基于實(shí)例推理的工業(yè)機(jī)械手的智能設(shè)計(jì)方法研究

劉濤　陳永當(dāng)

【摘 要】本文主要研究了基于實(shí)例推理的智能設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械手智能設(shè)計(jì)，該方法能夠使機(jī)械手設(shè)計(jì)更加快速，并且可以實(shí)現(xiàn)知識的積累和在重用，最后以VB為主要程序設(shè)計(jì)界面及語言、SQL SERVER2008為數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了系統(tǒng)功能模型。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)械手;智能設(shè)計(jì);實(shí)例推理;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）01-0017-002

0 引言

隨著我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級許多勞動密集型的企業(yè)為了提高的企業(yè)的制造能力采用工業(yè)機(jī)械手來代替人工。工業(yè)機(jī)械手是結(jié)合機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的高科技產(chǎn)品。它是一種模仿人手臂的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)裝備。主要用在工業(yè)搬運(yùn)、焊接、裝配和加工等工作[1]。使用工業(yè)機(jī)械手能夠提高工作效率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件。

基于實(shí)例推理的工業(yè)機(jī)械手智能設(shè)計(jì)方法主要是通過構(gòu)建包含有設(shè)計(jì)方案、三維模型的實(shí)例庫，然后采用相似實(shí)例檢索技術(shù)選取與設(shè)計(jì)任務(wù)最相近的實(shí)例，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)來完成設(shè)計(jì)。該方法為工業(yè)機(jī)械手的智能設(shè)計(jì)提供了一種新的解決方案，而且能夠改善傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法周期長、成本高等缺點(diǎn)。

1 基于實(shí)例推理的智能設(shè)計(jì)方法

智能設(shè)計(jì)是21世紀(jì)的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，是CAD技術(shù)的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的重要支撐手段。智能設(shè)計(jì)模擬人類設(shè)計(jì)思維，對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程的交互式?jīng)Q策支持[2]。目前形成了一些比較成熟的智能設(shè)計(jì)方法有：基于原型的智能設(shè)計(jì)、基于規(guī)則的智能設(shè)計(jì)、基于實(shí)例推理的智能設(shè)計(jì)方法等。

本文采用基于實(shí)例的推理（Case-based Reasoning，CBR）的智能設(shè)計(jì)方法，它主要是利用過去成功的實(shí)例和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識來解決新的設(shè)計(jì)問題。其中CBR設(shè)計(jì)方法的“R4”循環(huán)作為最經(jīng)典的框架，包含實(shí)例描述、檢索、修正和維護(hù)四個關(guān)鍵步驟，其中實(shí)例的檢索是該方法的核心，主要是從實(shí)例庫中檢索出相似的實(shí)例，因此能夠快速準(zhǔn)確的檢索出相似度最高的實(shí)例是解決問題中最重要的一步;實(shí)例描述是將已有的實(shí)例知識進(jìn)行表達(dá)出來方便知識的獲取;實(shí)例修正是將檢索出來的實(shí)例按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修正;實(shí)例維護(hù)就是將新的實(shí)例存儲進(jìn)實(shí)例庫擴(kuò)大知識庫的實(shí)例存儲，從而提高實(shí)例的檢索相似度[2]。

2 工業(yè)機(jī)械手智能設(shè)計(jì)方法

目前國內(nèi)外對于機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)者依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)修改原有產(chǎn)品或者重新進(jìn)行設(shè)計(jì)來完成，知識的重用性和繼承性不高。所以采用智能設(shè)計(jì)方法可以改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式缺點(diǎn)從而提高的企業(yè)的設(shè)計(jì)能力，加快的設(shè)計(jì)過程。

2.1 智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

實(shí)例推理設(shè)計(jì)是應(yīng)用已有成熟的實(shí)例與新的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行比較，檢索出相似度最高的實(shí)例，再按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改、調(diào)整從而解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)問題。工業(yè)機(jī)械手智能設(shè)計(jì)框架如圖1所示：

首先設(shè)計(jì)人員通過人機(jī)交互的界面輸入設(shè)計(jì)問題的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)所要設(shè)計(jì)的問題利用實(shí)例檢索技術(shù)在機(jī)械手的實(shí)例庫中進(jìn)行相似的實(shí)例檢索。一般情況下檢索出的都是與設(shè)計(jì)問題比較相似的實(shí)例，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求對相似實(shí)例進(jìn)行修正設(shè)計(jì)，對修正后實(shí)例進(jìn)行評價滿足要求后通過人機(jī)界面將該實(shí)例輸出，并且將其存儲在實(shí)例庫中;如果經(jīng)過在實(shí)例庫中檢索沒有找到符合當(dāng)前問題相似的實(shí)例，或者檢索到的目標(biāo)實(shí)例經(jīng)過修正后仍然不滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)要求，這時就需要借助其他方法自主設(shè)計(jì)來對問題進(jìn)行求解，從而出現(xiàn)新的設(shè)計(jì)實(shí)例。然后對新實(shí)例進(jìn)行評價直到滿足要求后將其存儲并輸出。隨著設(shè)計(jì)的實(shí)例越來越多實(shí)例庫不斷完善，在進(jìn)行檢索時就會有更多的相似實(shí)例，從而問題的解決也會更加的準(zhǔn)確和高效。

