基于免疫模糊的机器人焊缝跟踪系统智能控制

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 ＋
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
（） 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
李兴富，刘晓刚
Ｌ ｎ －ｕ Ｌ Ｕ Ｘｉｏ ｇ ｎ Ｉ Ｘｉｇ ｆ ． Ｉ ａ ． ａ ｇ
（ 桂林航天工业高等专科学校 ， 桂林 ５ １０ ） ４ ０ ４ 摘 要 ： 针对传统控制理论在视觉跟踪焊接机器人随动系统中难以取很良好控制效果的问题 ，提出了基 于免疫学的智能控制方法 。并运用该方法将随动系统跟踪焊缝所需的转动角度作为免疫抗原 ， 以随动系统的输入电压作为免疫抗体 ，对焊缝跟踪系统的跟踪性能进行了仿真实验 ，结果 表明 该控制方法具有良好的快速性和稳定性 ，满足随动系统快速旋 转跟踪 焊缝的要求。 关键 词 ： 机器人 ；焊缝跟踪 ；免疫模糊 ；智 能控 制 中圈 分类号 ：Ｔ ２ ； Ｐ ； Ｇ ０ 文献标识码 ：Ａ Ｐ ４Ｔ １ Ｔ ４９ ８
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『 齿轮１／ ／
传动齿轮２
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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，
【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 ）
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
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
务ｌ 訇 化 渣
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
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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 、
被 两 个模 糊 集合 模糊化 ，分 别是 “ ”（） “ 正 Ｐ 和 负”
（ ；输 出变量被 三个模糊 集合模 糊化 ，分别 是 Ｎ） “ 正”（ ） 零” （ ） “ Ｐ 、“ ｚ 和 负”（ ） Ｎ 。如图 ３ 所示 。
Ｖ （） ｌ （） ｈｋ ＝ｋｅ ｋ ￣
其 中 ｋ 为 细 胞的促 进 因子 。
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
需 要 解 决 随 动 系统 的跟 踪 控 制 问 题 。如 果 随 动 系
ｌ Ｌ 电
敢 于 傲
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容棚Ｅ 传惑器 ／
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
＼ Ｉｌ ｆｌ Ｉ －＾Ｉ ．／ ］ １ Ｕｌ ／ 、｝ ＿Ｉ ｌ 、 ／ ＜ ｝ 川 Ｉ ＼
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、电子技术应用 。 第３卷 ３ 舅 期 ２１— （ ） 【５ ｏ １ ５下 ８Ｊ
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
．
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
Ｄ ｉ１ ．９ ９ Ｊ ｉ ｎ １ ０－０ ．０ １ ５ 下 ） ２ ｏ ： ３ ６ ／ ． ｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ． （ ．５ ０ ｓ ３
பைடு நூலகம்
文章编号 ：１ ０－０ （ ０ ） （ 一 ０ ５ ４ ９ １４ ２ １ ５ 下） ０ ８ －０ ０ ３ １
０ 引言
基 于 视 觉跟 踪 的焊 接 机 器 人施 焊 作 业过 程 中 ，
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 ：
抑 制 能力 ，ｄ表 示 免疫 应 答的延 迟 时 间。 这 样 ，Ｂ细 胞接 收 的总 刺激 就是 ：
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 （
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
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 ：
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
（） 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