外文翻譯--關(guān)于裝載適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)的有兩足行走的機(jī)器人的零刻點(diǎn)彈道造型 中文版.doc

關(guān)于裝載適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)的有兩足行走的機(jī)器人的零刻點(diǎn)彈道造型D.Kim,S.-J.SeoandG.-T.Park摘要：對(duì)于制造機(jī)器人來(lái)說(shuō)兩足動(dòng)物的體系結(jié)構(gòu)高度適用于它們工作在人的環(huán)境里，因?yàn)檫@樣將使機(jī)器人避免障礙變成一項(xiàng)相對(duì)的容易的任務(wù)。然而，在走動(dòng)的機(jī)制中介入復(fù)雜動(dòng)力學(xué)，這使得制作這樣的機(jī)器人的控制系統(tǒng)變成了一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。機(jī)器人腳部的零刻點(diǎn)(ZMP)彈道是機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性的重要保障。如果ZMP可以在線測(cè)量那么就將使為機(jī)器人穩(wěn)定行走創(chuàng)造條件成為可能，而且通過(guò)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的ZMP還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定控制。ZMP數(shù)據(jù)是通過(guò)兩足行走機(jī)器人實(shí)時(shí)測(cè)量出來(lái)的，在這之后在通過(guò)一套適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)（ANFS）將其造型。測(cè)量了在水平基準(zhǔn)面的自然行走和在帶有10度傾斜面的上下行走。通過(guò)改變模糊系統(tǒng)的成員作用和結(jié)果輸出部分的規(guī)則，使得ANFS造型的表現(xiàn)最優(yōu)化。由ANFS展示的優(yōu)秀表現(xiàn)意味著它不僅可以運(yùn)用于模型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，還可以運(yùn)用于控制真正的機(jī)器人。1介紹兩足動(dòng)物結(jié)構(gòu)是對(duì)走動(dòng)的機(jī)器人的最多才多藝的設(shè)定之一。兩足動(dòng)物結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人即使在有臺(tái)階或障礙等的環(huán)境里也具備和人幾乎同樣的可支配的機(jī)械裝置。然而，介入的動(dòng)力學(xué)是高度非線性，復(fù)雜和不穩(wěn)定的。因此，它是引入模仿人體行走的最大的困難。模仿人體行走是一個(gè)可觀的研究領(lǐng)域（1）。與產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的操作器相比，一個(gè)走動(dòng)的機(jī)器人和地面之間的相互作用是復(fù)雜的。在這種相互作用的控制上零刻點(diǎn)(ZMP)2概念被證明是有用的。在ZMP的彈道的幫助下機(jī)器人的腳在步行期間的行動(dòng)是受其穩(wěn)定性信息的誘導(dǎo)的。使用ZMP我們可以整合兩足的機(jī)器人的走的模式并用實(shí)際機(jī)器人示范行走行為。因此，ZMP標(biāo)準(zhǔn)決定了一個(gè)兩足的機(jī)器人的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。ZMP代表地面反作用力被采取發(fā)生的點(diǎn)。使用機(jī)器人的模型，ZMP的地點(diǎn)可以被計(jì)算。然而，ZMP價(jià)值指標(biāo)與計(jì)算值價(jià)值指標(biāo)之間有很大偏差也是有可能的，這是因?yàn)槲锢韰⒘康钠钤跀?shù)學(xué)模型和實(shí)際機(jī)器之間。因此，實(shí)際ZMP是應(yīng)該測(cè)量的，尤其是在它作為穩(wěn)定行走的控制參數(shù)時(shí)。在這項(xiàng)工作中，實(shí)際ZMP整周期走動(dòng)數(shù)據(jù)是通過(guò)一個(gè)實(shí)用兩足走動(dòng)機(jī)器人獲得的。機(jī)器人將在水平基準(zhǔn)面和10度傾斜面上被測(cè)試。一個(gè)適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)(ANFS)將被用于控制一個(gè)復(fù)雜的真正的有兩足的走動(dòng)機(jī)器人，以便于ZMP的建模，使其能應(yīng)用與控制中。2有兩足的走動(dòng)機(jī)器人2.1有兩足的走動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)了并且制造了如圖1所示的有兩足的走動(dòng)機(jī)器人。機(jī)器人有19聯(lián)接。機(jī)器人的關(guān)鍵尺寸如圖1所示.高度308mm,總重量約為1700g，包括個(gè)別電池。