基于人工智能的計算機離線編程系統(tǒng)研究

關(guān)鍵詞：人工智能；機器人；離線編程

人工智能是一種能夠模擬、延伸和擴展人類智能的技術(shù)，涵蓋了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、深度學(xué)習(xí)等多樣的理論與技術(shù)，旨在通過算法和模型賦予計算機理解、學(xué)習(xí)、推理和自我適應(yīng)的能力，以期達(dá)到與人類智能相當(dāng)?shù)乃絒1]。近年來，人工智能技術(shù)在計算機科學(xué)領(lǐng)域取得顯著進步，尤其在離線編程技術(shù)方面。隨著算法優(yōu)化和計算能力提升，人工智能處理復(fù)雜問題和自動化任務(wù)的能力增強。在離線編程領(lǐng)域，人工智能已應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及智能系統(tǒng)開發(fā)，提高編程效率和系統(tǒng)智能化水平。利用人工智能技術(shù)，開發(fā)者能高效編寫和調(diào)試代碼，實現(xiàn)復(fù)雜智能程序功能，推動計算機科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展。因此，人工智能的研究不僅需要技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，也需要跨學(xué)科的深度協(xié)作和社會的廣泛參與，以確保全面而謹(jǐn)慎地應(yīng)對這些復(fù)雜挑戰(zhàn)。

1 人工智能的計算機離線編程系統(tǒng)開發(fā)現(xiàn)狀

近年來，人工智能機器人離線編程系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在工業(yè)領(lǐng)域取得了一定的應(yīng)用，且能在一定范圍內(nèi)滿足現(xiàn)代工業(yè)需求，然而，現(xiàn)有系統(tǒng)在用戶友好性、操作效率和智能化程度等方面仍存在不足。當(dāng)前系統(tǒng)在用戶友好性設(shè)計上存在不足，操作流程復(fù)雜，非專業(yè)人員往往難以迅速熟練操作，更無法與日常使用的語言信息應(yīng)用實現(xiàn)無縫集成。此外，以D-H方法為例，例如，傳統(tǒng)的 D-H 方法在解決運動學(xué)逆解問題時，計算復(fù)雜度高，且需要用戶具備一定的專業(yè)知識才能進行參數(shù)調(diào)整，限制了系統(tǒng)的易用性和效率。

2 計算機離線編程系統(tǒng)設(shè)計

2.1 離線編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本離線編程系統(tǒng)著重優(yōu)化操作簡易度與適應(yīng)性，以確保初級用戶也能迅速掌握并有效實施。該體系構(gòu)建了三個關(guān)鍵模塊：路徑規(guī)劃、運動仿真及弧焊管理。

路徑規(guī)劃模塊精確識別焊接對象的路徑，并將其無間斷地轉(zhuǎn)化為機器人可理解的指令序列，從而實現(xiàn)編程自動化[2]。例如，在制造中，路徑規(guī)劃模塊可以用于產(chǎn)品的三維模型，自動計算出最佳路徑。此外，模塊還能夠?qū)崟r調(diào)整路徑，以適應(yīng)不同產(chǎn)品和尺寸的變化，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

運動仿真模塊，以圖形化形式展示機器人的工作流程，明確標(biāo)識出機器人在各個階段的位置和狀態(tài)，為操作者提供全面的視覺支持。例如，機器人在裝配線上與其他機械臂的協(xié)同作業(yè)，或是與傳送帶的對接過程，都可以在仿真環(huán)境中得到驗證。

控制模塊則充當(dāng)指令傳輸與參數(shù)調(diào)控的中樞，直接與機器人的控制系統(tǒng)對接，實現(xiàn)程序遠(yuǎn)程部署及焊接參數(shù)的即時調(diào)整。同時，該模塊具備實時監(jiān)控功能，能即時反饋機器人及控制器的狀態(tài)信息，為人類與機器的交互建立了一個直觀、透明的交互平臺。如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 離線編程系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.2.1 運動仿真模塊設(shè)計

構(gòu)建的編程系統(tǒng)將專用于Windows操作系統(tǒng)，采用Visual C#作為開發(fā)工具，并集成OpenGL圖形接口進行構(gòu)建。運動仿真的模塊將遵循實時動態(tài)顯示規(guī)范，確保能清晰地展示機器人工作狀態(tài)，包括各關(guān)節(jié)運動軌跡及視角變化，以確保信息的直觀呈現(xiàn)。同時，系統(tǒng)具備實時顯示機器人位置及路徑的精確功能。機器人的動態(tài)行為基于OpenGL圖形學(xué)原理，結(jié)合機器人運動學(xué)的數(shù)學(xué)模型及路徑規(guī)劃理論進行建模。具體操作流程如圖2所示，首先利用SolidWorks 精確繪制機器人組件，設(shè)定坐標(biāo)點，隨后將這些模型轉(zhuǎn)換為STL格式，導(dǎo)入模擬環(huán)境。最后，通過一系列幾何變換運算，能夠精確模擬弧焊機器人的實際工作流程，以確保操作的精確無誤。

