類人機器人運動控制關(guān)鍵技術(shù)研究（可編輯）

1、 碩士學(xué)位論文類人機器人運動控制關(guān)鍵技術(shù)研究學(xué)科專業(yè):機械制造及其自動化研究生:劉學(xué)菁指導(dǎo)教師:楊志永副教授企業(yè)導(dǎo)師:李秀敏高級工程師天津大學(xué)機械工程學(xué)院二零零八年,月摘要機器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,其中類人機器人的研究和應(yīng)用尤其受到了普遍的關(guān)注,并成為智能機器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點之一。研制與人類外觀特征類似,具有人類智能、靈活性,并能夠與人交流、不斷適應(yīng)環(huán)境的類人機器人一直是人類的夢想之一。基于這樣的目的,本文闡述了:利用機作為上位機,利用單片機作為下位機進行了硬件平臺的設(shè)計,運用運動學(xué)與動力學(xué)的基礎(chǔ)對機器人多關(guān)節(jié)運動與移動控制進行了建模與編程實現(xiàn)。在硬件設(shè)計方面,采用了系列單片機對機

2、器人各功能子系統(tǒng)進行控制,其中,通過對舵機的優(yōu)化控制使機器入具有多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動模仿人類動作的能力。在類人機器人多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動控制方面,研究了由多電機組合而成的機器人手臂的多關(guān)節(jié)控制模型,并通過編程實現(xiàn)了機器人對人類動作的學(xué)習(xí)和模仿,使機器人動作的流暢以及靈活性得到了解決。在類人機器人移動問題上,本文提出了一種對傳統(tǒng)同軸兩獨立驅(qū)動輪的移動控制新方法,即以其中一獨立輪作為圓心參照點進行路徑規(guī)劃,使機器人的移動控制更加簡單,從而使機器人自主移動能力大大提高。本文提出的新方法在制作成功的類人機器人身上得到了具體實現(xiàn)。關(guān)鍵詞:類人機器人,多關(guān)節(jié)控制模型,運動控制,單片機 . . , 。,. : . ?

3、. , . . , . ,. ,. .: , , ,獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以標注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果,也不包含為獲得叁鲞盤堂或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。靴敝儲擗:郴彳替醐:訴夕仲學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解基壅盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)盤奎盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)

4、校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明導(dǎo)師簽名.虢書/啄簽字日期 ,卜肘簽字日期:葉川,由分蟠年夕月擴日 聲夥第一章緒論第一章緒論.課題研究的意義類人機器人研究在很多方面已經(jīng)取得了突破,如關(guān)鍵機械單元、基本行走能力、整體運動、動態(tài)視覺等,但是離理想中的要求還相去甚遠,需要在類人機器人思維和學(xué)習(xí)能力、與環(huán)境的交互、軀體結(jié)構(gòu)和四肢運動、體系結(jié)構(gòu)等方面進行更進一步的研究。研制與人類外觀特征類似,具有人類智能、靈活性,并能夠與人交流,不斷適應(yīng)環(huán)境的類人機器人一直是人類的夢想之一】。本文主要利用機作為上位機,利用單片機作為下位機進行了硬件平臺的設(shè)計,運用運動學(xué)

5、與動力學(xué)的基礎(chǔ)對機器人多關(guān)節(jié)運動與移動控制進行了建模與編程。在硬件設(shè)計方面,采用了系列單片機對機器人各功能子系統(tǒng)進行控制,其中,通過通訊技術(shù)及定位技術(shù)實現(xiàn)了對機器人的遠程操作,通過對舵機的優(yōu)化控制使機器人具有多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動模仿人類動作的能力。在類人機器人多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動控制方面,由多電機組合而成的機器人手臂多關(guān)節(jié)控制模型,并通過編程實現(xiàn)機器人對人類動作的學(xué)習(xí)和模仿,使機器人動作的流暢性以及靈活性得到了很好的解決。在類人機器人移動問題上,對傳統(tǒng)同軸兩獨立驅(qū)動輪進行移動控制,即以其中一獨立輪作為圓心參照點進行路徑規(guī)劃【.】,使機器人的移動控制更加簡單,從而使機器入自主移動能力大大提高。采用和提出的面