通過(guò)使用鋁制結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的重量減到了最小。每一個(gè)聯(lián)接都由一個(gè)遙控裝置控制，這個(gè)遙控裝置包括一個(gè)直流馬達(dá)、齒輪和一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。每一臺(tái)遙控裝置都安裝在聯(lián)接結(jié)構(gòu)上。這個(gè)結(jié)構(gòu)保證機(jī)器人是穩(wěn)定的(即不會(huì)容易跌倒)并且給了機(jī)器人一個(gè)人類的外型。我們的機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器人能在平面或小斜度面以1.4s一步，每步48mm的速度行走。機(jī)器人的配置如表一所示。機(jī)器人的行走動(dòng)作如圖36所示。圖3、4分別為機(jī)器人在平面行走時(shí)正視圖和側(cè)視圖。圖5是機(jī)器人沿著傾斜面向下步行的快照，而圖6是機(jī)器人沿著傾斜面向上步行的快照。行動(dòng)時(shí)聯(lián)接的位置如圖7.所示。被測(cè)量的ZMP彈道是從這十個(gè)自由(DOF)（如圖7.所示）的數(shù)據(jù)得到的。二個(gè)自由度被分配到臀部和腳腕，每個(gè)膝蓋分配一個(gè)自由度。使用這些連接角，一個(gè)循環(huán)走的樣式就會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。我們的機(jī)器人能連續(xù)地走，無(wú)需跌倒。在附錄里總結(jié)了我們的機(jī)器人的四步行動(dòng)的連接角。2.2ZMP測(cè)量系統(tǒng)在一個(gè)機(jī)器人腳部的ZMP彈道是步行的穩(wěn)定的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在許多研究中，ZMP坐標(biāo)是通過(guò)使用機(jī)器人模型和連接處的編碼器傳出的信息用計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)的。然而，我們使用更直接的方法，使用了機(jī)器人腳部上的傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。在機(jī)器人腳部的作用之下地面的反作用力的分布是復(fù)雜的。然而，如圖8.所示，在腳的腳底的任意點(diǎn)P點(diǎn)的反作用力都可以用力量N和M時(shí)刻之前在任意時(shí)候代的力表。ZMP是在地面上的腳的壓力的中心，并且關(guān)于這點(diǎn)的地面運(yùn)用的片刻是零。換句話說(shuō)，在地面上的點(diǎn)P是慣性和重力在0刻沒(méi)有沿軸的組分，平行與地面的點(diǎn)1，7。圖9說(shuō)明了使用的傳感器和他們的在機(jī)器人腳的腳底的安置情況。用于我們的實(shí)驗(yàn)的力量傳感器的種類是FlexiForceA201傳感器8。他們附在構(gòu)成腳的腳底板材的四個(gè)角落。傳感器信號(hào)由一個(gè)ADC板數(shù)字化，與10ms的采樣時(shí)光。測(cè)量在實(shí)時(shí)被執(zhí)行。腳壓力通過(guò)求和力量信號(hào)得到。使用傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際ZMP價(jià)值是容易的。使用(1)，計(jì)算位置腳坐標(biāo)框架的ZMP。式中每fi在傳感器ri的力量是傳感媒介的傳感器位置。這些是在圖10.的詳細(xì)說(shuō)明。在圖形中，O是位于低左手角落左腳坐標(biāo)框架的起源。實(shí)驗(yàn)性結(jié)果如圖1116所示。圖11，13和15顯示的是走動(dòng)機(jī)器人在平面和10度傾斜面的四步走動(dòng)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)轉(zhuǎn)化的實(shí)際ZMP位置。圖12，14和16顯示了機(jī)器人運(yùn)用圖11，13和15的準(zhǔn)確ZMP坐標(biāo)的單步行走情況。如彈道所顯示，ZMP存在于實(shí)線顯示的一個(gè)長(zhǎng)方形領(lǐng)域。因此，ZMP的位置是與機(jī)器人腳部相關(guān)的，因此機(jī)器人是穩(wěn)定的。3ZMP彈道建模在許多科學(xué)問(wèn)題中，通往他們答案的實(shí)質(zhì)性的一步就是在他們的實(shí)驗(yàn)下建立（數(shù)學(xué)）模型。建模的重要性體現(xiàn)在是建立被觀察物和可變物之間的經(jīng)驗(yàn)性的關(guān)系。機(jī)器人步行介入的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)使做機(jī)器人控制系統(tǒng)變?yōu)橐豁?xiàng)富挑戰(zhàn)性的任務(wù)。然而，如果高度非線性和復(fù)雜動(dòng)力學(xué)可以被嚴(yán)密地建模，之后他的模型可以用于機(jī)器人的控制。另外，建模，甚至能用于機(jī)器智能控制與干擾、噪聲的最小化處理。