基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)

鐘宏偉，于亮，張耀勻，蘇保強(qiáng)，袁珊珊

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司客戶服務(wù)中心，北京 100078)

0 引言

目前，機(jī)器人已經(jīng)大量進(jìn)入人們的生活，如商場(chǎng)、營(yíng)業(yè)廳、銀行等場(chǎng)合都會(huì)看到智能機(jī)器人，它具有導(dǎo)航、業(yè)務(wù)辦理等功能，可簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)辦理步驟，提升辦理速度。與此同時(shí)，在居民家里，機(jī)器人可以幫助人們掃地、洗碗等，而工業(yè)機(jī)器人可以抓取工件、上料、放料等，機(jī)器人時(shí)代已經(jīng)到來。其中，流程機(jī)器人(RPA)為一種軟件機(jī)器人，主要通過模仿用戶的手動(dòng)操作方式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)桌面業(yè)務(wù)流程與工作流程的自動(dòng)化。機(jī)器人流程自動(dòng)化通常部署在企業(yè)中，能夠給企業(yè)帶來更高的運(yùn)營(yíng)效率，提升業(yè)務(wù)辦理速度，給員工節(jié)約更多的時(shí)間。然而流程機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)工作流程自動(dòng)化過程中，由于日常維護(hù)不到位、硬件更新不及時(shí)等原因造成流程機(jī)器人自動(dòng)化水平較低，為此國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者們展開了相關(guān)的研究[1-2]。

李輝[3]設(shè)計(jì)了一種基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Modbus-TCP協(xié)議，通過碼垛機(jī)器人將待貼牌產(chǎn)品從倉(cāng)庫(kù)中取出并輸送到產(chǎn)品運(yùn)輸流水線，視覺系統(tǒng)采集產(chǎn)品運(yùn)輸流水線中產(chǎn)品的焊縫和焊點(diǎn)信息等傳輸至主控PLC向工業(yè)機(jī)器人下達(dá)標(biāo)牌抓取命令和焊接命令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊牌，但該系統(tǒng)控制精度不高。姚健康等[4]設(shè)計(jì)了一種履帶式機(jī)器人避障自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用超聲傳感器模塊來獲得障礙標(biāo)志物與機(jī)器人的間隔信息，提出多級(jí)積分分離PID算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)避障控制，但控制效果不理想。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 主控模塊

在主控芯片的內(nèi)部有32位的RISC處理器。該處理器指令簡(jiǎn)單，采用硬布線控制邏輯，它采用緩存-主機(jī)-外存三層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，且不因從存儲(chǔ)器存取信息而放慢處理速度，具有較好的數(shù)據(jù)處理能力，可對(duì)流程機(jī)器人的自動(dòng)化運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，極大地提高了流程機(jī)器人的自動(dòng)化整體控制，具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，主控芯片片內(nèi)資源較為豐富，具有大量的I/O端口、SDI端口、SPI端口以及USB端口。主控模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主控模塊結(jié)構(gòu)圖

利用圖1中的端口實(shí)現(xiàn)信息交互。主控模塊在流程機(jī)器人自動(dòng)化控制過程中主要完成以下任務(wù)：實(shí)現(xiàn)流程機(jī)器人與系統(tǒng)的通信；處理流程機(jī)器人在模擬過程中產(chǎn)生的反饋信號(hào)；對(duì)編碼器進(jìn)行分析與處理；發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)并調(diào)整流程機(jī)器人的運(yùn)行速率；檢測(cè)控制系統(tǒng)的局部放電情況。

主控芯片的工作原理如下：通過SDI端口采用UART模式檢測(cè)流程機(jī)器人的局部放電信息，然后利用USB接口與SPI口傳輸編碼器、傳感器產(chǎn)生的反饋信號(hào)，采用帶有捕獲功能的32位定時(shí)器產(chǎn)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行工作，采用片上的I/O口對(duì)主控模塊中的繼電器進(jìn)行控制，接收流程機(jī)器人在自動(dòng)化控制過程中產(chǎn)生的流程信息，并加以控制[5-6]。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)能否安全、穩(wěn)定地運(yùn)行，在很大程度上取決于電源模塊。電源模塊一般采用多層PCB鋁基板，功率密度高，體積小，從而節(jié)省了系統(tǒng)的占用空間。在整個(gè)流程機(jī)器人自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，電源模塊主要由電池、電源轉(zhuǎn)換芯片與控制電路組成，電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

