盧東來，鄭戰(zhàn)光

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004)

0 引言

生產(chǎn)自動(dòng)化已經(jīng)成為了當(dāng)前社會(huì)的主要生產(chǎn)動(dòng)力，近些年來不斷地對生產(chǎn)自動(dòng)化水平的研究使工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械手應(yīng)用成為了必要的應(yīng)用技術(shù)。多機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中必須具有靈活性與高效率性才能夠滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求，它能夠節(jié)省大量的人力資源與時(shí)間資源，進(jìn)而提升整個(gè)企業(yè)甚至國家的工業(yè)競爭能力。

多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)能夠運(yùn)輸更高質(zhì)量的物體，增大更廣的工作范圍，性能更加穩(wěn)定，成本低抗干擾性更好[1-3]。加拿大的相關(guān)科研人員研制出七自由度的機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，在每個(gè)機(jī)械手上裝上數(shù)據(jù)感應(yīng)器，能夠?qū)囟?、濕度、距離等進(jìn)行感應(yīng)識(shí)別，還能夠分析物體所需求力的大小，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要通過多機(jī)械手上的遙感裝置，通過工作人員對遙感裝置的控制來控制多機(jī)械手的軌跡運(yùn)動(dòng)，此系統(tǒng)能夠搬運(yùn)大重量的物體并能夠識(shí)別環(huán)境狀態(tài)，但是此系統(tǒng)的精確度較差，人工操作遙感裝置的靈敏度不足以支持多機(jī)械手參加細(xì)小零件的工作[4-5]。日本曾開發(fā)多空間的多機(jī)械手路徑規(guī)劃系統(tǒng)，從多個(gè)不同維度的空間來實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手的路徑規(guī)劃，分別在每個(gè)機(jī)械手的硬件設(shè)備中安裝有不同的軟件運(yùn)行程序與相應(yīng)的硬件感應(yīng)設(shè)備，能夠應(yīng)對地面、深海等各種環(huán)境下的任務(wù)需求，這種系統(tǒng)的機(jī)械手過于依賴軟件流程，面對突發(fā)的環(huán)境不能做出良好的應(yīng)對，智能性較差[6-7]。

為了解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題，本文提出基于深度學(xué)習(xí)對多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件及應(yīng)用程序部分，增強(qiáng)機(jī)械手的靈敏度與智能性，實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手軌跡規(guī)劃。

1 基于深度學(xué)習(xí)的多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文采用多機(jī)械手平臺(tái)構(gòu)架主要由多機(jī)械手的整體布局、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，多機(jī)械手的整體布局可以在三維空間坐標(biāo)系中進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，本文采用皮帶傳輸?shù)姆绞絺鲃?dòng)電子轉(zhuǎn)子在多機(jī)械手中的輪動(dòng)裝置中與三維空間坐標(biāo)系水平軸平行，垂直軸與地面垂直，每一個(gè)軸都具有相應(yīng)的傳動(dòng)裝置。在三維空間坐標(biāo)系中的多機(jī)械手平臺(tái)構(gòu)架具有電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，定位運(yùn)行精準(zhǔn)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)[8-10]。本文還采用高品質(zhì)拖鏈作為多機(jī)械手的信號傳輸線、電源線，拖鏈的結(jié)構(gòu)采用環(huán)節(jié)相扣型，能夠有效防止外力摩擦與線路的外力拉伸。在多機(jī)械手的末端還裝置有近端感應(yīng)器，在一定的距離內(nèi)對機(jī)械手的外表結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用，防止物理因素對機(jī)械手造成的傷害[11-13]。

機(jī)械手的電機(jī)類型有著較廣泛的選擇面，根據(jù)不同需求程度可以選擇相應(yīng)的電機(jī)型號，而本文研究的多機(jī)械手的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)主要目的是設(shè)計(jì)多機(jī)械手的軌跡規(guī)劃，因此本文選擇交流伺服電機(jī)，其控制能力強(qiáng)、精確度高，能夠控制輕便的機(jī)械手完成操作任務(wù)。本文的交流伺服電機(jī)是ISL-320型號，此型號的電機(jī)操作方便、結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)中的接口具有多樣化，能夠適應(yīng)大多類型的多機(jī)械手連接，電機(jī)外表采用抗干擾物質(zhì)合成，有效預(yù)防化學(xué)物質(zhì)的腐蝕，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包含上位機(jī)、編碼器、保護(hù)裝置以及自身電源等，電機(jī)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 ISL-320型號電機(jī)參數(shù)

