基于免疫模糊的机器人焊缝跟踪系统智能控制

２ ｆ（ ｐ ｔ ｉ Ｐ ）ａ ｄ（ｎ ｕ２ｉ ＮＢ ｈ ｎ ）Ｉ ｉ ｕ ｌ ｓ Ｂ ｎ ｉｐ ｔ ｓ ）ｔｅ ｎ
（ｕｐ ｔ ｉＺ ； ｏ ｔｕ ｌ ｓ ）
（） ｌ 一ｌ （（ — ，Ｓ ｋ ） （） 七 ＝ｋ（ ｒ Ｓ ｋ ） （ — ） ） ５ １ ｆ Ａ （
施 焊 接 作 业 所 需 要 的 轨 迹 。为 了跟 踪 焊 缝 ，需 要 控 制 旋 转 机构 的旋 转 角度 。 这需 要 考 虑两 种 可能 ，
到随动 系统的旋转角度 ，但这个角度的变化范围 很 大 ，且 随机 性 很 强 Ｈ 。 这 就使 得 基 于 精 确 数 学
取稿日囊 ： ０ １ ． ２ ２ ｌ— ２ 基金项 且： 广西 自然科学基金资助项 目 （ 桂科 自Ｏ２２４ ７８２） 作者 简介： 李兴富 （９１ １６ 一），男 ，辽宁凌海入 ，副教授 ，研究方向为工业 自动化、电子术应用 。 第３卷 ３ 舅 期 ２１— （ ） 【５ ｏ １ ５下 ８Ｊ
．
ｔ ａ１ Ｚ － （一 Ｋ
（） ７
细 胞和 Ｂ细 胞 产 生抑 制 作 用 ，从 而抗 体 也 随 之
减 少 ，此 时为 免疫 抑制 阶段 。
＝
ｘ ｛ ｒ ［ｕｋ ］ ） ｉ 一／ Ａ （ － ｝ １ ｆ 尼
经 过 一 段 时 间 后 ，免 疫 系 统 重 新 回到 正 常 状
（） ２
而 细胞 对 Ｂ 细胞 的抑 制 作用 可 以表示 为 ： ｒ （） ２ Ｓ ｋ ） Ｓｋ— ） 尼 ｓｋ ＝ｋｆ（（ — ， （ ） Ａ （）
其 中 ： ｋ 为 细 胞 的 抑 制 因 子 ，．（ 厂
（） ３
一 ，
ｉｐ ｔ（） ｎ ｕ２２
图３ 免疫模糊算法框 架图
【６ 第３卷 ８】 ３ 第５ 期 ２１－ （ ） ０１５下
Ｉ
３ ｆ（ ｐ ｔ ｉ ＮＢ）ａ ｄ（ ｐ ｔ ｓＰ ）Ｉ ｉ ｕ １ ｓ ｎ ｎ ｉ ｕ２ｉ Ｂ）ｔｅ ｎ ｈｎ
（ｕｐ ｔ ｉ Ｚ ； ｏ ｔｕｌ ｓ ）
匐 似
焊 缝跟 踪 随动 系统 可 以看 成是一 个 自由度为 １ 的 回转 齿 轮 传 动 系统 。设 回 转 系统 对 平 衡 位 置 的 角 位移 为 ０（ ，回转体 的运 动 方程为 ： ｆ ）
ｒ ／
ｌ ‘Ｉ Ｖ ＩＩ， 、 ｌ 川Ｉ ｌ
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ｌ 一滤 光 片
使 得 基 于 精 确 数 学 模 型 的 传 统 控 制 理 论 难 以取 得 良好 的 效 果 ｎ。 另外 ，基 本 模 糊 控 制 方法 的 控 制 Ｊ 器 一 旦 研 制 完成 ，要 修 改 控 制 规 则 很 困难 ，不 像 常 规 仪 表那 样具 有 可调参 数 ，故通 用性 差 。 基 于 免疫 学 的 控制 思 想 是近 年 来继 模 糊 逻辑 、
Ｕ（ ，则 Ｓ（－ａ 就 作 为 Ｕ（－ ） （一 就 作 为 ｋ ） ｋ ａ ，４ 七 Ａ ｕ（ 。 因此 ，就 有如 下 的反馈 控 制规 律 ：
２ 基 于免疫模糊 的焊缝跟踪 ＰＤ Ｉ控制