圖2中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作電壓為8V。該電壓轉(zhuǎn)換芯片具有較高的電壓轉(zhuǎn)換效率，在放電較快的情況下，還可以實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換。為了監(jiān)測(cè)電源模塊動(dòng)力鋰電池的剩余電量，采用TBV73AS62電壓傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；控制電路的核心設(shè)備選用TI公司的MGR固態(tài)繼電器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制流程機(jī)器人的業(yè)務(wù)流程辦理。電源模塊具有信息轉(zhuǎn)換功能，通過轉(zhuǎn)換可提高電壓的使用率，確保系統(tǒng)的各個(gè)模塊都能獲得工作電壓[7-8]。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

為了對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行有效控制，本文采用半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。大部分的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為開關(guān)驅(qū)動(dòng)，其中PWM脈寬調(diào)整最為常見，這種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式較為簡(jiǎn)單、方便。在流程機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化運(yùn)行過程中，直流電機(jī)的脈寬調(diào)制方式可提高計(jì)算機(jī)對(duì)流程機(jī)器人的響應(yīng)速度，降低電機(jī)的功率損耗，增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少了靜摩擦力對(duì)直流電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)載，使流程機(jī)器人的自動(dòng)化控制水平升高[9]。直流電機(jī)的集成芯片選用SGS公司生產(chǎn)的L298，該集成芯片內(nèi)部含有1個(gè)橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)電壓為54V、電流為4A的電機(jī)，內(nèi)部含有4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可將邏輯電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平信號(hào)，其引腳3為邏輯供電電壓，引腳2、引腳6為輸出端，其中引腳6可以控制直流電機(jī)[10-12]。

1.4 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的單片機(jī)采用ATmega128單片機(jī)，如圖3所示。

圖3 ATmega128單片機(jī)

根據(jù)圖3可知，單片機(jī)采用AVR RISCC結(jié)構(gòu)，該款單片機(jī)指令集較為先進(jìn)，執(zhí)行速度快?？蔀榱鞒虣C(jī)器人在進(jìn)行指令傳輸時(shí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，單片機(jī)內(nèi)部具有256KB的可編程Flash，通過非易失性程序可協(xié)助流程機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。此外，該款單片機(jī)還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)流程機(jī)器人的控制數(shù)據(jù)，具有8KB的E2PROM壽命，可快速燒寫流程機(jī)器人的自動(dòng)化控制程序，優(yōu)化片內(nèi)存儲(chǔ)空間[13]。

2 基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)中，可利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互與目標(biāo)內(nèi)容的識(shí)別。由流程機(jī)器人執(zhí)行已默認(rèn)設(shè)置的自動(dòng)化控制流程，根據(jù)對(duì)目標(biāo)內(nèi)容的識(shí)別結(jié)果生成一套流程，人工智能技術(shù)根據(jù)其智能化理論來完善流程機(jī)器人的自動(dòng)化作業(yè)流程?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件流程

首先，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作。對(duì)硬件系統(tǒng)中的主控程序、單片機(jī)，電源中的I/O端口、定時(shí)器、寄存器、各種串口進(jìn)行初始化。初始化后，主控程序進(jìn)入while循環(huán)模式，并等待系統(tǒng)發(fā)送控制指令，控制系統(tǒng)根據(jù)流程機(jī)器人的執(zhí)行狀態(tài)發(fā)送控制指令，主控程序接收指令并響應(yīng)，根據(jù)控制指令內(nèi)容單片機(jī)識(shí)別目標(biāo)任務(wù)，分段執(zhí)行全部的指令。通過應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以有效地接收流程機(jī)器人在自動(dòng)化控制過程中產(chǎn)生的流程信息，并對(duì)其進(jìn)行控制，從而提高流程機(jī)器人的整體控制能力。利用人工智能技術(shù)模擬預(yù)設(shè)的作業(yè)任務(wù)，單片機(jī)對(duì)流程機(jī)器人的模擬速度進(jìn)行分解，計(jì)算出此時(shí)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