多機(jī)械手的路徑規(guī)劃核心是控制芯片，控制芯片的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度決定著多機(jī)械手的路徑規(guī)劃是否合理。本文選擇BH公司生產(chǎn)的SKT64系列的芯片作為多機(jī)械手的主控芯片，此芯片的處理空間為64 G，32位操作處理器，能夠同時(shí)對560 mb的數(shù)據(jù)進(jìn)行同時(shí)閃存與處理，CPU的主頻率為64 MHz，通信端口采用通用信號，滿足所有機(jī)械手的線路接通，芯片的內(nèi)部通信模塊共設(shè)有16個(gè)，可以同時(shí)對8個(gè)機(jī)械手進(jìn)行通信傳輸與通信接收。芯片的操控中心本文采用的為人機(jī)交互模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)管理人員對機(jī)械手的交互，模塊中含有鋰電池、數(shù)據(jù)處理器、交互屏幕以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存端口等，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存端口能夠與芯片的通信模塊互相關(guān)聯(lián)，完成通信體系一體化[14-15]。如圖1所示為本文采用的人機(jī)交互模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊組成圖。

圖1 人機(jī)交互模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊組成圖

機(jī)械手的控制器操作按鈕本文采用了6×12矩陣鍵盤型號，鍵盤外表為薄膜品質(zhì)，具有質(zhì)量輕、適用于智能操作平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)且具有良好的防震性能。

2 基于深度學(xué)習(xí)的多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的程序主要是對多機(jī)械手的運(yùn)行環(huán)境做出判斷并規(guī)劃多機(jī)械手的起始至結(jié)束的合理軌跡路徑，使多機(jī)械手之間的物理硬件不產(chǎn)生碰撞與相互干擾因素。機(jī)械手的路徑規(guī)劃主要分為點(diǎn)式路徑作業(yè)與連續(xù)式路徑作業(yè)，這兩種方式的最終結(jié)果都能夠控制多機(jī)械手完成相應(yīng)的路徑避讓與目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。將通過多機(jī)械手的部分特征，基于深度學(xué)習(xí)算法對多機(jī)械手的軌跡規(guī)劃的系統(tǒng)應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。

多機(jī)械手的有效工作區(qū)域主要由機(jī)械手的橫軸、縱軸、垂直軸三部分組成，可以規(guī)劃成一個(gè)三維空間坐標(biāo)系，每個(gè)機(jī)械手的有效工作空間都是獨(dú)特的，會(huì)根據(jù)不同的工作任務(wù)而發(fā)生改變。如圖2所示為一個(gè)機(jī)械手的有效工作區(qū)范圍示例圖。

圖2 機(jī)械手的有效工作區(qū)范圍示例圖

本文首先對多機(jī)械手的點(diǎn)式規(guī)劃路徑進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)械手的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在路徑規(guī)劃的過程中的起始點(diǎn)到末位點(diǎn)的機(jī)械手動(dòng)作均可以看做是將整個(gè)線形路徑平均分割為點(diǎn)形分布，將每一個(gè)路徑點(diǎn)看做是機(jī)械手的動(dòng)作分解的組成，從路徑中的上一個(gè)點(diǎn)到下一個(gè)點(diǎn)之間的實(shí)現(xiàn)可以看做是機(jī)械手的動(dòng)作完成。當(dāng)機(jī)械手的工作路徑處于直線狀態(tài)下，機(jī)械手可以選擇曲線路徑來完成工作任務(wù)，也可以選擇直線路徑來完成工作任務(wù)，若路徑規(guī)劃的方式不是點(diǎn)式路徑規(guī)劃，機(jī)械手的路徑將會(huì)有一定幾率選擇能耗較大的曲線路徑，而在點(diǎn)式的路徑規(guī)劃中機(jī)械手的路徑將會(huì)直線完成工作任務(wù)，提升工作效率與精確度。

