機(jī)器人多指靈巧手的神經(jīng)控制的原理：控制系統(tǒng)硬件,控制系統(tǒng)軟件,復(fù)合控制方法

多指靈巧手又稱多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，是一種并聯(lián)加串聯(lián)形式的機(jī)器人， 一般由手掌和 3～5個(gè)手指組成，每個(gè)手指有3～4個(gè)關(guān)節(jié)。由于其具有多個(gè)關(guān)節(jié)(≥9),故可以對(duì)幾乎任 意的物體進(jìn)行抓持及操作。如果安裝有指端力傳感器和觸覺傳感器，對(duì)抓持力進(jìn)行控制， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)易碎物體(如雞蛋等)進(jìn)行抓持及操作。多指靈巧手的機(jī)械本體一般較小，自由 度又較多，故多采用伺服電機(jī)通過有套管的鋼絲或尼龍繩進(jìn)行遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)，控制伺服電機(jī) 進(jìn)行有序的轉(zhuǎn)動(dòng)，可使多指靈巧手完成各種抓持及操作。由于繩子的變形及繩子與套管間 的摩擦，關(guān)節(jié)之間的耦合，使得多指靈巧手比一般的機(jī)器人具有更強(qiáng)的非線性。目前，對(duì) 多指靈巧手的智能抓持的研究和位置/力協(xié)調(diào)控制的研究是機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

下面介紹用經(jīng)過訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)作為控制器，控制多指靈巧手的關(guān)節(jié)跟蹤給定的軌跡，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)算法、控制系統(tǒng)軟硬件組成以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。

1. 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及學(xué)習(xí)算法

本系統(tǒng)采用一個(gè)3×20×1的三層前饋網(wǎng)絡(luò)來學(xué)習(xí)原有的控制器的輸入輸出關(guān)系。神 經(jīng)元采用S 形函數(shù)，即y=1/(1+e') 。 學(xué)習(xí)結(jié)束后，用此前饋網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作控制器。作為網(wǎng) 絡(luò)學(xué)習(xí)樣板的控制器，是經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證成功的控制器。利用這個(gè)控制器產(chǎn)生的輸入輸出數(shù)據(jù) 對(duì)，供網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)可以很好地逼近原控制器的輸入輸出映射關(guān)系。

學(xué)習(xí)采用BP 算法與趨化算法相結(jié)合的混合學(xué)習(xí)算法，即先用 BP 算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn) 練，然后再用趨化算法訓(xùn)練。實(shí)踐證明這種混合學(xué)習(xí)算法能夠避免局部極小值且比單d用 兩者中任一算法具有較快的收斂速度。 BP 算法是Z常見的學(xué)習(xí)算法，在此不多述。趨化 算法由 Bremermann 和 Anderson 提出，尤其適合于處理動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練問題，這里所用 的趨化算法如下：

1)把權(quán)重W 設(shè)為[- 0 . 1,0 . 1]上的隨機(jī)初值，即W。;

2)把樣本輸入網(wǎng)絡(luò)并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)輸出；

3)求目標(biāo)函數(shù)J 的值，并令 B₁=J;

4)產(chǎn)生與權(quán)重W 維數(shù)相同、零均值的[- 1,+1]上正態(tài)分布的隨機(jī)向量W′;

5 ) 令W=W 。+a ×W′,a<1, 是一實(shí)系數(shù)；

6)求目標(biāo)函數(shù)J 的值，令 B₂=J;

7 ) 如 果E₂由此算法學(xué)習(xí)得到的權(quán)重矩陣是W, 目標(biāo)函數(shù)定義為： 是第i 個(gè)樣本的學(xué)習(xí)誤差， N 是樣本的數(shù)量。

2. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器設(shè)計(jì)

(1)控制系統(tǒng)硬件

本系統(tǒng)以北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所的三指靈巧手作為實(shí)驗(yàn)床，其控制器采用分 J結(jié)構(gòu)，上層主機(jī)是PC—386, 負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)信息交換、任務(wù)規(guī)劃和路徑規(guī)劃。下層是伺 服控制器，即對(duì)應(yīng)每個(gè)電機(jī)有一個(gè)基于PC 總線的8031單片機(jī)的位置伺服控制器。圖5-31 為控制器的硬件簡圖。圖中的手指關(guān)節(jié)部位安裝有電位計(jì)，用作角度傳感器，其輸出信號(hào) 作為伺服控制器的反饋信號(hào)。

(2)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制軟件分為兩部分，上位機(jī)軟件用C 語言編寫，伺服控制器的軟件用MCS-51 單片機(jī)匯編語言編寫。圖5-32是控制器的結(jié)構(gòu)圖。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)根據(jù)誤差信號(hào)，計(jì)算網(wǎng) 絡(luò)輸出并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。伺服控制器從主機(jī)得到控制指令，進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗�，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM 電機(jī)控制信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算全由上位機(jī)完成，這是因 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算包括大量的非線性函數(shù).用匯編語言實(shí)現(xiàn)十分困難且速度很慢。圖5-33 是主機(jī)軟件流程圖，其中定時(shí)器的作用是保證40ms 進(jìn)行一次插值，利用上位機(jī)的 CMOS 定時(shí)來實(shí)現(xiàn)，可以準(zhǔn)確到微秒J。

(3)復(fù)合控制方法

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單純用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行控制，系統(tǒng) 的響應(yīng)在跟蹤階段可以很好地跟蹤給定的軌跡，但穩(wěn)態(tài)效果 不好，存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。這是因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)原 來的控制器的輸入輸出映射關(guān)系，但并不能完全復(fù)現(xiàn)這種關(guān) 系，總有一定的誤差，而且誤差小到一定的范圍后，再想進(jìn) 一步減小就變得十分困難。由于時(shí)間限制，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)只能得 到一個(gè)近似的Z優(yōu)解，而不可能得到真正的Z優(yōu)解。為了使 系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，采用一個(gè)PID 控制器在穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用其積分作用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明這種復(fù)合控制器能保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。