(1)

式中：v表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速；P表示直流電機(jī)的額定功率；μ表示摩擦系數(shù)；m表示直流電機(jī)的質(zhì)量；g表示直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩；a表示直流電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。

然后，根據(jù)計(jì)算出的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，流程機(jī)器人執(zhí)行自動(dòng)程序代碼，在上位機(jī)的控制下完成移動(dòng)、蔽障、執(zhí)行任務(wù)等?？刂浦噶罱邮胀戤吅笥芍骺爻绦蜻M(jìn)行校驗(yàn)，如果準(zhǔn)確，則利用人工智能技術(shù)設(shè)定一套智能化作業(yè)流程，并保存控制系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，流程機(jī)器人按照人工智能技術(shù)預(yù)設(shè)的作業(yè)流程識(shí)別目標(biāo)內(nèi)容，通過指令將自動(dòng)化與智能化相結(jié)合，在論域內(nèi)采用分段控制方式執(zhí)行自動(dòng)化作業(yè)流程。如果自動(dòng)化作業(yè)流程與原始流程偏差較大，則采用純比例控制方式進(jìn)行調(diào)試，使偏差短時(shí)間內(nèi)最小化，從而提高流程機(jī)器人的運(yùn)行效果，并通過人工智能技術(shù)提升流程機(jī)器人的整體控制水平，此時(shí)流程機(jī)器人的執(zhí)行效率F可表示為

(2)

式中：λ表示流程機(jī)器人對(duì)目標(biāo)流程的識(shí)別量；i表示通過人工智能技術(shù)預(yù)設(shè)的流程量；Fi表示在i流程內(nèi)容時(shí)流程機(jī)器人的執(zhí)行效率。

最后，通過系統(tǒng)軟件的網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)流程機(jī)器人的自動(dòng)控制。系統(tǒng)軟件通過人工智能技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，將設(shè)置好的企業(yè)自動(dòng)作業(yè)流程傳送至流程機(jī)器人上，使流程機(jī)器人執(zhí)行智能化作業(yè)流程，并對(duì)其進(jìn)行控制。通過主控程序處理流程機(jī)器人的執(zhí)行狀態(tài)信息，顯示當(dāng)前流程機(jī)器人的執(zhí)行速度與電源模塊的電壓數(shù)值，此時(shí)電壓U為

(3)

式中：Pj表示系統(tǒng)功率；I表示電源電流。通過以上步驟可實(shí)現(xiàn)流程機(jī)器人的自動(dòng)控制[14-15]。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性，選用傳統(tǒng)的基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動(dòng)控制系統(tǒng)和履帶式機(jī)器人避障自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行路徑進(jìn)行智能跟蹤，為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的有效性，本文選用的流程機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑為圓形，機(jī)器人的運(yùn)行軌跡如圖5所示。

圖5 機(jī)器人運(yùn)行軌跡

根據(jù)圖5可知，流程機(jī)器人的運(yùn)行路徑為兩個(gè)圓形，每個(gè)圓形的半徑為15m，機(jī)器人在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下運(yùn)行的線速度應(yīng)該為0.3m/s，運(yùn)行的角速度應(yīng)該為0.4rad/s。同時(shí)選用3種控制系統(tǒng)對(duì)流程機(jī)器人進(jìn)行控制，分析流程機(jī)器人運(yùn)行過程產(chǎn)生的x方向、y方向運(yùn)行偏差結(jié)果以及角度運(yùn)行偏差，結(jié)果分別記錄為Δx、Δy和Δα。機(jī)器人向標(biāo)準(zhǔn)路徑內(nèi)部運(yùn)行記錄為負(fù)值偏差，機(jī)器人向標(biāo)準(zhǔn)路徑外部運(yùn)行記錄為正值偏差。