點(diǎn)式路徑規(guī)劃的作業(yè)路徑是由多個(gè)平均分布的機(jī)械手規(guī)劃點(diǎn)組成，能夠使機(jī)械手的工作路徑更加順暢，本文采用擬合算法對路徑程序中的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，首先對機(jī)械手需要工作的起點(diǎn)位置進(jìn)行定位定義，再控制工作路徑的結(jié)尾點(diǎn)進(jìn)行定位定義，假設(shè)在機(jī)械手的三維空間中有n個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，則應(yīng)用深度學(xué)習(xí)擬合算法進(jìn)行n次擬合計(jì)算時(shí)的表達(dá)公式為：

(1)

式中,p代表頂點(diǎn)在三維空間中的矢量位置，k代表參數(shù)系數(shù)，函數(shù)Bn(k)的表達(dá)公式如下：

(2)

式中,d代表機(jī)械手的硬件參數(shù)。將擬合算法以參數(shù)的形式表現(xiàn)出來可以使參數(shù)的曲線圖像在機(jī)械手的三維空間中具有更好的既視感，容易工作人員從機(jī)械手的低維操控逐漸過渡到高維操控，在多維空間中的矢量位置形成的空間曲線擴(kuò)展形式如圖3所示。

圖3 多維空間中的矢量位置形成的空間曲線擴(kuò)展形式圖

在空間曲線的生成程序設(shè)計(jì)中，首先在機(jī)械手的工作目標(biāo)中制定一系列軌跡坐標(biāo)點(diǎn)，工作人員能夠?qū)@些坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位與控制，利用擬合算法的表達(dá)函數(shù)代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算機(jī)械手的擬合工作點(diǎn)，并將坐標(biāo)點(diǎn)以向量的形式表現(xiàn)出來，確定適當(dāng)?shù)南蛄块L度與位置作為機(jī)械手工作路徑的必經(jīng)點(diǎn)，再控制參加函數(shù)運(yùn)算的參數(shù)從0到1之間不斷更新，計(jì)算出更加精細(xì)的坐標(biāo)點(diǎn)位置，最終通過長度較短的直線來完成曲線的連接。如圖4所示為空間曲線的生成程序流程圖。

圖4 空間曲線的生成程序流程圖

空間曲線生成程序的實(shí)現(xiàn)過程中，已經(jīng)確定的坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)目可以影響整條規(guī)劃路徑的精準(zhǔn)度，每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置都會(huì)影響整條曲線的路徑甚至多機(jī)械手的工作路徑，為了避免細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的不精準(zhǔn)所帶來的整體性規(guī)劃路徑的模糊，本文應(yīng)用疊加計(jì)算的方式增進(jìn)每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置計(jì)算。疊加計(jì)算是建立在多個(gè)相似節(jié)點(diǎn)上的，在已經(jīng)規(guī)劃好的路徑上尋找曲線中相似的坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)中曲線旁的平均分布建立一條相似的曲線重合點(diǎn)，在重合點(diǎn)中進(jìn)行重復(fù)度較高的疊加運(yùn)算，保留了已經(jīng)形成的曲線點(diǎn)同時(shí)也更新了更加適合的坐標(biāo)點(diǎn)，多機(jī)械手的操控人員可以根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同而選擇更加適合的坐標(biāo)點(diǎn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，本文設(shè)計(jì)了對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。選用matlab軟件作為試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)中的多機(jī)械手工作路徑需要具有特定的規(guī)劃順序，使實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)不變化。假設(shè)機(jī)械手在路徑規(guī)劃的過程中沿著A、B、C三點(diǎn)順序完成動(dòng)作如圖5所示，這一些列的動(dòng)作便成為路徑，系統(tǒng)的路徑規(guī)劃差異主要取決于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的角度、加速度以及在三維空間中的角坐標(biāo)。

圖5 機(jī)械手沿路徑規(guī)劃A、B、C三點(diǎn)順序動(dòng)作圖

3.2 結(jié)果討論

假設(shè)機(jī)械手A點(diǎn)位置在三維空間坐標(biāo)中的角度為25°，到達(dá)B點(diǎn)的坐標(biāo)角度需要調(diào)換至45°，機(jī)械手的工作加速度為5度/秒，不同系統(tǒng)下的機(jī)械手到達(dá)最終的點(diǎn)位軌跡會(huì)因系統(tǒng)中的運(yùn)算方式不同而改變，如圖6所示為三個(gè)機(jī)械手關(guān)節(jié)在三個(gè)點(diǎn)位變化過程中的路徑差異圖。