２１ 生物免疫系统机理 ． 生 物 免 疫 机 理 可 以简 单 地 描 述 为 免 疫 应 答 过 程 ，是 抗 体 消 灭 抗 原 的 过 程 。 是 Ｔ细 胞 和 Ｂ细 胞 相互 协调 实现 的 ，其 基本 过程 如 如下 【： ５ 】 １ ）入 侵 的 抗 原 被 Ａ Ｃ （ ｎｉ ｎＰｅｅｔ ｇ Ｐ Ａ ｔ ｅ ｒ ｎｉ ｇ ｓ ｎ
为 免疫 应 答 的正反 馈调 节 和负 反馈 调节 过程 。
２２ 免疫模糊控制器设计 ． 根 据 前 述 的 免 疫 原 理 ，并 借 鉴文 献 中 的 免 疫 控 制模 型 】 ，提 出如 下假 设 ：
将 随 动 机 构 旋 转 的 角 度 ｃ， 作 为 免 疫 抗 原 ｐ ｅ （） 足 ，以随 动 系统 的输 入 电压 （） 为免疫 抗 体 。 足作 由抗原 刺 激 的来 自辅 助细 胞 的输 出为 ：
构 转 动 的 角度 为 被控 量 的 闭环 控 制 系 统 。 由机 器 人 运 动 学原 理 可 知 ，我 们 虽 然可 以通 过计 算 得
统 如 图 ｌ所 示 。置 于 焊 钜 上 的旋 转 机 构 使数 字 摄
像 头 跟 踪 焊 缝 ，获 取 焊 缝 图 像 信 息 ，传 递 给 机 器 人控 翩 系统 。机 器 人 控 制 系统 生 成 机 器 人 本 体 实
钜 末端 轴线旋 转 的角度。 表示 ｃ 旋转 方 向， ｐ的
，
１ 控 制对 象韵 分析
基 于 图 像 视 觉的 焊 接 机 器 人 焊 缝 跟 踪 随 动 系
表 示 的旋 转方 向 ， ， 示 ： 表 的旋 转 方 向。
从 控 制 的 角 度 看 ，在 跟 踪 系 统 中形 成 了一 个 以随 动 系统 的 转动 角 度 偏 差 作 为 控 制 量 ，旋 转 机
ｌ
模 型 的传统 控制 理论 难 以取很 良好 的 效果 。为 了使
匐 似
其 中 ｒ ／ ，反映 控制 效 果 。 ｌ＝ ｋ
旋 转机构快 速跟踪焊 缝方 向变化 ，而 又不发 生抖动 ， 有必 要探 求一种智能 控制方法 来控制旋 转机构 。
若 以 （） 为 偏差 ｅ（ ｋ作 ，Ｓ（ 作 为控 制输 入
（） ｈｋ 一 ｓｋ 尼 ＝ｒ （） Ｔ（） 将式 （ ） ３ 带入式 （） ２ 、（） ４ ，整理得 ：
（） ４
１ ｆ（ ｐ ｔ ｓＰ ）Ｉ ｉ ｕｌｉ Ｂ）ａｄ（ ｐ ｔ ｓＰ ）ｔｅ ｎ ｎ ｉ ｕ２ｉ Ｂ ｈ ｎ ｎ
（ｕ ｕ ｌ ｓ ） ｏ ｔ ｔ ｉ ＮＢ ； ｐ
是 机 器 人 生 成 的 规 划 轨 迹 所 带 来 的 焊 丝 轴 线 的
自转 ，另 一个 是 由 于焊 缝 轨 迹 变化 导 致 随动 机 构 绕 焊 丝 轴 线 旋 转 。 因 此 ， 随 动 机 构 旋 转 的 角 度
为 ：
仍ｎ － 讫 卿４ 仍ｎ
（） １
表 示 焊 接 过 程 中焊 钜 末 端 轴 线 的 自 表 示 焊 缝 轨 迹 变 化 导 致 随 动机 构 绕 焊
Ｃ ｌ 抗 原 提 呈 细 胞 ）分 解 成 肽 ，形 成 ＭＨ ｅｌ 一 Ｃ一Ⅱ／
肽 复合 物 ； ２ 由ＡＰ ） Ｃ将 ＭＨＣ Ⅱ／ 复合 物呈 递给 Ｔ细胞 ； 一 肽 ３ ）Ｔ细 胞识 别 ＭＨＣ 一Ⅱ／ 复 合物 后 被激 活 。 肽 激 活 信 号 首 先 传 递 给 细 胞 ，并 释 放 淋 巴 因子 ， 进 而活 化 Ｂ 细 胞 、使 Ｂ 细 胞 增殖 并 产 生 抗 体 以 消 除抗 原 ，此 时为 免疫 促 进阶 段 ； ４ ）随 着抗 原 的减 少 ， 细 胞 逐渐 被 激 活 ，对