6、部運動編碼系統(tǒng)中定義的動作單元來描述機器人的面部表情。.類人機器人.類人機器人發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)階段,機器人的研究應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬,其中類人機器人也叫仿人機器入的研究和應(yīng)用尤其受到普遍關(guān)注,并成為智能機器人領(lǐng)域中最活躍的研究熱點之一?,刀。從年捷克斯洛伐克作家卡雷爾.恰佩克在他的科幻小說羅薩姆的機器人萬能公司中,根據(jù)捷克文,原意為“勞役、苦工”和波蘭文,第一章緒論原意為“工人”,創(chuàng)造出“機器人”這個詞。機器人歷史有了如下的發(fā)展:年美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人。它由電纜控制,可以行走,.會說個字,甚至可以抽煙,不過離真正干家務(wù)活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。年

7、美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造,但后來成為學(xué)術(shù)界默認的研發(fā)原則。年諾伯特.維納出版控制論,闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律,率先提出以計算機為核心的自動化工廠。年美國人喬治.德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器入,并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作,因此具有通用性和靈活性。年在達特茅斯會議上,馬文.明斯基提出了他對智能機器的看法:智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型,如果遇到問題,能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后年智能機器人的研究方向。年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫?英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機

8、器人。隨后,成立了世界上第一家機器人制造工廠公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳,他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。年美國公司生產(chǎn)出”意思是萬能搬運,與公司生產(chǎn)的一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人,并出口到世界各國,掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。年.年傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器,包括年恩斯特采用的觸覺傳感器,托莫維奇和博尼年在世界上最早的“靈巧手”上用到了壓力傳感器,而麥卡錫年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng),并在年,幫助推出了世界上第一個帶有視覺傳感器,能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。年約翰.霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出機器人。已經(jīng)能

9、通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置,根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。世紀年代中期開始,美國麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、英國愛丁堡大學(xué)等陸續(xù)成立了機器人實驗室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人,并向人工智能進發(fā)。年美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器入。它帶有視覺傳感器,能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木。不過控制它的計算機有一個房間那么大?？梢运闶鞘澜绲谝慌_智能機器人,拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。年日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。第一章緒論加藤一郎長期致力于研究仿人機器人,被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和螟樂機器凡的技術(shù)見長,后來更進一步,催生出本

10、田公司的和索尼公司的。年世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作.就誕生了美國公司的機器人”。年美國公司推出通用工業(yè)機器人,選標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。至今仍然工作在工廠第一線。年英格伯格再推機器人,這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年,他還預(yù)言:“我要讓機器人擦地板,做飯,出去幫我洗車,檢查安全。年丹麥樂高公司推出機器人套件,讓機器人制造變得跟搭積木一樣,相對簡單又能任意拼裝,使機器人開始走入個人世界。年日本索尼公司推出犬型機器人愛寶,當即銷售一空,從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。年丹麥公司推出了暖塵器機器,它能避開障礙,自動設(shè)計行進路線,還能在電量不

11、足時,自動駛向充電座。是目前世界上銷量最大,最商業(yè)化的家用機罄。年月,微軟公司推出 ,機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯,比爾蓋菠預(yù)言,家用機器人很快將席卷全球。圖為索尼公司研制的新一代類人機器人。圈.】 奉目公司發(fā)布的新一代婁機器第一章緒論.類人機器人的發(fā)展趨勢類人機器人研究在很多方面已經(jīng)取得了突破,如關(guān)鍵機械單元、基本行走能力、整體運動、動態(tài)視覺等,但是離理想中的要求還相去甚遠,還需要在類人機器人思維和學(xué)習(xí)能力、與環(huán)境的交.;:軀體結(jié)構(gòu)如圖和四肢運動、體系結(jié)構(gòu)等方面進行更進一步的研究。研制與人類外觀特征類似,具有人類智能、靈活性,并能夠與人交流,不斷適應(yīng)環(huán)境的類人機器人一直是人類的夢

12、想之一。圖一類人機器人的軀體結(jié)構(gòu).軀體結(jié)構(gòu)和四肢運動類人機器人行動的多樣性、通用性和必要的柔性是“智能”實現(xiàn)的首要因素,是保證類人機器人可塑性和與人交流的前提。類人機器人的結(jié)構(gòu)則決定了它能不能為人所接受,而且也是它像不像人類的關(guān)鍵。類人機器人必須擁有類似人類上肢的兩條機械臂。這樣不僅可以滿足一般的機器人操作需求,而且可以實現(xiàn)雙臂協(xié)調(diào)控制和手指控制以實現(xiàn)更為復(fù)雜的操作。類人機器人要具有完成復(fù)雜任務(wù)所需要的感知活動,還要在已經(jīng)完成過的任務(wù)重復(fù)出現(xiàn)時要像條件反射一樣自然地做出反應(yīng)。.與環(huán)境的交互類人機器人與環(huán)境相互影響的能力依賴于其富于表現(xiàn)力的交流能力,如肢體語言、思維和意識的交互。目前,機器人與人

