基于实例推理的工业机械手的智能设计方法研究

刘涛　陈永当

【摘 要】本文主要研究了基于实例推理的智能设计方法，并将其应用于工业机械手智能设计，该方法能够使机械手设计更加快速，并且可以实现知识的积累和在重用，最后以VB为主要程序设计界面及语言、SQL SERVER2008为数据库设计了系统功能模型。

【关键词】工业机械手;智能设计;实例推理;数据库

中图分类号： TP273.5 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）01-0017-002

0 引言

随着我国制造业的转型升级许多劳动密集型的企业为了提高的企业的制造能力采用工业机械手来代替人工。工业机械手是结合机械、电子、计算机等技术的高科技产品。它是一种模仿人手臂的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。主要用在工业搬运、焊接、装配和加工等工作[1]。使用工业机械手能够提高工作效率，实现生产过程自动化，改善劳动条件。

基于实例推理的工业机械手智能设计方法主要是通过构建包含有设计方案、三维模型的实例库，然后采用相似实例检索技术选取与设计任务最相近的实例，再根据设计要求进行修改相应的设计参数来完成设计。该方法为工业机械手的智能设计提供了一种新的解决方案，而且能够改善传统的设计方法周期长、成本高等缺点。

1 基于实例推理的智能设计方法

智能设计是21世纪的先进设计技术，是CAD技术的重要组成部分，是实现产品创新的重要支撑手段。智能设计模拟人类设计思维，对设计知识进行处理来实现对设计过程的交互式决策支持[2]。目前形成了一些比较成熟的智能设计方法有：基于原型的智能设计、基于规则的智能设计、基于实例推理的智能设计方法等。

本文采用基于实例的推理（Case-based Reasoning，CBR）的智能设计方法，它主要是利用过去成功的实例和设计经验知识来解决新的设计问题。其中CBR设计方法的“R4”循环作为最经典的框架，包含实例描述、检索、修正和维护四个关键步骤，其中实例的检索是该方法的核心，主要是从实例库中检索出相似的实例，因此能够快速准确的检索出相似度最高的实例是解决问题中最重要的一步;实例描述是将已有的实例知识进行表达出来方便知识的获取;实例修正是将检索出来的实例按照设计要求进行修正;实例维护就是将新的实例存储进实例库扩大知识库的实例存储，从而提高实例的检索相似度[2]。

2 工业机械手智能设计方法

目前国内外对于机械手的设计主要是设计者依靠设计经验修改原有产品或者重新进行设计来完成，知识的重用性和继承性不高。所以采用智能设计方法可以改善传统设计模式缺点从而提高的企业的设计能力，加快的设计过程。

2.1 智能设计系统总体结构

实例推理设计是应用已有成熟的实例与新的设计问题进行比较，检索出相似度最高的实例，再按照设计要求进行修改、调整从而解决现有设计问题。工业机械手智能设计框架如图1所示：

首先设计人员通过人机交互的界面输入设计问题的相关设计参数，根据所要设计的问题利用实例检索技术在机械手的实例库中进行相似的实例检索。一般情况下检索出的都是与设计问题比较相似的实例，然后根据设计要求对相似实例进行修正设计，对修正后实例进行评价满足要求后通过人机界面将该实例输出，并且将其存储在实例库中;如果经过在实例库中检索没有找到符合当前问题相似的实例，或者检索到的目标实例经过修正后仍然不满足当前设计要求，这时就需要借助其他方法自主设计来对问题进行求解，从而出现新的设计实例。然后对新实例进行评价直到满足要求后将其存储并输出。随着设计的实例越来越多实例库不断完善，在进行检索时就会有更多的相似实例，从而问题的解决也会更加的准确和高效。

