R-Graph:面向机器人机构智能设计的表征与计算框架

摘要

智能化是机器人创新设计的必然趋势，其核心在于利用人工智能技术从设计数据中学习机器人机构组成规律，并模拟人类思维开展设计．实现机器人智能设计需满足两个基本前提：一是提出有效的机器人机构数字化表征方法，全面、准确地描述机器人机构信息，以便于设计数据的计算机识别和存储；二是具备快速计算机器人机构运动、力学等性能的能力，这些性能指标也反映了机器人机构设计需求．本文提出一种新的数字化语言——机器人图结构(R-Graph)，用于表征和计算机器人机构及其性质．首先，利用异构图的节点和边分别表示机器人机构组成构件及其连接关系，揭示R-Graph具有的性质，分别定义节点特征和边特征的存储结构．在此基础上，提出了一种基于图相似度匹配的机构拓扑同构判别方法，并利用图信息传递机制实现了机器人机构运动/力性质的自动求解．最后，讨论了R-Graph在机器人机构智能创新设计中的潜在应用．与传统拓扑图相比，R-Graph不仅能够捕捉运动变量及相关信息，还将轴线关系的表示从布尔值转换为实数矩阵，从而在欧几里得空间和非欧几里得空间中实现统一表征．通过利用这一全面的信息表征结构，能够实现机构运动和力的自动计算，为机器人机构的智能设计提供结构化的数据基础．R-Graph为机器人机构的智能设计提供了新的理论基础和工具，有望推动机器人设计自动化和智能化的发展．

关键词

机器人机构表征 / 运动/力计算 / 拓扑图 / 智能设计