得到的x方向運(yùn)行偏差控制結(jié)果如圖6所示。

圖6 x方向姿態(tài)偏差控制結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，流程機(jī)器人在x方向的運(yùn)行偏差在±4m之間。觀察圖6可以清晰地看出，本文提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)流程機(jī)器人x方向姿態(tài)控制有極好的控制能力，其他兩種傳統(tǒng)控制系統(tǒng)雖然具備一定的控制能力，但機(jī)器人整體運(yùn)行狀態(tài)較差，偏差范圍較廣?；谝曈X技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動(dòng)控制系統(tǒng)在前期對(duì)正方向的偏差控制能力較強(qiáng)，但后期較差，而履帶式機(jī)器人避障自動(dòng)控制系統(tǒng)雖然在后期控制能力相對(duì)較好，但前期控制能力基本沒有，無法應(yīng)用到實(shí)際控制工作中。基于機(jī)器人運(yùn)行過程時(shí)會(huì)出現(xiàn)的偏差問題，本系統(tǒng)具有自動(dòng)調(diào)試功能。這種偏差應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，否則將啟動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)校正姿態(tài)偏差，從而提高了流程機(jī)器人的控制能力。因此，本文提出的控制系統(tǒng)可以有效確保流程機(jī)器人的偏差在-1.2～1m之間，尤其是隨著控制時(shí)間的增加，本文提出的控制系統(tǒng)控制能力更強(qiáng)，機(jī)器人在負(fù)方向出現(xiàn)的偏差極小，基本可以忽略不計(jì)。

得到的y方向運(yùn)行偏差控制結(jié)果如圖7所示。

圖7 y方向姿態(tài)偏差控制結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，流程機(jī)器人在y方向產(chǎn)生的偏差要相對(duì)較小，穩(wěn)定在±2m之間。由圖7可知，在對(duì)y方向姿態(tài)偏差進(jìn)行控制的過程中，履帶式機(jī)器人避障自動(dòng)控制系統(tǒng)基本不具有控制能力，控制效果極差，而基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動(dòng)控制系統(tǒng)雖然具備一定的控制能力，但對(duì)于大范圍波動(dòng)仍然難以實(shí)現(xiàn)控制，導(dǎo)致負(fù)方向的最大偏差可以達(dá)到-1.6m。本文提出的控制系統(tǒng)能夠確保流程機(jī)器人的偏差在-0.5～0.5m之間，控制能力極強(qiáng)。這是由于本文所研究的控制系統(tǒng)引入了人工智能技術(shù)，系統(tǒng)通過對(duì)機(jī)器人當(dāng)前的坐標(biāo)和角度進(jìn)行分析，然后對(duì)其狀態(tài)作出判斷，從人工角度分析數(shù)據(jù)，所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)流程機(jī)器人出現(xiàn)偏差，可以及時(shí)地采取控制方案，當(dāng)機(jī)器人的偏角以及坐標(biāo)偏差都在一定范圍內(nèi)時(shí)(系統(tǒng)認(rèn)為可允許范圍內(nèi))，不做任何調(diào)試；否則可根據(jù)偏角、坐標(biāo)偏差的大小，控制機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試，確?？刂菩Ч?/p>

對(duì)流程機(jī)器人角度偏差進(jìn)行控制，為保證實(shí)驗(yàn)的公平性，本文進(jìn)行了10次角度控制，控制結(jié)果如表1所示。

表1 控制角度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分析表1可知，本文提出的控制系統(tǒng)在10次實(shí)驗(yàn)中，航向角偏差在-0.25～0.2rad之間，而傳統(tǒng)的基于履帶式機(jī)器人避障自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)航向角偏差在-0.8～0.9rad，基于視覺技術(shù)的工業(yè)機(jī)器人焊牌流程全自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制偏差在-2.3～2.6rad之間。相比較于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，本文提出的控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的角度控制能力，減少流程機(jī)器人的角度偏差，保證方向正確。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的控制精度低、效果不理想等問題，本文設(shè)計(jì)了基于人工智能技術(shù)的流程機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)，使流程機(jī)器人能夠高效地執(zhí)行預(yù)設(shè)的自動(dòng)作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人流程自動(dòng)化和智能化控制。系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)流程機(jī)器人的發(fā)展具有重要意義。但本文系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)具體的采集模塊來采集流程機(jī)器人的執(zhí)行數(shù)據(jù)，在下一次的研究中，將增設(shè)采集模塊，以提高自動(dòng)控制效果。