圖6 三個(gè)機(jī)械手關(guān)節(jié)在三個(gè)點(diǎn)位變化過程中的路徑差異圖

為了統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的時(shí)間，本實(shí)驗(yàn)將不同機(jī)械手的關(guān)節(jié)速度參數(shù)固定化，不同的操作系統(tǒng)能夠控制相同的機(jī)械手關(guān)節(jié)進(jìn)行相同時(shí)間內(nèi)的操作，處理過的關(guān)節(jié)點(diǎn)位變化路徑差異比較平均，更便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測量。三維空間中軌跡規(guī)劃主要通過矢量函數(shù)進(jìn)行導(dǎo)數(shù)求解來完成，路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)前利用矩陣算法將空間中機(jī)械手的各個(gè)節(jié)點(diǎn)列算出來，分別對機(jī)械手的節(jié)點(diǎn)輸入相關(guān)的操控程序，此時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果會(huì)有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。以七自由度的機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)及多空間的多機(jī)械手路徑規(guī)劃系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對比方法，實(shí)驗(yàn)中首先對三種系統(tǒng)下的機(jī)械手工作精準(zhǔn)度進(jìn)行比較，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下對比三維空間坐標(biāo)中的細(xì)節(jié)程度進(jìn)而獲取對比結(jié)果，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種系統(tǒng)下的三維空間路徑規(guī)劃精準(zhǔn)度對比圖

根據(jù)圖中的軌跡細(xì)節(jié)復(fù)合程度對比可知，本文系統(tǒng)下的多機(jī)械手規(guī)劃路徑具有更高的精準(zhǔn)度，而其他兩種方法下的路徑細(xì)節(jié)復(fù)合程度較差。這是由于本文采用SKT64系列的芯片作為主控芯片，能夠?yàn)楣?jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信質(zhì)量提供良好的環(huán)境，采用點(diǎn)式路徑規(guī)劃的方式使三維空間坐標(biāo)點(diǎn)的位置精確度更加明確，再利用疊加算法對節(jié)點(diǎn)中的位置坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算。

本文還在多機(jī)械手的規(guī)劃路徑中增加障礙物來表現(xiàn)多機(jī)械手的智能性，能夠躲過障礙物的機(jī)械手規(guī)劃系統(tǒng)則證明此系統(tǒng)的智能性較好，如圖8所示為三種系統(tǒng)的智能性結(jié)果對比圖。

圖8 三種系統(tǒng)下的躲避障礙物能力對比圖

由8圖可知，本文系統(tǒng)的智能性更好，能夠完全躲避障礙物的干擾，而其他兩種對比系統(tǒng)下的機(jī)械手工作路徑仍按照原有的工作路徑進(jìn)行工作。本文系統(tǒng)中應(yīng)用疊加算法對規(guī)劃路徑中的節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行二次計(jì)算，并通過實(shí)時(shí)的通信手段對計(jì)算結(jié)果上傳到控制端口，使系統(tǒng)中的操控程序可以及時(shí)改變規(guī)劃路徑。而傳統(tǒng)系統(tǒng)中的路徑規(guī)劃均為一次性計(jì)算，不能對突發(fā)事件進(jìn)行較好的處理。

由此可見，本文基于深度學(xué)習(xí)對多機(jī)械手的軌跡規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，改善了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的問題，有效提升了三維空間路徑規(guī)劃精準(zhǔn)度，躲避障礙物能力較好，說明設(shè)計(jì)的多機(jī)械手軌跡規(guī)劃系統(tǒng)具有優(yōu)異的性能。

4 結(jié)束語

對多機(jī)械手的研究已經(jīng)成為了國內(nèi)外的工業(yè)領(lǐng)域重要研究對象，但是我國的研究內(nèi)容起步較晚，相對技術(shù)落后，只對部分領(lǐng)域有所突破。本文主要針對傳統(tǒng)系統(tǒng)中精確度與智能性進(jìn)行研究與改進(jìn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件設(shè)備與規(guī)劃程序，引用高質(zhì)量芯片與擬合算法、疊加算法實(shí)現(xiàn)了本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的效果比較，通過對比三種系統(tǒng)下的精準(zhǔn)度與智能性，可以看出本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的路徑規(guī)劃精準(zhǔn)度明顯提高了，避障能力得到有效增強(qiáng)。