基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統

鐘宏偉，于亮，張耀勻，蘇保強，袁珊珊

(國網北京市電力公司客戶服務中心，北京 100078)

0 引言

目前，機器人已經大量進入人們的生活，如商場、營業廳、銀行等場合都會看到智能機器人，它具有導航、業務辦理等功能，可簡化業務辦理步驟，提升辦理速度。與此同時，在居民家里，機器人可以幫助人們掃地、洗碗等，而工業機器人可以抓取工件、上料、放料等，機器人時代已經到來。其中，流程機器人(RPA)為一種軟件機器人，主要通過模仿用戶的手動操作方式，實現計算機桌面業務流程與工作流程的自動化。機器人流程自動化通常部署在企業中，能夠給企業帶來更高的運營效率，提升業務辦理速度，給員工節約更多的時間。然而流程機器人在實現工作流程自動化過程中，由于日常維護不到位、硬件更新不及時等原因造成流程機器人自動化水平較低，為此國內的專家學者們展開了相關的研究[1-2]。

李輝[3]設計了一種基于視覺技術的工業機器人焊牌流程全自動控制系統。該系統采用Modbus-TCP協議，通過碼垛機器人將待貼牌產品從倉庫中取出并輸送到產品運輸流水線，視覺系統采集產品運輸流水線中產品的焊縫和焊點信息等傳輸至主控PLC向工業機器人下達標牌抓取命令和焊接命令，實現自動化焊牌，但該系統控制精度不高。姚健康等[4]設計了一種履帶式機器人避障自動控制系統，利用超聲傳感器模塊來獲得障礙標志物與機器人的間隔信息，提出多級積分分離PID算法實現轉速控制，同時采用模糊控制算法實現避障控制，但控制效果不理想。

為解決上述問題，本文設計了一種基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統。

1 基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統硬件設計

1.1 主控模塊

在主控芯片的內部有32位的RISC處理器。該處理器指令簡單，采用硬布線控制邏輯，它采用緩存-主機-外存三層存儲結構，使取數與存數指令分開執行，且不因從存儲器存取信息而放慢處理速度，具有較好的數據處理能力，可對流程機器人的自動化運行數據進行有效處理，極大地提高了流程機器人的自動化整體控制，具有功耗低、成本低等顯著優點。同時，主控芯片片內資源較為豐富，具有大量的I/O端口、SDI端口、SPI端口以及USB端口。主控模塊結構如圖1所示。

圖1 主控模塊結構圖

利用圖1中的端口實現信息交互。主控模塊在流程機器人自動化控制過程中主要完成以下任務：實現流程機器人與系統的通信；處理流程機器人在模擬過程中產生的反饋信號；對編碼器進行分析與處理；發送電機驅動信號并調整流程機器人的運行速率；檢測控制系統的局部放電情況。

主控芯片的工作原理如下：通過SDI端口采用UART模式檢測流程機器人的局部放電信息，然后利用USB接口與SPI口傳輸編碼器、傳感器產生的反饋信號，采用帶有捕獲功能的32位定時器產生電機驅動信號。驅動電機進行工作，采用片上的I/O口對主控模塊中的繼電器進行控制，接收流程機器人在自動化控制過程中產生的流程信息，并加以控制[5-6]。

1.2 電源模塊設計

整個流程機器人自動控制系統能否安全、穩定地運行，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，從而節省了系統的占用空間。在整個流程機器人自動化控制系統中，電源模塊主要由電池、電源轉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，電機驅動模塊的工作電壓為8V。該電壓轉換芯片具有較高的電壓轉換效率，在放電較快的情況下，還可以實現快速轉換。為了監測電源模塊動力鋰電池的剩余電量，采用TBV73AS62電壓傳感器進行實時監測；控制電路的核心設備選用TI公司的MGR固態繼電器，可以實時監測與控制流程機器人的業務流程辦理。電源模塊具有信息轉換功能，通過轉換可提高電壓的使用率，確保系統的各個模塊都能獲得工作電壓[7-8]。

