非常規(guī)突發(fā)事件中焊接機(jī)械臂避障軌跡規(guī)劃

陶曉明

（哈爾濱商業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028）

0 前言

近些年國內(nèi)頻繁出現(xiàn)水下石油管道漏油、天然氣管道泄漏爆炸等非常規(guī)突發(fā)事件。自動機(jī)械臂焊接堵漏在整個搶險過程中扮演著重要角色，機(jī)器人焊接臂系統(tǒng)比起人工焊接在突發(fā)事件的復(fù)雜環(huán)境中更具優(yōu)勢，也更智能。焊接機(jī)械臂目前大多應(yīng)用在復(fù)雜、精密的產(chǎn)品加工中，國內(nèi)大多數(shù)焊接機(jī)械臂都是固定的、提前規(guī)劃好的軌跡，即機(jī)械臂按照固定的程序進(jìn)行運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、半成品焊接任務(wù)。但是由于搶險環(huán)境復(fù)雜，障礙物多，人員無法接近，臨時突發(fā)事件多，導(dǎo)致了對可移動機(jī)械臂智能軌跡規(guī)劃和無碰撞避障功能的要求越來越高。在這個領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多的研究成果。本研究應(yīng)用達(dá)爾文的遺傳算法模擬突發(fā)事件中的焊接軌跡[1]。

1 焊接機(jī)械臂軌跡規(guī)劃設(shè)計

與各類規(guī)劃算法相比，遺傳算法具有快速、方便、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，它在路徑搜索方法中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

（1）遺傳算法代替了直接作用變量的方式，在參數(shù)集當(dāng)中直接作用編碼個體。這使遺傳算法可以直接操作對象。

（2）搜索程序從一組解迭代到另外一組解，在群體中多個個體同時被處理，使陷入局部最優(yōu)解的風(fēng)險降到最低，并且并行化程序簡單、易行。

（3）變潛規(guī)則采用了比確定性搜索更準(zhǔn)確的概率變遷規(guī)則來指導(dǎo)搜索方向。

（4）除了適應(yīng)性信息以外，遺傳算法不利用其他輔助方式，對搜索空間要求低，適應(yīng)性更好。

搶險過程中，焊接機(jī)械臂的工作環(huán)境是非常復(fù)雜的，且可變性高、突發(fā)事件多、信息不對。一般的控制方法已經(jīng)不能滿足需要，大多數(shù)智能控制方法在焊接機(jī)械臂自主學(xué)習(xí)能力的方面都有著局限性，因此遺傳算法作為一種新的方法被積極應(yīng)用，遺傳算法流程如圖1所示。

圖1 遺傳算法流程框圖

1.1 分析模型構(gòu)建

在焊接搶險過程中，焊接機(jī)械臂要自主地避開路徑中的障礙物，到達(dá)要焊接的漏點(diǎn)上方（見圖2），進(jìn)行預(yù)訂焊接補(bǔ)漏。機(jī)械臂上裝有紅外傳感器，可以提前準(zhǔn)確地感知障礙物的位置、大小和距離。

圖2 機(jī)械臂避障焊接簡化示意

首先，設(shè)定焊接機(jī)械臂躲避障礙物達(dá)到指定漏點(diǎn)位置上方。假設(shè)機(jī)械臂和漏點(diǎn)位置之間僅有一個障礙物，機(jī)械臂關(guān)節(jié)參數(shù)如圖3所示。

圖中機(jī)械臂上臂為L1，下臂為L2，長均為50 cm。由圖3中的幾何關(guān)系可得到x、y和θ1、θ2的關(guān)系

圖3 空間模型

在機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃過程中，對于障礙物的位置，將其劃分為三種情況：L0>L1+L2；L0

a.情況一。當(dāng)機(jī)械臂的上臂和下臂之和小于障礙物到原點(diǎn)距離時，機(jī)械臂做任何運(yùn)動都碰不到障礙物，此時機(jī)械臂軌跡規(guī)劃無需考慮避障，直接按最短路徑原則運(yùn)動。

b.情況二。當(dāng)機(jī)械臂的上臂大于障礙物到原點(diǎn)距離時，機(jī)械臂不能自主的讓開障礙物，此時報警系統(tǒng)會自動啟動。

c.情況三。假設(shè)L1

1.2 焊接機(jī)械臂軌跡規(guī)劃設(shè)計

（1）兩個插值點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)值為xi、yi，把染色體編碼成一組二進(jìn)制數(shù)，設(shè)染色體代碼長度為40。

（2）利用下式對上述二進(jìn)制編碼進(jìn)行解碼。

式中 i=1，2，…；B為二進(jìn)制代碼；Max為十進(jìn)制最大值；Min為十進(jìn)制最小值。

（3）考慮機(jī)械臂下臂的執(zhí)行器的速度和耗能方面的問題，假定適應(yīng)度為該機(jī)械臂兩關(guān)節(jié)角度變化之和的倒數(shù)。

式中 μ=0.5。

式中 θi（1）為第i步關(guān)節(jié)角1的度數(shù)。

式中 T1、T2分別為 θ1、θ2轉(zhuǎn)動的角度。

適應(yīng)度函數(shù)為

（4）構(gòu)造遺傳算子假設(shè)：交叉概率為0.35、變異概率為0.005 3。

（5）構(gòu)造運(yùn)行參數(shù)假設(shè)：種群數(shù)量為120、終止進(jìn)化為500代。

運(yùn)用遺傳算法迭代出兩個最優(yōu)的插值點(diǎn)之后，通過Hermit三次插值方法來描述曲線[3]

3 仿真驗(yàn)證

圖4為在Java環(huán)境下模擬的焊接機(jī)械臂的二維工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)中所獲得數(shù)據(jù)的差值曲線和插值點(diǎn)均能滿足焊接封堵的實(shí)際要求，實(shí)驗(yàn)證實(shí)迭代得到的軌跡曲線是有效可行的，算法滿足要求。從多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)觀察出插值法仿真得到的曲線斜率沒有保持一致性，出現(xiàn)了少量性能不高的結(jié)果，該遺傳算法還需進(jìn)一步改進(jìn)。

圖4 遺傳迭代結(jié)果

圖5為第5代、第100代、第500代遺傳算法迭代出的軌跡，軌跡逐漸接近較優(yōu)解，如圖6所示。

圖5 幾代間比較

4 結(jié)論

根據(jù)焊接機(jī)械臂在非常規(guī)突發(fā)事件的工作環(huán)境中的運(yùn)動特點(diǎn)，在對焊接機(jī)械臂避障運(yùn)動中的軌跡規(guī)劃中，運(yùn)用遺傳算法，優(yōu)化出一條無碰撞的路徑。運(yùn)用JAVA仿真平臺模擬出虛擬搶險環(huán)境，對焊接機(jī)械臂的軌跡進(jìn)行仿真。通過虛擬環(huán)境仿真得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果和曲線，證實(shí)了遺傳算法在計算運(yùn)動軌跡中的快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。

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[1]徐向榮，馬香峰.機(jī)器人運(yùn)動軌跡規(guī)劃與算法[J].機(jī)器人，1988，2（6）：18-25.

[2]陳偉華，張 鐵.噴涂機(jī)器人連續(xù)直線軌跡規(guī)劃的研究[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2009（8）：59-64

[3]陜軍峰，魚海翔，朱學(xué)軍.機(jī)器人碼垛離線仿真與遠(yuǎn)程控制技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2011（4）：70-73.