3.1ANFS模糊建模技術(shù)近些年已經(jīng)成為一項(xiàng)活躍的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗趶?fù)雜的，不清楚的，不明確的系統(tǒng)中依然能有出色的表現(xiàn)，而這些時(shí)候常規(guī)的數(shù)學(xué)建模很難給出讓人滿意的答案9。就此而論我們打算使用此系統(tǒng)為ZMP彈道建模。模糊推理系統(tǒng)是以模糊集合理論的概念、模糊的if-then語(yǔ)句和模糊推理為基礎(chǔ)的一個(gè)普遍的計(jì)算的框架。我們將使用Sugeno模糊模型，因?yàn)樵谶@個(gè)系統(tǒng)中，每一個(gè)規(guī)則都有明顯的輸出，總體的輸出將通過(guò)加權(quán)平均值給出。這樣就避免了計(jì)算的費(fèi)時(shí)過(guò)程。當(dāng)我們考慮在模糊建模時(shí)的模糊規(guī)則時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)果部分可以由一個(gè)恒定或一個(gè)線性的多項(xiàng)式表達(dá)?？梢杂糜谀：到y(tǒng)的多項(xiàng)式的不同的形式如表2.所示。建模的表現(xiàn)形式取決于用于建模的表示結(jié)果的多項(xiàng)式的種類。而且，我們可以為模糊規(guī)則的前期部分的模糊嵌入拓展各種各樣單元作用(MFs)，例如三角和高斯。這些是為算式貢獻(xiàn)可行方法另一個(gè)因素。多項(xiàng)式的種類如下是建模系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖17所示。提出的方法首先用于建模，而后用于控制一個(gè)實(shí)際的兩足結(jié)構(gòu)行走機(jī)器人。為了得到模糊建模系統(tǒng)的模糊規(guī)則，我們必須記錄一個(gè)非線性系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)兩足行走機(jī)器人的十個(gè)輸入變量產(chǎn)生的模糊坐標(biāo)建立的，每個(gè)輸入變量會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)模糊坐標(biāo)。模糊建模的if-then法規(guī)如下：在式中Ai，Bi，J1，在規(guī)則的假設(shè)部分中起到語(yǔ)言上判斷的作用，分別結(jié)合輸入變量x1，x2，x10。fj(x1、x2、，x10)；是常數(shù),或者jth規(guī)則的已知結(jié)果多項(xiàng)式函數(shù)。如圖18所示，檢定了MFs的二種類型。一個(gè)是三角式，另一個(gè)是高斯式。圖19是適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，考慮到讓它等同于十輸入模糊模型。在這個(gè)系統(tǒng)中假設(shè)每個(gè)輸入有兩個(gè)模糊值與它對(duì)應(yīng)，如圖18所示。標(biāo)記P的值給出的是所有輸入信號(hào)的乘積，而這些標(biāo)記的N的值計(jì)算的是某一確定的反作用力與總反作用力之和的比。關(guān)于如何使ANFIS參量變化，我們使用梯度下降算法或一種遞歸最小平方的估計(jì)算法重復(fù)調(diào)整前提和結(jié)果參量。然而，我們不使用復(fù)雜雜種學(xué)習(xí)算法，反而使用一般最小平方的估計(jì)算法并且只確定結(jié)果多項(xiàng)式函數(shù)的趨勢(shì)。3.2模仿結(jié)果使用ANFS，模型大致建成了。然后準(zhǔn)確性在中間領(lǐng)域誤差（MSE）中被量化了。ANFS系統(tǒng)被申請(qǐng)為兩足走動(dòng)機(jī)器人的ZMP彈道建模，通過(guò)運(yùn)用機(jī)器人測(cè)量傳出的數(shù)據(jù)。ANFS的表現(xiàn)取決于MF的機(jī)警性和模糊規(guī)則的結(jié)果輸出。從我們的機(jī)器人輸出的ZMP彈道數(shù)據(jù)（如附錄的圖3241所示）將用于過(guò)程參量。當(dāng)三角和高斯MFs用于前提部分或用于結(jié)果部分的不變參數(shù)，那么相應(yīng)的MSE值列在表3中。我們?cè)趫D2025中繪出了我們的結(jié)果。由ANFS產(chǎn)生的ZMP彈道圖如圖20，22，24所示分別為水平基準(zhǔn)面的行走圖，10度傾斜面下行圖和10度傾斜面上行圖。在圖21，23，25，我們可以看見(jiàn)由ANFS產(chǎn)生的相應(yīng)的ZMP彈道。簡(jiǎn)而言之，兩個(gè)膝蓋的過(guò)程參數(shù)可以被忽略。作為結(jié)果，我們可以減少模糊規(guī)則的維度和從而降低計(jì)算負(fù)擔(dān)。在這種情況下ANFS的仿真條件和它對(duì)應(yīng)的MSE（均方的誤差）價(jià)值在表4列出。從給出的模仿結(jié)果的圖和表中，我們能看到從模糊系統(tǒng)得到的ZMP彈道非常類似于我們的行走機(jī)器人所測(cè)量出的實(shí)際ZMP彈道（如圖1116所示）。ANFS被展示的高準(zhǔn)確性能力，意味著ANFS可以有效地被用于建模和控制一個(gè)實(shí)際的兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人。