功能是系統(tǒng)輸入與輸出以及元素變量間的抽象概念，描述輸入輸出關(guān)系的流程圖表示功能結(jié)構(gòu)，一般用于產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)模塊；② 用途觀(guān)點(diǎn)，用來(lái)描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖，將產(chǎn)品工作能力抽象化，用于用戶(hù)需求模塊；③ 行為觀(guān)點(diǎn)，將功能看作物理行為，用于產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)模塊。

3.1.2原理

原理(principle)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特定功能的方法，一般包含兩方面內(nèi)容：① 物理效應(yīng)，自然界現(xiàn)象的規(guī)律結(jié)果；② 功能載體，實(shí)現(xiàn)物理效應(yīng)的實(shí)體，例如運(yùn)動(dòng)特性、機(jī)械特性、幾何特性等，從功能到原理的映射如圖5所示。

圖5 功能-原理映射方式

3.1.3行為

行為(behavior)由原理產(chǎn)生且為原理的表現(xiàn)，通過(guò)產(chǎn)品多行為配合得以行為實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)品行為由產(chǎn)品構(gòu)件參數(shù)描述，例如位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度和作用力等。從原理到行為的映射方式如圖6所示。

圖6 原理-行為映射方式

3.1.4結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)(structure)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能-原理-行為采用的構(gòu)件以及之間的組成關(guān)系。物理結(jié)構(gòu)指完整的產(chǎn)品、元件或幾何特征，從行為到結(jié)構(gòu)的映射方式如圖7所示。

圖7 行為-結(jié)構(gòu)映射方式

3.2 基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)模型的液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)

由2.3節(jié)可知，液壓四足機(jī)器人16種基本需求特征根據(jù)α的取值不同進(jìn)行了解耦，得到逐步細(xì)化的需求聚類(lèi)，并將需求與工程特性通過(guò)質(zhì)量屋進(jìn)行一一映射，實(shí)現(xiàn)工程特性的定量化表達(dá)。最后，QFD團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家結(jié)合已有知識(shí)與相關(guān)科學(xué)原理，利用FPBS映射方法對(duì)液壓四足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境需求下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整理可得功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)的映射,如表9所示。

表9 液壓四足機(jī)器人的FPBS映射

行為是功能的表現(xiàn)，由原理產(chǎn)生，并通過(guò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由FPBS映射表可知機(jī)器人的6項(xiàng)基本行為。由于篇幅限制，以負(fù)重行進(jìn)為例，為實(shí)現(xiàn)液壓四足機(jī)器人的承載能力，機(jī)體采用剛體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)由相容行為的剛體執(zhí)行構(gòu)件組成，能夠形成穩(wěn)定的機(jī)體結(jié)構(gòu)。當(dāng)所有執(zhí)行構(gòu)件執(zhí)行其運(yùn)動(dòng)行為時(shí)，也具有結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性，是機(jī)體合理布局的基礎(chǔ)。其次，剛體機(jī)構(gòu)可適應(yīng)多變的環(huán)境，在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中，采用懸掛方式完成物資的快速運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)負(fù)重前行的功能，達(dá)到力-材料、力-結(jié)構(gòu)的原理準(zhǔn)則。此外，機(jī)體所有構(gòu)件的行為不相矛盾，可以共存，實(shí)現(xiàn)了行為的相容性原則。

從FPBS映射表中獲取液壓四足機(jī)器人各功能的初步結(jié)構(gòu)如下：

QFD團(tuán)隊(duì)專(zhuān)家利用已有經(jīng)驗(yàn)與FPBS映射關(guān)系，將以上子功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行匯總，得到滿(mǎn)足非結(jié)構(gòu)環(huán)境需求下的液壓四足機(jī)器人(如圖8所示)。

圖8 液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

該液壓四足機(jī)器人為4自由度配置，其中膝關(guān)節(jié)、臀部側(cè)展關(guān)節(jié)、臀部擺臂關(guān)節(jié)為主動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，由3條液壓缸推動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)鉸接運(yùn)動(dòng)；足部為被動(dòng)自由度。為減少運(yùn)動(dòng)時(shí)地面對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的沖擊，膝關(guān)節(jié)與足端之間安裝彈簧起到緩沖作用，通過(guò)液壓缸活塞桿的收縮實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。

與之相比，國(guó)外學(xué)者也對(duì)液壓四足機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究。以美國(guó)波士頓動(dòng)力學(xué)公司的Big Dog機(jī)器人[15]為例，該機(jī)器人可進(jìn)行多步態(tài)行走、跳躍1 m寬壕溝、爬越35°斜坡，最大運(yùn)行速度可達(dá)18 km/h，達(dá)到步兵徒步急行軍的速度要求。但傳統(tǒng)方法一般通過(guò)仿真和片段性的模擬場(chǎng)景來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人的總體性能，以仿真數(shù)據(jù)證明方法的實(shí)用性，較少對(duì)環(huán)境需求進(jìn)行有效分析。但在真實(shí)的野外環(huán)境中，對(duì)需求的合理遴選與聚類(lèi)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。本文采用模糊非解耦模型與FPBS耦合的設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)在于通過(guò)對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的需求進(jìn)行系統(tǒng)性分析，從功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)共4個(gè)方面分別進(jìn)行考慮，得到滿(mǎn)足要求的液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)清晰、合理，提高了液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

4 結(jié)論

本文提出了模糊非解耦模型與FPBS耦合的設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境需求下的液壓四足機(jī)器人設(shè)計(jì)中。該耦合方法與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論相比，解決了傳統(tǒng)方法對(duì)仿真數(shù)據(jù)分析的局限性及依賴(lài)性問(wèn)題。從多個(gè)角度加以考慮，對(duì)復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行分析，將需求合理聚類(lèi)，改進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供初始依據(jù)，并從功能、原理、行為、結(jié)構(gòu)4個(gè)方面實(shí)現(xiàn)自頂至下多層級(jí)的設(shè)計(jì)與自底至上的結(jié)構(gòu)綜合，提高模塊間的內(nèi)聚程度，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中具有引導(dǎo)性，具備如下特點(diǎn)：

1)采用模糊非解耦模型將信息定量分析，提高評(píng)判的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)綜合，以及產(chǎn)品的快速構(gòu)型，進(jìn)一步滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。

2)基于功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，將產(chǎn)品的功能、原理、行為與結(jié)構(gòu)的縱向迭代設(shè)計(jì)清晰地表達(dá)，同時(shí)產(chǎn)品模型的橫向設(shè)計(jì)體現(xiàn)了功能、原理與結(jié)構(gòu)間的信息參數(shù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)需求的快速響應(yīng)，具備結(jié)構(gòu)的相對(duì)獨(dú)立性，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有力支持。