2.2.2 路徑規(guī)劃模塊設(shè)計

在離線編程系統(tǒng)架構(gòu)中，路徑規(guī)劃功能扮演著至關(guān)重要的核心角色。其職責(zé)在于精確地規(guī)劃并設(shè)定機器人在執(zhí)行焊接任務(wù)時所遵循的工件行進軌跡，包括每個焊接點的精確定位以及焊槍運動模式的精細(xì)調(diào)整。鑒于此，開發(fā)了全新的路徑規(guī)劃組件，其目的在于靈活適應(yīng)復(fù)雜多變的焊接任務(wù)需求，并創(chuàng)新性地融合了兩種不同的編程范式。隨后，通過代碼優(yōu)化流程，這些路徑指令被精心轉(zhuǎn)化為機器人能夠高效識別并嚴(yán)格執(zhí)行的程序代碼，從而實現(xiàn)了焊接作業(yè)的全面自動化編程。詳見圖3所示。

1） 路徑提取

弧焊機器人在處理管道等復(fù)雜焊縫時面臨挑戰(zhàn)，主要由于焊縫幾何形態(tài)的變化影響路徑控制。傳統(tǒng)的示教編程效率與高質(zhì)量焊接標(biāo)準(zhǔn)相矛盾。雖然離線編程工具可提取路徑，但焊槍工藝角度的精確控制不足。因此，提出新策略：建立焊縫的數(shù)學(xué)模型，將其分解為路徑點，并構(gòu)建特征坐標(biāo)系以自動化規(guī)劃路徑。對于焊槍姿態(tài)固定但軌跡復(fù)雜的工況，利用Au? toCAD生成DXF文件解析焊接路徑，實現(xiàn)路徑的精確離散化，以提升規(guī)劃精確性和優(yōu)化效率[3]。

2） 程序轉(zhuǎn)換

焊接作業(yè)完成后，處理焊縫路徑數(shù)據(jù)，確保機器人能夠遵循既定指令。生成的程序應(yīng)最大限度地體現(xiàn)初始規(guī)劃，并僅需進行最小限度的調(diào)整，以實現(xiàn)與機器人控制系統(tǒng)的無縫對接，從而高效地執(zhí)行各項任務(wù)。為滿足不同焊接任務(wù)的需求，該系統(tǒng)提供用戶自定義修改各類參數(shù)的靈活性，包括移動指令、速度設(shè)定、精度標(biāo)準(zhǔn)以及焊點的位置和角度等。特別重要的是，該系統(tǒng)是專為弧焊機器人量身打造，因此程序轉(zhuǎn)換模塊將深入學(xué)習(xí)并應(yīng)用RAPID語言，以確保指令執(zhí)行的精確性。

2.2.3 弧焊控制模塊設(shè)計

1） 弧焊控制系統(tǒng)平臺搭建

在已開發(fā)的離線編程系統(tǒng)基礎(chǔ)上，為工業(yè)機器人構(gòu)建了一個弧焊控制系統(tǒng)，旨在通過PC的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)操作簡化編程，同時降低操作復(fù)雜度。其硬件配置包括PC、IRB2600機器人、控制柜以及焊接電源。

為實現(xiàn)人機交互界面及數(shù)據(jù)監(jiān)控、程序傳輸、運動控制和焊接參數(shù)調(diào)整等多元功能，對PC SDK進行了深度開發(fā)。該SDK支持VisualBasic（VB） 和C#。鑒于系統(tǒng)兼容性與編程語言一致性，選擇了C#作為開發(fā)語言，并在Visual Studio平臺上構(gòu)建了弧焊控制模塊[4]。

2） 通信機制

弧焊機器人的通信機制主要包含兩種類型：一是計算機與機器人控制器的交互，二是控制器與焊接電源的溝通。前者通常利用串行通信技術(shù)或家庭環(huán)境中普遍的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。鑒于工業(yè)機器人的控制柜集成了以太網(wǎng)接口，它們選擇通過以太網(wǎng)的Socket Message方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其中計算機作為主導(dǎo)，控制器則執(zhí)行接收到的指令。