2.2 機(jī)械手實(shí)例庫模塊

機(jī)械手由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)包含機(jī)座、機(jī)械手臂、腕部和末端執(zhí)行器四大部分。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前需要建立實(shí)例庫，主要將企業(yè)、設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)等已有的成功的設(shè)計(jì)案例存儲在實(shí)例庫中以便系統(tǒng)檢索，實(shí)例數(shù)據(jù)庫中儲存現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)例的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)、零件數(shù)據(jù)、總裝配的數(shù)據(jù)、零件模型文件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明文檔等。根據(jù)知識的形式不同采用不同的形式進(jìn)行存儲。實(shí)例信息數(shù)據(jù)表主要是通過關(guān)系映射來控制各層數(shù)據(jù)表之間的父子關(guān)系，產(chǎn)品與零件之間的關(guān)系是用主鍵等約束來完成控制，用這種模式有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的建立和查詢[3]。

工業(yè)機(jī)械手在設(shè)計(jì)時每個部件都會有其特定的性能和功能參數(shù)，將所有零件文檔、技術(shù)參數(shù)信息分別歸類整理，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表格將其使用進(jìn)行存放，然后將機(jī)械手的所有實(shí)例知識通過關(guān)鍵字互相關(guān)聯(lián)起來，存儲在SQLSERVER數(shù)據(jù)庫中，在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行使用。實(shí)例部分表格如圖2所示：

2.3 實(shí)例推理檢索模塊

推理模塊是智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)械手智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了基于實(shí)例的推理方式。根據(jù)用戶輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，檢索出實(shí)例庫中與問題相近似的實(shí)例。實(shí)例推理采用的是最鄰近檢索法（K-NN）， 指分別計(jì)算當(dāng)前問題特征參數(shù)與實(shí)例庫中源實(shí)例特征參數(shù)之間的距離，從而確定兩者之間的相似度，并將相似度最高的一些實(shí)例提供給設(shè)計(jì)者以供參考和重用[4]。設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)例用X來表示，C表示實(shí)例庫中的實(shí)例，則X和C之間的空間距離用Dis（X，C）來表示，相似度用Sim（X，C）來表示，則兩者滿足以下關(guān)系：Sim（X，C）=1- Dis（X，C），空間距離根據(jù)以下公式計(jì)算：

其中Cij表示第i個實(shí)例Ci的第j個屬性或特征項(xiàng);Xj表示目標(biāo)實(shí)例X的第j個屬性或特征項(xiàng)，其C表示相同的實(shí)例屬性或特征項(xiàng);ωi表示實(shí)例的第j個屬性或特征項(xiàng)所分配的檢索權(quán)重[2]。

3 機(jī)械手智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能模型

機(jī)械手智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包含人機(jī)界面、實(shí)例庫模塊、實(shí)例推理模塊、實(shí)例修改、實(shí)例維護(hù)等模塊，系統(tǒng)模型通過Visual Basic 6.0為軟件開發(fā)工具，基于SQL SERVER 2008建立知識實(shí)例庫，采用ODBC和ADO為實(shí)例庫和數(shù)據(jù)庫的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，機(jī)械手智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是運(yùn)用實(shí)例推理檢索方法進(jìn)行相似方案檢索，并對實(shí)例進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模_定滿足要求后保存并輸出為新實(shí)例。

首先將需要設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手的自由度、工作半徑、額定負(fù)載等主要基本技術(shù)參數(shù)和特征參數(shù)輸入到推理界面，可以不輸入全部的參數(shù)，之后點(diǎn)擊推理按鍵。推理機(jī)制將用戶輸入的基本技術(shù)參數(shù)作為推理機(jī)制的推理參數(shù)，然后從知識庫、實(shí)例庫中讀取相關(guān)參數(shù)信息，通過屬性相似度的計(jì)算，篩選出相似例并且按照相似度進(jìn)行排列;并將機(jī)械手實(shí)例的型號等參數(shù)顯示在結(jié)果文本框中。然后根據(jù)推理結(jié)果點(diǎn)擊下一步進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)，按照機(jī)械手推理的型號對其各個部件進(jìn)一步檢索設(shè)計(jì)，然后根據(jù)推理結(jié)果所得實(shí)例進(jìn)行下一步的實(shí)例修正，按照設(shè)計(jì)要求對實(shí)例進(jìn)行修正直至滿足設(shè)計(jì)要求，最后輸出最終設(shè)計(jì)的結(jié)果并將新實(shí)例存儲進(jìn)實(shí)例庫完成實(shí)例庫的更新維護(hù)，設(shè)計(jì)任務(wù)結(jié)束。系統(tǒng)推理界面如圖3所示。

4 總結(jié)

本文在研究工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上提出了基于實(shí)例推理工業(yè)機(jī)械手的智能設(shè)計(jì)方法，通過研究實(shí)例推理設(shè)計(jì)方法并且應(yīng)用該方法建立了智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模型，設(shè)計(jì)人員只需要將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入系統(tǒng)，推理機(jī)制就可以在實(shí)例庫中檢索出相似實(shí)例來完成設(shè)計(jì)。大大縮短機(jī)械手的設(shè)計(jì)時間，降低了設(shè)計(jì)成本，今后還可以借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)使得設(shè)計(jì)更加的智能化，為機(jī)械手設(shè)計(jì)提供更高效的方法，為企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]姜海濤，王秀梅.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究[J].民營科技，2017.07.

[2]崔凱.基于CBR的發(fā)動機(jī)智能設(shè)計(jì)的研究[D].山東大學(xué)2012.

[3]金超寧，陳堅(jiān)強(qiáng)，許瑛.自動制孔系統(tǒng)智能設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015.（6）：238-240.

[4]王珂.支持快速設(shè)計(jì)的技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京航空航天大學(xué)，2007.