基于實例推理的工業機械手的智能設計方法研究

劉濤　陳永當

【摘 要】本文主要研究了基于實例推理的智能設計方法，并將其應用于工業機械手智能設計，該方法能夠使機械手設計更加快速，并且可以實現知識的積累和在重用，最后以VB為主要程序設計界面及語言、SQL SERVER2008為數據庫設計了系統功能模型。

【關鍵詞】工業機械手;智能設計;實例推理;數據庫

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

0 引言

隨著我國制造業的轉型升級許多勞動密集型的企業為了提高的企業的制造能力采用工業機械手來代替人工。工業機械手是結合機械、電子、計算機等技術的高科技產品。它是一種模仿人手臂的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術裝備。主要用在工業搬運、焊接、裝配和加工等工作[1]。使用工業機械手能夠提高工作效率，實現生產過程自動化，改善勞動條件。

基于實例推理的工業機械手智能設計方法主要是通過構建包含有設計方案、三維模型的實例庫，然后采用相似實例檢索技術選取與設計任務最相近的實例，再根據設計要求進行修改相應的設計參數來完成設計。該方法為工業機械手的智能設計提供了一種新的解決方案，而且能夠改善傳統的設計方法周期長、成本高等缺點。

1 基于實例推理的智能設計方法

智能設計是21世紀的先進設計技術，是CAD技術的重要組成部分，是實現產品創新的重要支撐手段。智能設計模擬人類設計思維，對設計知識進行處理來實現對設計過程的交互式決策支持[2]。目前形成了一些比較成熟的智能設計方法有：基于原型的智能設計、基于規則的智能設計、基于實例推理的智能設計方法等。

本文采用基于實例的推理（Case-based Reasoning，CBR）的智能設計方法，它主要是利用過去成功的實例和設計經驗知識來解決新的設計問題。其中CBR設計方法的“R4”循環作為最經典的框架，包含實例描述、檢索、修正和維護四個關鍵步驟，其中實例的檢索是該方法的核心，主要是從實例庫中檢索出相似的實例，因此能夠快速準確的檢索出相似度最高的實例是解決問題中最重要的一步;實例描述是將已有的實例知識進行表達出來方便知識的獲取;實例修正是將檢索出來的實例按照設計要求進行修正;實例維護就是將新的實例存儲進實例庫擴大知識庫的實例存儲，從而提高實例的檢索相似度[2]。

2 工業機械手智能設計方法

目前國內外對于機械手的設計主要是設計者依靠設計經驗修改原有產品或者重新進行設計來完成，知識的重用性和繼承性不高。所以采用智能設計方法可以改善傳統設計模式缺點從而提高的企業的設計能力，加快的設計過程。

2.1 智能設計系統總體結構

實例推理設計是應用已有成熟的實例與新的設計問題進行比較，檢索出相似度最高的實例，再按照設計要求進行修改、調整從而解決現有設計問題。工業機械手智能設計框架如圖1所示：

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

2.2 機械手實例庫模塊

機械手由機械結構、控制系統和動力系統組成，其中機械結構包含機座、機械手臂、腕部和末端執行器四大部分。在進行設計之前需要建立實例庫，主要將企業、設計機構等已有的成功的設計案例存儲在實例庫中以便系統檢索，實例數據庫中儲存現有設計實例的設計技術參數、零件數據、總裝配的數據、零件模型文件、產品設計說明文檔等。根據知識的形式不同采用不同的形式進行存儲。實例信息數據表主要是通過關系映射來控制各層數據表之間的父子關系，產品與零件之間的關系是用主鍵等約束來完成控制，用這種模式有利于產品結構樹的建立和查詢[3]。

工業機械手在設計時每個部件都會有其特定的性能和功能參數，將所有零件文檔、技術參數信息分別歸類整理，利用數據庫技術建立相應的數據表格將其使用進行存放，然后將機械手的所有實例知識通過關鍵字互相關聯起來，存儲在SQLSERVER數據庫中，在設計過程中進行使用。實例部分表格如圖2所示：

2.3 實例推理檢索模塊

推理模塊是智能設計系統的重要組成部分，機械手智能設計系統采用了基于實例的推理方式。根據用戶輸入的設計參數要求，檢索出實例庫中與問題相近似的實例。實例推理采用的是最鄰近檢索法（K-NN）， 指分別計算當前問題特征參數與實例庫中源實例特征參數之間的距離，從而確定兩者之間的相似度，并將相似度最高的一些實例提供給設計者以供參考和重用[4]。設計目標實例用X來表示，C表示實例庫中的實例，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，則兩者滿足以下關系：Sim（X，C）=1- Dis（X，C），空間距離根據以下公式計算：

其中Cij表示第i個實例Ci的第j個屬性或特征項;Xj表示目標實例X的第j個屬性或特征項，其C表示相同的實例屬性或特征項;ωi表示實例的第j個屬性或特征項所分配的檢索權重[2]。

3 機械手智能設計系統功能模型

機械手智能設計系統主要包含人機界面、實例庫模塊、實例推理模塊、實例修改、實例維護等模塊，系統模型通過Visual Basic 6.0為軟件開發工具，基于SQL SERVER 2008建立知識實例庫，采用ODBC和ADO為實例庫和數據庫的接口進行數據訪問，機械手智能設計系統主要是運用實例推理檢索方法進行相似方案檢索，并對實例進行適當的修改，確定滿足要求后保存并輸出為新實例。

首先將需要設計的工業機械手的自由度、工作半徑、額定負載等主要基本技術參數和特征參數輸入到推理界面，可以不輸入全部的參數，之后點擊推理按鍵。推理機制將用戶輸入的基本技術參數作為推理機制的推理參數，然后從知識庫、實例庫中讀取相關參數信息，通過屬性相似度的計算，篩選出相似例并且按照相似度進行排列;并將機械手實例的型號等參數顯示在結果文本框中。然后根據推理結果點擊下一步進行模塊設計，按照機械手推理的型號對其各個部件進一步檢索設計，然后根據推理結果所得實例進行下一步的實例修正，按照設計要求對實例進行修正直至滿足設計要求，最后輸出最終設計的結果并將新實例存儲進實例庫完成實例庫的更新維護，設計任務結束。系統推理界面如圖3所示。

4 總結

本文在研究工業機械手設計方法的基礎上提出了基于實例推理工業機械手的智能設計方法，通過研究實例推理設計方法并且應用該方法建立了智能設計系統的功能模型，設計人員只需要將設計參數輸入系統，推理機制就可以在實例庫中檢索出相似實例來完成設計。大大縮短機械手的設計時間，降低了設計成本，今后還可以借助人工智能和機器學習等先進技術使得設計更加的智能化，為機械手設計提供更高效的方法，為企業創造更大的效益。

【參考文獻】

[1]姜海濤，王秀梅.工業機械手設計研究[J].民營科技，2017.07.

[2]崔凱.基于CBR的發動機智能設計的研究[D].山東大學2012.

[3]金超寧，陳堅強，許瑛.自動制孔系統智能設計專家系統的研究[J].機械設計與制造，2015.（6）：238-240.

[4]王珂.支持快速設計的技術及其應用研究[D].南京航空航天大學，2007.