另一方面，工業(yè)機器人與焊接電源的通信是通過控制輸入/輸出（IO） 信號來實現(xiàn)對焊接過程的精確控制，其工作原理類似于開關(guān)操作。實現(xiàn)這一功能需要預(yù)先在機器人上配置IO模塊。具體來說，DSQC1030 模塊負(fù)責(zé)數(shù)字量的輸入與輸出，而DSQC1032模塊則承擔(dān)模擬量的輸入與輸出任務(wù)。這兩個IO模塊通過LAN2端口與DSQC1000主計算機單元連接，并使用EthernetIP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，以確保通信的穩(wěn)定性和一致性。

3 離線編程系統(tǒng)功能分析

3.1 焊接任務(wù)規(guī)劃

焊接任務(wù)規(guī)劃可視為一種機器人作業(yè)調(diào)度策略，核心在于根據(jù)焊接任務(wù)和焊縫特性，設(shè)定機器人的運動軌跡及焊槍操作策略。在這一過程中，運動學(xué)計算起著基礎(chǔ)性作用，它相當(dāng)于為機器人提供精確的關(guān)節(jié)控制指導(dǎo)，以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的運動行為。

運動學(xué)計算主要分為兩大部分：一是確定機器人的運動模式及適宜的工作姿態(tài)；二是反向計算，即根據(jù)期望姿態(tài)，推算出各關(guān)節(jié)的具體運動值[5]。在規(guī)劃焊接路徑和姿態(tài)調(diào)整的策略中，主要采用兩種方法。其一為自主路徑規(guī)劃，該策略依賴于計算機的高級智能和焊接知識，但目前該技術(shù)仍在持續(xù)發(fā)展中。其二為人工引導(dǎo)規(guī)劃，操作員利用經(jīng)驗指導(dǎo)計算機制定路徑，這種方法更靈活，但可能需要更多的人力投入，可能影響作業(yè)效率。

3.2 CAD 建模

CAD建模技術(shù)作為構(gòu)建離線編程系統(tǒng)的堅實基石，其在提升生產(chǎn)效率、優(yōu)化工作環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。該系統(tǒng)通過實現(xiàn)編程過程與機器人實際操作的分離，有效促進了離線編程的深入應(yīng)用。CAD建模充分利用計算機圖形學(xué)的高端工具，精心打造弧焊機器人及其工件的三維模型，并依據(jù)實際生產(chǎn)環(huán)境的精確參數(shù)，對模型間的相對位置進行科學(xué)校準(zhǔn)，從而為后續(xù)的編程和仿真任務(wù)提供了直觀且準(zhǔn)確的立體圖像依據(jù)。

當(dāng)前，在機器人建模領(lǐng)域，主要遵循三種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ǎ簶?gòu)造立體幾何表示（CSG） ，這一方法以幾何體的構(gòu)造邏輯為基礎(chǔ)，確保模型的精準(zhǔn)構(gòu)建；掃描變換表示（Sweep） ，通過模擬掃描過程生成模型，體現(xiàn)了動態(tài)建模的先進理念；以及邊界表示（B-REP） ，專注于模型邊界的精確描述，確保模型邊界的清晰無誤。

3.3 傳感器仿真

在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中，焊接質(zhì)量的掌控具有決定性影響，直接關(guān)乎產(chǎn)品的安全特性和耐久度。其中，傳感器監(jiān)控系統(tǒng)占據(jù)核心地位，涵蓋了焊縫跟蹤及熔池管理等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。焊縫跟蹤技術(shù)確保焊接設(shè)備能精確遵循預(yù)設(shè)路徑移動，而熔池監(jiān)控技術(shù)則實時檢測熔池狀況，以避免焊接缺陷的出現(xiàn)。隨著科技的演進，傳感器技術(shù)持續(xù)發(fā)展。視覺傳感器利用圖像分析實現(xiàn)焊縫的精確定位和跟蹤，激光傳感器則通過非接觸式測量提供高精度的反饋數(shù)據(jù)，顯著提升了焊接自動化程度和質(zhì)量穩(wěn)定性[6]。此外，傳感器仿真在焊接系統(tǒng)的離線編程中扮演著重要角色，使工程師能夠預(yù)測并優(yōu)化焊接過程，降低焊接故障率，提高生產(chǎn)效率，減少成本。仿真技術(shù)還能模擬各種工作環(huán)境，提升焊接過程的靈活性和適應(yīng)性?？傊?，傳感器技術(shù)的快速發(fā)展促進了焊接監(jiān)控控制的智能化和精細(xì)化，增強了焊接過程的可控性和可靠性。