1.3 電機驅動模塊

為了對直流電機進行有效控制，本文采用半導體功率器件進行驅動。大部分的直流電機驅動方式為開關驅動，其中PWM脈寬調整最為常見，這種電機驅動方式較為簡單、方便。在流程機器人進行自動化運行過程中，直流電機的脈寬調制方式可提高計算機對流程機器人的響應速度，降低電機的功率損耗，增大電機轉速，減少了靜摩擦力對直流電機產生的負載，使流程機器人的自動化控制水平升高[9]。直流電機的集成芯片選用SGS公司生產的L298，該集成芯片內部含有1個橋式驅動器，可驅動電壓為54V、電流為4A的電機，內部含有4通道邏輯驅動電路，可將邏輯電平信號轉換為低電平信號，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[10-12]。

1.4 單片機模塊設計

控制系統的單片機采用ATmega128單片機，如圖3所示。

圖3 ATmega128單片機

根據圖3可知，單片機采用AVR RISCC結構，該款單片機指令集較為先進，執行速度快。可為流程機器人在進行指令傳輸時提供數據基礎，單片機內部具有256KB的可編程Flash，通過非易失性程序可協助流程機器人進行自動化作業。此外，該款單片機還具有數據存儲器，可存儲流程機器人的控制數據，具有8KB的E2PROM壽命，可快速燒寫流程機器人的自動化控制程序，優化片內存儲空間[13]。

2 基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統軟件設計

在本文設計的流程機器人自動控制系統中，可利用人工智能技術實現人機交互與目標內容的識別。由流程機器人執行已默認設置的自動化控制流程，根據對目標內容的識別結果生成一套流程，人工智能技術根據其智能化理論來完善流程機器人的自動化作業流程。基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統軟件流程如圖4所示。

圖4 基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統軟件流程

首先，對控制系統進行初始化操作。對硬件系統中的主控程序、單片機，電源中的I/O端口、定時器、寄存器、各種串口進行初始化。初始化后，主控程序進入while循環模式，并等待系統發送控制指令，控制系統根據流程機器人的執行狀態發送控制指令，主控程序接收指令并響應，根據控制指令內容單片機識別目標任務，分段執行全部的指令。通過應用人工智能技術，可以有效地接收流程機器人在自動化控制過程中產生的流程信息，并對其進行控制，從而提高流程機器人的整體控制能力。利用人工智能技術模擬預設的作業任務，單片機對流程機器人的模擬速度進行分解，計算出此時直流電機的轉速，計算公式為

(1)

式中：v表示直流電機的轉速；P表示直流電機的額定功率；μ表示摩擦系數；m表示直流電機的質量；g表示直流電機的轉矩；a表示直流電機的額定轉速。

然后，根據計算出的直流電機轉速，流程機器人執行自動程序代碼，在上位機的控制下完成移動、蔽障、執行任務等。控制指令接收完畢后由主控程序進行校驗，如果準確，則利用人工智能技術設定一套智能化作業流程，并保存控制系統發送的控制指令，流程機器人按照人工智能技術預設的作業流程識別目標內容，通過指令將自動化與智能化相結合，在論域內采用分段控制方式執行自動化作業流程。如果自動化作業流程與原始流程偏差較大，則采用純比例控制方式進行調試，使偏差短時間內最小化，從而提高流程機器人的運行效果，并通過人工智能技術提升流程機器人的整體控制水平，此時流程機器人的執行效率F可表示為

(2)

式中：λ表示流程機器人對目標流程的識別量；i表示通過人工智能技術預設的流程量；Fi表示在i流程內容時流程機器人的執行效率。

最后，通過系統軟件的網絡通信、數據存儲、數據處理功能實現流程機器人的自動控制。系統軟件通過人工智能技術與互聯網通信技術，將設置好的企業自動作業流程傳送至流程機器人上，使流程機器人執行智能化作業流程，并對其進行控制。通過主控程序處理流程機器人的執行狀態信息，顯示當前流程機器人的執行速度與電源模塊的電壓數值，此時電壓U為

(3)

式中：Pj表示系統功率；I表示電源電流。通過以上步驟可實現流程機器人的自動控制[14-15]。

3 實驗研究

為了驗證本文提出的基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統的有效性，選用傳統的基于視覺技術的工業機器人焊牌流程全自動控制系統和履帶式機器人避障自動控制系統進行實驗對比。