需 要 解 决 随 动 系统 的跟 踪 控 制 问 题 。如 果 随 动 系
ｌ Ｌ 电
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统 作 为 机 器人 系统 的第 七 个 轴 ，同 时 要 求 旋 转 机
构 快 速 转 动 跟 踪 焊 缝 方 向 变 化 ，不 能 抖 动 ，这 就
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基于 免疫模糊 的机 器人焊缝跟踪 系统智 能控 制
Ａｎ ｉ ｅｌ ｇｅｎ ｎｔ ｌ ｉ ｔｃｏｎｔ ｏｌ ｅ ｈｏｄ ｏｆｒ ｒ ｍ ｔ ｏｂｏｔｓ ｅａｍ ｒ ｔ ａｃｋｉ ｙｓ ｅｍ ｓｅｄ ｏｎ ｉ ｍ ｕｎ ｆ ｚ ｎｇ ｓ ｔ ｂａ ｍ ｅ－ｕｚ ｙ
态 以保 持 免 疫 系统 的 有 效功 能 ，此时 为 免 疫 稳 定 阶段。 细胞 和 细 胞 的调 节过 程就 可 以分 别 视
一
式 中 ， ， 分别 是 比例 、积分 、微 分 系数 。
由 于 模 糊 控 制 器 具 有万 能逼 近 性 ，因 此 采 用 个 二 维 模 糊 控 制 器来 逼 近 表 征 细 胞 的 抑 制能 力的 函数 （ ｋ一 ，Ａ ｋ一 ） Ｓ（ Ｓ（ 。每 个 输入 变量
／
／
’
『 齿轮１／ ／
传动齿轮２
ｙ
图 １ 焊缝 跟踪 随动系统
一
神经网络之后发展起来的又一智能控制方法 川 ，已 经 被 应 用 在 智 能 控 制 、机 器 学 习、 故 障 检 测 、 网
络 入 侵 检测 、工 业设 计 等领域 ，并 表现 出卓 越的性 能 和 效 率 ［３ ４］ － ｏ由于 这 些原 因 ，本 文将 基 于免 疫 学 １ 的 控制 思 想 ，设 计 一 种 免 疫模 糊 控 制 器 ，它能 在 运 行 过 程 中 自动 修 改 、 完 善 和调 整 控 制 参 数 ，使 得 旋 转 机 构 快速 跟 踪 焊 缝 方 向 变 化 ， 而 又不 发 生 抖 动 ，保障 数 字摄 像机 获得 有 效 的焊 缝 本 征信 息 ， 进 而 保证 髓 动 系统 提 供 给机 器 人 的焊 缝 数据 精 度 ， 最 终保 证机 器 人跟踪 焊缝 的精度 。 其中， 转角度，
ｕｋ ＝Ｋ（一ｒ （（ ） ｕｋ— ）（） （ ） （） １ ｔ ．ｋ— ， （ ） 后 ６ ｆ Ａ Ｐ
对 应的 免疫 Ｐ Ｄ控 制模 型 如 图 ２所 示 。 Ｉ
图 ２ 免疫 Ｐ Ｄ 制 模 型 Ｉ控
控 制输 出为 ：
（） ｛一， ［ ］・ ［ ＝ １ ７ △ （一 ｝ 。１ ＋
Ａ 一 ） 一 个 非 线性 函数 ，它 表 征 细 胞 的 Ｓ 是
按 照 “ 胞 接 受 的 刺 激 越 大 ，则 抑 制 能 力 越 细 小 ”及 “ 胞 接 受 的刺 激 越 小 ，则 抑 制 能 力越 大 ” 细 的 原则 ，可 制 定 以下 四条模 糊规 则 ：