北航智能控制专家系统作业

专家系统在焊接机器人中的应用

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院 北京 100191）

1. 引言

机器人焊接是我国传统焊接生产现代化改造最重要的发展方向之一。焊接生产与其它机械加工方法相比，其工艺的复杂程度要大得多，焊接工艺的制定过程比较复杂，除了具有一般工艺制定规则以外，还必须配合相应的工艺实验对制定的工艺进行验证，以及一整套严格的工艺评定标准。采用机器人焊接工艺专家系统，在制定焊接工艺过程中可减少或取消工艺实验，同时结合确定的焊接机器人应用范围设计专家系统，一方面可降低专家系统的设计难度，提高应用的可靠性，同时可将专家系统直接和机器人联机使用，充分利用机器人所具有的各种性能和功能。专家系统是一个具有大量专门知识和经验的程序系统，它应用人工智能技术，根据人类焊接专家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类焊接专家的决策过程，以解决只有人类焊接专家才能解决的焊接这样的复杂问题。焊接专家系统面对的是普通使用者，在普通使用者只知道某些参数的情况下，无需专家制定焊接工艺就能得到一个完整焊接参数的焊接工艺。

2.总体设计

焊接机器人焊接专家系统是一种智能化的复杂软件系统，用到的知识量很大，不可能同时考虑周全，因此采用速成原型模型和增量式开发模型的混合模型。具体策略是:首先根据焊接机器人专家系统所要达到的目标，确定焊接所需各种数据并给出解释要求，选定知识表示方式(产生式规则表示法)和推理机制；然后根据需要和实现难易选定开发工具，根据总体焊接参数要求制作系统的人机界面及最简单的推理机和知识库；最后，调试并确定核心的正确运行方式。根据焊接参数经验公式多、容易冲突的特点，制作仲裁机的知识冲突仲裁部分。 待调试完成后再扩充知识库。扩充完毕后，制作推理机的解释部分，优化人机界面、制作与焊接机器人连接接口的模块。焊接机器人焊接专家系统的具体模型如图1 所示。

图1 焊接机器人焊接专家系统模型

专家系统由知识库，推理机，综合数据库，解释接口和知识获取等5部分组成。

（1）知识库的建立：焊接机器人专家系统采用产生式规则的表示方式。焊接工艺的制定过程比较复杂，很多是凭经验确定的，而产生式规则表示法IF THEN 语句很适合由经验得出的启发性知识的表示。

知识库的建立实际上就是专家系统里面用到的数据库结构的建立。根据一般原则，应建立综合数据库和知识2个数据库系统，但根据焊接专家系统的实际情况以及以后扩充的需要，这里将综合数据库改在制作推理机的时候和推理机同步制作。由于自然语言比较复杂，

故用内部术语代替自然语言，如用M 代替低碳钢、T9代替厚度9 毫米、J1代替对接接头 这样程序内部的表示和外部显示有了差异，因此要确定规则来转换内部表示和外部显示。但考虑到这些规则加入知识库后，第一不便于管理，第二增加推理机的复杂度，所以将这些规则分离出来，单独建立了一个用来将内部表示和外部显示联系起来的事实库。知识库也可直接用内部表示来建立。用内部表示来建立知识库，既减小了知识库的大小，也方便了知识库数据的查询。同时，将事实库和知识库分开也便于今后的扩展和维护。

（2）推理机的建立：系统采用正向推理技术，即根据焊接母材的类型、牌号、厚度和焊接接头类型，并结合相应的工艺参数如焊接方法、焊接位置等，分层次进行推理，并通过友好的图形用户界面给出系统的推理值，如用户需对数据进行调整，只需将相应的数值输入到对应的编辑框内即可，修改后的值将作为新的工艺被加入到知识库中，使知识库得到扩充。

推理机在确定推理参数的时候，如果每个参数的确定都要将知识库全部搜索一遍，势必会大大增加程序运行的时间和冗余度，不利于程序效率的提高。为知识库建立一个动作对象的索引，在搜索知识的时候，可以很快地在索引里面查找到所有对所要找的参数有影响的知识，再依次比较，看现有参数符合哪一条知识的条件，将符合条件的知识提取出来。这样既大大提高了推理机搜索知识的速度和程序运行的效率，也减少了程序运行的时间。对条件部分的核对，因为知识库是以字符方式存储的，所以对条件部分的核对也是基于字符的。若将条件全部读入推理机的一个变量当中，必然会给推理机的判断带来困难。本文的策略是:依次将条件读入3个字符变量中，以中间遇到的空格为分隔点；接着，对比第1个变量，确定它的内部表达形式所表达的焊接参数，再对比第2 个变量，确定比较关联词所表达的含义；最后调出焊接参数的值，检查比较关联词及与第3 个变量所表达的意义是否符合，以确定条件是否成立。

（3）解释接口：焊接机器人工艺专家系统工艺设计部分采用类似一般软件安装向导的方式来实现，即系统把用户要输入的原始参数和需推理出的焊接工艺规范参数，按照焊接工艺制定的步骤分为几个窗体显示，当用户点击‘下一步’时，即给出工艺制定过程中需要用户进一步提供的初始条件，用户参数输入完成后，点击‘下一步’，系统进行推理，并将推理出的参数，包括接头的坡口型式及其参数、焊丝直径、气体流量、焊接工艺及其参数等，在新的窗体中显示，若用户对系统推理出的部分参数值不满意，可在对应的组合框或编辑框中进行另选或修改，系统将修改后的值保存，并作为新的工艺加入到相应的库中，使知识库得到扩充，当用户完成工艺的制定后，可通过通讯窗体模块，将有关的参数传给焊接机器人，实现工艺的在线规划。

3.结论

该系统实现了焊接工艺参数的在线调整、并可解释推理出的规范参数、同时将数据库技术引入到专家系统开发中、实现了对大量数据和知识的存储及管理、并采用流行的图形用户界面开发方法、开发出的系统人机界面良好、接口友善使操作者无需具备很强的专业知识、即可一步步完成相应的焊接工艺设计。

参考文献

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