對機器人的運行路徑進行智能跟蹤，為增強實驗的有效性，本文選用的流程機器人運動路徑為圓形，機器人的運行軌跡如圖5所示。

圖5 機器人運行軌跡

根據圖5可知，流程機器人的運行路徑為兩個圓形，每個圓形的半徑為15m，機器人在標準狀態下運行的線速度應該為0.3m/s，運行的角速度應該為0.4rad/s。同時選用3種控制系統對流程機器人進行控制，分析流程機器人運行過程產生的x方向、y方向運行偏差結果以及角度運行偏差，結果分別記錄為Δx、Δy和Δα。機器人向標準路徑內部運行記錄為負值偏差，機器人向標準路徑外部運行記錄為正值偏差。

得到的x方向運行偏差控制結果如圖6所示。

圖6 x方向姿態偏差控制結果

根據統計結果可知，流程機器人在x方向的運行偏差在±4m之間。觀察圖6可以清晰地看出，本文提出的自動控制系統對流程機器人x方向姿態控制有極好的控制能力，其他兩種傳統控制系統雖然具備一定的控制能力，但機器人整體運行狀態較差，偏差范圍較廣。基于視覺技術的工業機器人焊牌流程全自動控制系統在前期對正方向的偏差控制能力較強，但后期較差，而履帶式機器人避障自動控制系統雖然在后期控制能力相對較好，但前期控制能力基本沒有，無法應用到實際控制工作中。基于機器人運行過程時會出現的偏差問題，本系統具有自動調試功能。這種偏差應控制在允許范圍內，否則將啟動自動控制系統，自動校正姿態偏差，從而提高了流程機器人的控制能力。因此，本文提出的控制系統可以有效確保流程機器人的偏差在-1.2～1m之間，尤其是隨著控制時間的增加，本文提出的控制系統控制能力更強，機器人在負方向出現的偏差極小，基本可以忽略不計。

得到的y方向運行偏差控制結果如圖7所示。

圖7 y方向姿態偏差控制結果

根據統計結果可知，流程機器人在y方向產生的偏差要相對較小，穩定在±2m之間。由圖7可知，在對y方向姿態偏差進行控制的過程中，履帶式機器人避障自動控制系統基本不具有控制能力，控制效果極差，而基于視覺技術的工業機器人焊牌流程全自動控制系統雖然具備一定的控制能力，但對于大范圍波動仍然難以實現控制，導致負方向的最大偏差可以達到-1.6m。本文提出的控制系統能夠確保流程機器人的偏差在-0.5～0.5m之間，控制能力極強。這是由于本文所研究的控制系統引入了人工智能技術，系統通過對機器人當前的坐標和角度進行分析，然后對其狀態作出判斷，從人工角度分析數據，所以當發現流程機器人出現偏差，可以及時地采取控制方案，當機器人的偏角以及坐標偏差都在一定范圍內時(系統認為可允許范圍內)，不做任何調試；否則可根據偏角、坐標偏差的大小，控制機器人進行調試，確保控制效果。

對流程機器人角度偏差進行控制，為保證實驗的公平性，本文進行了10次角度控制，控制結果如表1所示。

表1 控制角度實驗結果

分析表1可知，本文提出的控制系統在10次實驗中，航向角偏差在-0.25～0.2rad之間，而傳統的基于履帶式機器人避障自動控制系統設計航向角偏差在-0.8～0.9rad，基于視覺技術的工業機器人焊牌流程全自動控制系統的控制偏差在-2.3～2.6rad之間。相比較于傳統的控制系統，本文提出的控制系統具有極強的角度控制能力，減少流程機器人的角度偏差，保證方向正確。

4 結語

針對傳統流程機器人自動控制系統存在的控制精度低、效果不理想等問題，本文設計了基于人工智能技術的流程機器人自動控制系統，使流程機器人能夠高效地執行預設的自動作業流程，實現了機器人流程自動化和智能化控制。系統具有較好的穩定性與可靠性，對流程機器人的發展具有重要意義。但本文系統沒有設計具體的采集模塊來采集流程機器人的執行數據，在下一次的研究中，將增設采集模塊，以提高自動控制效果。