13、的交流僅限于固定的幾個詞句和簡單的行為方式,其主要原因是:大多數(shù)類人機器人的信息輸入傳感器是單模型的;部分應(yīng)用多模型傳感器的系統(tǒng)沒有采用對話的交流方式;對輸入信第一章緒論息的采集僅限于固定的位置,比如圖像信息,照相機往往沒有多維視角,信息的深度和廣度都難以保證,準確性下降。.體系結(jié)構(gòu)類人機器人的體系結(jié)構(gòu)是定義機器人系統(tǒng)各組成部分之間相互關(guān)系和功能分配,確定單臺機器人或多臺機器人系統(tǒng)的信息流通關(guān)系和邏輯的計算結(jié)構(gòu),也就是類人機器人信息處理和控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。如果說機器人的自治能力是類人機器人的設(shè)計目標,那么體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是實現(xiàn)這一目標的手段。現(xiàn)在類入機器人的研究系統(tǒng)追求的是采用某種思想和技術(shù)

14、,從而實現(xiàn)某種功能或達到某種水平。圖.類人機器人的串行功能分解體系結(jié)構(gòu)圖.思維和學(xué)習(xí)能力現(xiàn)有類人機器人系統(tǒng)的主要缺陷是對環(huán)境的適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力的不足。機器人智能.來源于與外界環(huán)境的相互作用,同時也反映在對作業(yè)的獨立完成上。機器人學(xué)習(xí)控制技術(shù)是實現(xiàn)類人機器人在結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境下實現(xiàn)智能化控制的一項重要技術(shù)。但是由于受到傳感器噪音、隨機運動、在線學(xué)習(xí)方式以及訓(xùn)練時間的限制,學(xué)習(xí)控制的實時性還不能令人滿意,仍需要研究和開發(fā)新的學(xué)習(xí)算,法、學(xué)習(xí)方式,以不斷完善學(xué)習(xí)控制理論和相應(yīng)的評價理論。類人機器人具有人的外觀,可以適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境,代替人類完成各種作業(yè),并可以在很多方面擴展人類的能力,因此在

15、服務(wù)、醫(yī)療、教育、娛樂等多個領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用。在人類的歷史中,曾經(jīng)因為我們制造機器的局限性,使得我們不得不去適應(yīng)機器,而現(xiàn)在我們要讓機器來適應(yīng)我們,這就是類人機器人的未來發(fā)展趨勢。第一章緒論.機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)由機械元素組成的,它可以是自然的,也可以是人造的。后者是本論文要研究的對象。機器人的機械系統(tǒng)由以下幾個子系統(tǒng)組成:機械子系統(tǒng),由剛體和彈性體組成;傳感系統(tǒng):執(zhí)行系統(tǒng):控制器;信息處理。此外,子系統(tǒng)之間的通信是通過接口進行的,接口的基本功能是把從一個部分傳到另一個部分的信息解碼。圖是典型機械系統(tǒng)的方塊圖,系統(tǒng)的輸入是事先確定的任務(wù),它是由實時或離線給定的。前者在本質(zhì)上看成是智能的,后者

16、是可編程序的機械。機器人的機械系統(tǒng)輸出是通過傳感器監(jiān)測的實際任務(wù) 。傳感器以反饋信號的形式傳遞作業(yè)信息并與事先設(shè)定的動作相比較,事先設(shè)定的任務(wù)與執(zhí)行動作間的誤差反饋給控制器,然后合成必要的校正信號。在機器人控制系統(tǒng)中,通過人來構(gòu)成閉環(huán)控制的稱為遙控機器人。遙控機器人是人借助于復(fù)雜的傳感器和顯示裝置進行控制的機械系統(tǒng),操作者也就成了一個中心單元,根據(jù)顯示的信息,操作者對校正信號調(diào)整以完成所需要完成的動作。作業(yè) 關(guān)節(jié) 實際誤差 位置和 驅(qū)動動作力信號磊網(wǎng)誓笪蠣麗角度和扭矩關(guān)節(jié)信號實際關(guān)節(jié)變量角度和扭矩囊?巫圖機器人機械系統(tǒng)方框圖研究機器人機械系統(tǒng)時,建立了運動的表示方法,這里用獨立的桿件運動組合成