3.3比較我們現(xiàn)在把ANFS的表現(xiàn)與三種統(tǒng)計(jì)回歸模型的數(shù)學(xué)模型相比較。對(duì)于每個(gè)統(tǒng)計(jì)回歸模型，四個(gè)不同案件類型被修建了。它們?cè)趦煞N輸入下的一般表達(dá)式如下：這里ci是回歸常數(shù)。對(duì)應(yīng)的MSE值在表57里被給出。它測(cè)量第二類型給x和Y坐標(biāo)的最佳的結(jié)果所有被考慮的走的條件的。產(chǎn)生的ZMP彈道和相應(yīng)的產(chǎn)生它們的第二類型回歸模型如圖2631所示。我們可以認(rèn)為，ANFS比統(tǒng)計(jì)回歸模型展示了一條相當(dāng)?shù)馗玫腪MP彈道。4個(gè)結(jié)論一個(gè)實(shí)用的裝載模糊神經(jīng)系統(tǒng)的零彈道兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人被展示出來(lái)。ZMP彈道是確保機(jī)器人行走穩(wěn)定性的重要保障。但是地面復(fù)雜的反作用力使控制變得困難。我們?cè)噲D建立過(guò)程參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系，并且通過(guò)將其運(yùn)用于一個(gè)兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人來(lái)解釋經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。整個(gè)走動(dòng)過(guò)程的ZMP數(shù)據(jù)通過(guò)讓一個(gè)實(shí)際兩足結(jié)構(gòu)機(jī)器人在水平基準(zhǔn)面和斜面行走而獲得。ANFS的適用性取決于使用的MF和模糊的規(guī)則的結(jié)果部分。使用ANFS產(chǎn)生的ZMP彈道嚴(yán)密地匹配于被測(cè)量的ZMP彈道。然后模仿結(jié)果也表示，使用ANFS引起的ZMP可以改善兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人的穩(wěn)定性并且ANFS不僅可以有效地用于建模，而且可以用于控制實(shí)際兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人。如圖3241所示。5鳴謝這項(xiàng)工作由韓國(guó)科學(xué)和工程學(xué)基金會(huì)的基礎(chǔ)性研究計(jì)劃的第R01-2005-000-11-44-0支持。6參考文獻(xiàn)1Erbatur、F.、Okazaki、A.、Obiya、K.、Takahashi、T.和Kawamura，A.：“一項(xiàng)關(guān)于兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人的零刻點(diǎn)測(cè)量的研究”。Proc.7thInt。關(guān)于先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制2002年，第431436頁(yè)。2Vukobratovic、M.、Brovac、B.、Surla、D.和Stokic，D.：運(yùn)動(dòng)機(jī)器人(Springer-Veriag1990)3Takanishi、A.、Ishida、M.、Yamazaki、Y.和Kato，I.：“動(dòng)態(tài)走的機(jī)器人WL-10RD的認(rèn)識(shí)”。Proc。Int.Conf。先進(jìn)機(jī)器人，1985年，第.459466頁(yè)。4Hirai、K.、Hirose、M.、Haikawa、Y.和Takenaka，T.：“本田類人機(jī)器人的”。Proc。國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)。Conf。在機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)控制，1998年，第13211326頁(yè)。5Park,、J.H.和Rhee，Y.K.：減少兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人的干線行動(dòng)的ZMP彈道世代。Proc。國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)。Conf。在智能機(jī)器人和系統(tǒng)，1998年，第9095頁(yè)。6Park、J.H.和Cho，H.C.：“提高兩足結(jié)構(gòu)走動(dòng)機(jī)器人的基本聯(lián)接的在線ZMP彈道測(cè)量。Proc。國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)。Conf。在機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)控制，2000年，第.33533358頁(yè)。7Tak、S.、Song、O.和Ko，H.S.：行動(dòng)平衡過(guò)濾。Proc。歐洲制圖，第19卷，第3日2000年