9458437312db680547614b8653e8b0d0c3bec61f34fd6661248b0249d693005f3.4 圖形仿真

離線編程的顯著特征體現(xiàn)在其對非實時調(diào)試的全面支持。這一機制通過構(gòu)建的三維模型，仿真執(zhí)行整個焊接流程，包括焊接路徑的預(yù)展示以及焊槍操作的定向調(diào)整。在此過程中，進行嚴(yán)格核查，以確保機器人模型各關(guān)節(jié)動作的合理性，設(shè)計的程序能夠準(zhǔn)確實現(xiàn)預(yù)定功能。此外，離線編程以其卓越的靈活性和可擴展性著稱，能夠游刃有余地適應(yīng)各種復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境和多變的工藝需求。通過采用離線編程系統(tǒng)，工程師能夠在計算機環(huán)境中高效、便捷地對焊接程序進行修改和優(yōu)化，這一過程完全獨立于生產(chǎn)線的實際運行，避免了任何潛在的生產(chǎn)干擾。

3.5 誤差校正

在圖形模擬操作中，依賴的三維模型存在精度問題，因為實際環(huán)境中的不確定性，如工件尺寸變化、定位偏移等，都會引入誤差，影響焊接質(zhì)量。為解決此問題，采用了模型校準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)旨在提高模型與實際機器人定位和工件位置的匹配度。然而，此方法對工件尺寸不匹配或變形等問題的解決并不直接。因此，當(dāng)前研究的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是有效地校正這些誤差，這是一個重大的技術(shù)難題。

4 人工智能的計算機離線編程系統(tǒng)開發(fā)后的實現(xiàn)過程

首先，用戶需要將機器人模型、工具模型以及各種輔助虛擬模型完整地輸入系統(tǒng)中，以便構(gòu)建一個數(shù)字復(fù)制品，這個復(fù)制品能夠精確地反映操作環(huán)境的每一個細(xì)節(jié)。在這一階段，用戶需要確保所有模型的準(zhǔn)確性和完整性，以便為后續(xù)的程序執(zhí)行提供一個可靠的虛擬環(huán)境。接下來，系統(tǒng)將執(zhí)行程序驗證，這一步驟類似于權(quán)威機構(gòu)進行的規(guī)范檢查，目的是確保程序語法的正確性，避免任何可能的錯誤或疏漏。程序驗證是一個關(guān)鍵步驟，它能夠確保后續(xù)操作的順利進行。

一旦程序驗證無誤，系統(tǒng)會調(diào)用算法庫，將程序轉(zhuǎn)化為控制機器人及虛擬設(shè)備運動的精確指令。這些指令會明確指出機器人和虛擬設(shè)備應(yīng)該達(dá)到的坐標(biāo)位置，確保它們能夠按照預(yù)定的路徑和方式進行運動。隨后，這些指令和坐標(biāo)信息會被機器人接收，通過軌跡規(guī)劃模塊進行運動模擬。這一階段中，機器人和虛擬設(shè)備會進行碰撞檢測、狀態(tài)評估等復(fù)雜運算，以確保運動的準(zhǔn)確性和安全性[7]。

在模擬運動階段，系統(tǒng)會檢查每一個運動軌跡，評估機器人的狀態(tài)，確保在實際操作中不會出現(xiàn)任何意外情況。最后，如果所有模擬運動均符合預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，系統(tǒng)將依據(jù)實際使用的控制器特性進行程序的優(yōu)化。優(yōu)化的目的是提高程序的執(zhí)行效率和準(zhǔn)確性，確保機器人在實際操作中的表現(xiàn)能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。

通過通信接口，經(jīng)過優(yōu)化的詳細(xì)信息將被傳輸至控制裝置?？刂蒲b置接收到這些信息后，將負(fù)責(zé)將虛擬環(huán)境中的指令轉(zhuǎn)化為對實體機器人的精確控制信號。通過這種方式，實體機器人能夠按照預(yù)設(shè)的路徑精確執(zhí)行任務(wù)，完成各種復(fù)雜的操作。整個過程需要高度的精確性和可靠性，以確保機器人的操作既高效又安全。

5 總結(jié)

綜上所述，隨著當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)趨向?qū)I(yè)化和自動化，機械設(shè)備依賴度增加?；谌斯ぶ悄艿碾x線編程系統(tǒng)可以優(yōu)化操作流程，提高編程效率和工作效能。利用此系統(tǒng)模型，探索和開發(fā)人工智能編程系統(tǒng)，提升生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境。