17、機械系統(tǒng),把這些桿件看成剛體?】。一般剛體的運動由平動和轉(zhuǎn)動組成,通過一個坐標系和矢量代數(shù)計算距離和角度并在此坐標系下描述矢量,但最終的結(jié)果與選擇的坐標系無關(guān),得到的數(shù)學(xué)模型就是機械系統(tǒng)運動的表示方法。這些數(shù)學(xué)表示方法包括:線性變換,剛體的旋轉(zhuǎn)矩陣,坐標變換和齊次坐標建立,校正方法,以及各種方法的合成等。以上各種方法的具體概念及實現(xiàn)方法見文獻。第一章緒論.本文要做的工作本文將針對如何實現(xiàn)類人機器入的多關(guān)節(jié)控制技術(shù)與移動控制技術(shù)這個主題而展開。類人機器人不但要具備機器人的一般性質(zhì),而且必須與人類外觀特征類似,具有人類智能,能夠與人交流、不斷適應(yīng)環(huán)境,能模仿人類的肢體語言等功能。本課題的主要任務(wù)是

18、實現(xiàn)類人機器人模仿人類四肢運動并能夠適應(yīng)自然環(huán)境,具有靈活的自主移動避障能力。因此本文內(nèi)容安排如下:第一章主要闡述與課題相關(guān)的機器人及類人機器人的歷史及發(fā)展情況,同時就關(guān)于機器人系統(tǒng)的相關(guān)理論以及它們相互之間的關(guān)系進行了簡要介紹。第二章主要研究類人機器人的系統(tǒng)功能以及硬件電路設(shè)計的實現(xiàn)。其中著重于機器人的控制器?單片機的使用及基于單片機控制的機器人各個功能的硬件電路設(shè)計,包括舵機控制技術(shù)。第三章主要是完成機器人的運動模型及運動軌跡規(guī)劃的設(shè)計和規(guī)劃的解析,以及結(jié)構(gòu)誤差的影響所必須的誤差補償.并利用超音波感測器實現(xiàn)對機器人的行為導(dǎo)航控制。最后參照人體工學(xué)的原理,不僅使類人機器人的動作擬人化,更使類

19、人機器人的行為和表情趨于擬人化,采用電機驅(qū)動機器人的肢體并配以必要的面部表情來完成機器人的情感表達。第四章全文總結(jié)本文各章均以引言開始,簡要介紹研究內(nèi)容和目的;以小結(jié)結(jié)尾,簡要歸納所得結(jié)論。第二章機器人硬件設(shè)計與功能第二章機器人硬件設(shè)計與功能.引言單片機和機是目前最常用的兩種機器人控制系統(tǒng)。鑒于所研究的機器人的功能特點,采用了機與單片機協(xié)調(diào)控制的方案。一個機器人系統(tǒng)是多技術(shù)融合的系統(tǒng),所以本章在著重介紹單片機使用的同時也將研究機器人的各個功能子系統(tǒng)。.機器人功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu).上下位機控制結(jié)構(gòu)上位機有保存定位信息、圖像信息、障礙信息和記憶動作參數(shù)等多種功能。下位機單片機則專門負責(zé)通過身上的傳感器陣列

20、收集周圍環(huán)境的障礙信息并發(fā)送到上位機,同時接受上位機的命令,根據(jù)上位機的要求使各個舵機協(xié)調(diào)運動,做出各種類人的動作,如搖頭,擺臂,招手,擁抱,前進、后退、左右轉(zhuǎn)等。下位機接收定位信息,同時將定位信息通過串口發(fā)送給上位機,由上位機通過網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送給控制中心或個人。控制中心或個人根據(jù)機器人發(fā)過來的信息進行分析處理,將處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)再傳送到機器人身上,從而可以實現(xiàn)了對機器人的遙控操作。表. 機器人的上下位機控制功能控制系統(tǒng) 控制任務(wù)語音識別與合成有線或無線語音輸入上 人臉識別與跟蹤位短信息接收與發(fā)送機各種信息的存儲資料顯示與下位機的通訊第二章機器人硬件設(shè)計與功能定位信息處理輪式移動控制下 固

