陶晓明

（哈尔滨商业大学 管理学院，黑龙江 哈尔滨 150028）

0 前言

近些年国内频繁出现水下石油管道漏油、天然气管道泄漏爆炸等非常规突发事件。自动机械臂焊接堵漏在整个抢险过程中扮演着重要角色，机器人焊接臂系统比起人工焊接在突发事件的复杂环境中更具优势，也更智能。焊接机械臂目前大多应用在复杂、精密的产品加工中，国内大多数焊接机械臂都是固定的、提前规划好的轨迹，即机械臂按照固定的程序进行运动，实现产品、半成品焊接任务。但是由于抢险环境复杂，障碍物多，人员无法接近，临时突发事件多，导致了对可移动机械臂智能轨迹规划和无碰撞避障功能的要求越来越高。在这个领域已经取得了很多的研究成果。本研究应用达尔文的遗传算法模拟突发事件中的焊接轨迹[1]。

1 焊接机械臂轨迹规划设计

与各类规划算法相比，遗传算法具有快速、方便、鲁棒性强等特点，它在路径搜索方法中具有独特的优势。

（1）遗传算法代替了直接作用变量的方式，在参数集当中直接作用编码个体。这使遗传算法可以直接操作对象。

（2）搜索程序从一组解迭代到另外一组解，在群体中多个个体同时被处理，使陷入局部最优解的风险降到最低，并且并行化程序简单、易行。

（3）变潜规则采用了比确定性搜索更准确的概率变迁规则来指导搜索方向。

（4）除了适应性信息以外，遗传算法不利用其他辅助方式，对搜索空间要求低，适应性更好。

抢险过程中，焊接机械臂的工作环境是非常复杂的，且可变性高、突发事件多、信息不对。一般的控制方法已经不能满足需要，大多数智能控制方法在焊接机械臂自主学习能力的方面都有着局限性，因此遗传算法作为一种新的方法被积极应用，遗传算法流程如图1所示。

图1 遗传算法流程框图

1.1 分析模型构建

在焊接抢险过程中，焊接机械臂要自主地避开路径中的障碍物，到达要焊接的漏点上方（见图2），进行预订焊接补漏。机械臂上装有红外传感器，可以提前准确地感知障碍物的位置、大小和距离。

图2 机械臂避障焊接简化示意

首先，设定焊接机械臂躲避障碍物达到指定漏点位置上方。假设机械臂和漏点位置之间仅有一个障碍物，机械臂关节参数如图3所示。

图中机械臂上臂为L1，下臂为L2，长均为50 cm。由图3中的几何关系可得到x、y和θ1、θ2的关系

图3 空间模型

在机械臂的轨迹规划过程中，对于障碍物的位置，将其划分为三种情况：L0>L1+L2；L0

a.情况一。当机械臂的上臂和下臂之和小于障碍物到原点距离时，机械臂做任何运动都碰不到障碍物，此时机械臂轨迹规划无需考虑避障，直接按最短路径原则运动。

b.情况二。当机械臂的上臂大于障碍物到原点距离时，机械臂不能自主的让开障碍物，此时报警系统会自动启动。

c.情况三。假设L1

1.2 焊接机械臂轨迹规划设计

（1）两个插值点的横坐标和纵坐标值为xi、yi，把染色体编码成一组二进制数，设染色体代码长度为40。

（2）利用下式对上述二进制编码进行解码。

式中 i=1，2，…；B为二进制代码；Max为十进制最大值；Min为十进制最小值。

（3）考虑机械臂下臂的执行器的速度和耗能方面的问题，假定适应度为该机械臂两关节角度变化之和的倒数。

式中 μ=0.5。

式中 θi（1）为第i步关节角1的度数。

式中 T1、T2分别为 θ1、θ2转动的角度。

适应度函数为

（4）构造遗传算子假设：交叉概率为0.35、变异概率为0.005 3。

（5）构造运行参数假设：种群数量为120、终止进化为500代。

运用遗传算法迭代出两个最优的插值点之后，通过Hermit三次插值方法来描述曲线[3]

3 仿真验证

图4为在Java环境下模拟的焊接机械臂的二维工作环境，实验中所获得数据的差值曲线和插值点均能满足焊接封堵的实际要求，实验证实迭代得到的轨迹曲线是有效可行的，算法满足要求。从多次试验的数据观察出插值法仿真得到的曲线斜率没有保持一致性，出现了少量性能不高的结果，该遗传算法还需进一步改进。

图4 遗传迭代结果

图5为第5代、第100代、第500代遗传算法迭代出的轨迹，轨迹逐渐接近较优解，如图6所示。

图5 几代间比较

4 结论

根据焊接机械臂在非常规突发事件的工作环境中的运动特点，在对焊接机械臂避障运动中的轨迹规划中，运用遗传算法，优化出一条无碰撞的路径。运用JAVA仿真平台模拟出虚拟抢险环境，对焊接机械臂的轨迹进行仿真。通过虚拟环境仿真得到相应的数据结果和曲线，证实了遗传算法在计算运动轨迹中的快速、准确的优点。

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[1]徐向荣，马香峰.机器人运动轨迹规划与算法[J].机器人，1988，2（6）：18-25.

[2]陈伟华，张 铁.喷涂机器人连续直线轨迹规划的研究[J].机械设计与制造，2009（8）：59-64

[3]陕军峰，鱼海翔，朱学军.机器人码垛离线仿真与远程控制技术研究[J].组合机床与自动化加工技术，2011（4）：70-73.