2.2 机械手实例库模块

机械手由机械结构、控制系统和动力系统组成，其中机械结构包含机座、机械手臂、腕部和末端执行器四大部分。在进行设计之前需要建立实例库，主要将企业、设计机构等已有的成功的设计案例存储在实例库中以便系统检索，实例数据库中储存现有设计实例的设计技术参数、零件数据、总装配的数据、零件模型文件、产品设计说明文档等。根据知识的形式不同采用不同的形式进行存储。实例信息数据表主要是通过关系映射来控制各层数据表之间的父子关系，产品与零件之间的关系是用主键等约束来完成控制，用这种模式有利于产品结构树的建立和查询[3]。

工业机械手在设计时每个部件都会有其特定的性能和功能参数，将所有零件文档、技术参数信息分别归类整理，利用数据库技术建立相应的数据表格将其使用进行存放，然后将机械手的所有实例知识通过关键字互相关联起来，存储在SQLSERVER数据库中，在设计过程中进行使用。实例部分表格如图2所示：

2.3 实例推理检索模块

推理模块是智能设计系统的重要组成部分，机械手智能设计系统采用了基于实例的推理方式。根据用户输入的设计参数要求，检索出实例库中与问题相近似的实例。实例推理采用的是最邻近检索法（K-NN）， 指分别计算当前问题特征参数与实例库中源实例特征参数之间的距离，从而确定两者之间的相似度，并将相似度最高的一些实例提供给设计者以供参考和重用[4]。设计目标实例用X来表示，C表示实例库中的实例，则X和C之间的空间距离用Dis（X，C）来表示，相似度用Sim（X，C）来表示，则两者满足以下关系：Sim（X，C）=1- Dis（X，C），空间距离根据以下公式计算：

其中Cij表示第i个实例Ci的第j个属性或特征项;Xj表示目標实例X的第j个属性或特征项，其C表示相同的实例属性或特征项;ωi表示实例的第j个属性或特征项所分配的检索权重[2]。

3 机械手智能设计系统功能模型

机械手智能设计系统主要包含人机界面、实例库模块、实例推理模块、实例修改、实例维护等模块，系统模型通过Visual Basic 6.0为软件开发工具，基于SQL SERVER 2008建立知识实例库，采用ODBC和ADO为实例库和数据库的接口进行数据访问，机械手智能设计系统主要是运用实例推理检索方法进行相似方案检索，并对实例进行适当的修改，确定满足要求后保存并输出为新实例。

首先将需要设计的工业机械手的自由度、工作半径、额定负载等主要基本技术参数和特征参数输入到推理界面，可以不输入全部的参数，之后点击推理按键。推理机制将用户输入的基本技术参数作为推理机制的推理参数，然后从知识库、实例库中读取相关参数信息，通过属性相似度的计算，筛选出相似例并且按照相似度进行排列;并将机械手实例的型号等参数显示在结果文本框中。然后根据推理结果点击下一步进行模块设计，按照机械手推理的型号对其各个部件进一步检索设计，然后根据推理结果所得实例进行下一步的实例修正，按照设计要求对实例进行修正直至满足设计要求，最后输出最终设计的结果并将新实例存储进实例库完成实例库的更新维护，设计任务结束。系统推理界面如图3所示。

4 总结

本文在研究工业机械手设计方法的基础上提出了基于实例推理工业机械手的智能设计方法，通过研究实例推理设计方法并且应用该方法建立了智能设计系统的功能模型，设计人员只需要将设计参数输入系统，推理机制就可以在实例库中检索出相似实例来完成设计。大大缩短机械手的设计时间，降低了设计成本，今后还可以借助人工智能和机器学习等先进技术使得设计更加的智能化，为机械手设计提供更高效的方法，为企业创造更大的效益。

【参考文献】

[1]姜海涛，王秀梅.工业机械手设计研究[J].民营科技，2017.07.

[2]崔凯.基于CBR的发动机智能设计的研究[D].山东大学2012.

[3]金超宁，陈坚强，许瑛.自动制孔系统智能设计专家系统的研究[J].机械设计与制造，2015.（6）：238-240.

[4]王珂.支持快速设计的技术及其应用研究[D].南京航空航天大学，2007.