21、定障礙識別位人體障礙識別機繞障或避障類人動作表演與上位機的通訊.舵機組合手臂和輪式移動的機械結(jié)構(gòu)本文所研究的機器人的機械結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成:上身的頭部和手臂的舵機組成部分、下身的直流電機控制的輪式行走部分。其中下身的輪式部分采用目前機器人制作方面常見的也最常用到的兩個獨立驅(qū)動輪驅(qū)動,前后兩個萬向輪作平衡的行走系統(tǒng)。這種機構(gòu)組成容易實現(xiàn),且轉(zhuǎn)動靈活,穩(wěn)定性好。雖然兩個驅(qū)動輪的負載不可能相等,使機器人在直線行走時總有偏差,但是,由于將信息進行了集中差分信息技術(shù)處理使機器入具有精確的自主導(dǎo)航功能。當偏離目標航向時機器人能自主回航,因此基本上能消除機器人偏離航向的缺陷。所研究的類人機器人具有與人進行

22、情感動作交互的能力。這些都是由機器人的手臂及頭部的舵機控制系統(tǒng)實現(xiàn)鰣 。類人機器人的每只手臂由肩部舵機、大臂舵機、肘部舵機、手腕舵機等五個電機組成,形成個自由度的多舵機組合系統(tǒng),能很好地模仿人類手臂的全部功能,如握手,搖頭,點頭,揮舞手臂,擁抱等富有人類情感的動作。.機器人的感知系統(tǒng)類人機器人的感知系統(tǒng)主要由三個部分組成:安裝在上位機的攝像頭,由下位機負責(zé)的傳感器陣列和定位系統(tǒng)。類人機器人的眼睛由兩個攝像頭組成,在機器人的前方及左右兩側(cè)均裝有一個紅外收發(fā)一體式的傳感器,能探測到前方一內(nèi)的障礙物,以免機器人與障礙物碰撞,機器人的前下方也有一個紅外收發(fā)體式的傳感器,以探測行走前方是否存在路坑等危險

23、路段。在機器人內(nèi)身體的中間高度部位,前后分別裝有一個紅外熱釋傳感器,以探測前方.是否存在人類,經(jīng)過采集這些傳感器得到的外界信息,機器人能夠判斷出前方存在的是人還是障礙,如果是障礙,機器人自動做出避障或繞障的動作。如果是人,第二章機器人硬件設(shè)計與功能則機器人自動停止運動,并發(fā)出友好語音信息準備與人進行對話,與此同時,機器人通過攝像頭采集障礙物或人的圖像,處理后保存,并通過網(wǎng)絡(luò)將圖像信息及定位信息傳送給控制中心或個人,請求處理。.單片機研究中使用的單片機具有雙總線結(jié)構(gòu)如圖.及兩級指令流水線結(jié)構(gòu)如圖.,其結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框架見圖.。單片機.拘軟硬件開發(fā)系統(tǒng)采用集成開發(fā)環(huán)境 軟件:。在中可以在四種方式下運行:

24、?軟件模擬程序運行方式:在這種方式下可以進行無硬件的軟仿真,提供了用于調(diào)試應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計源程序的快速工具。編輯程序方式:不用軟件模擬程序或硬件仿真器便可編寫、編譯匯編或源程序,并能從源代碼中刪除錯誤。硬件仿真器方式:可以用各種兼容的仿真器實時運行用戶應(yīng)用系統(tǒng)的目標程序,同時對硬件進行調(diào)試。編程方式:可以用各種兼容的編程器對芯片進行燒寫。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)普林斯頓結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)圖.兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖周期周期周期周期周期圖指令流水線結(jié)構(gòu)第二章機器人硬件設(shè)計與功能數(shù)據(jù)總線媧氏序計數(shù)器閃存,/ 程序焉總線隨機存儲地址指令注冊器遇,歷麗蒜直接地址/, ,廠 /?,九. /? 叉,一./益?. /二/葛./ ?

25、/、/, 一.,?./壬?艾,/?氣/五.麗/西時鐘墮灌時鐘 地一?/鬻譬 圖 單片機結(jié)構(gòu)框圖第二章機器人硬件設(shè)計與功能圖為 軟件環(huán)境,支持以下硬件版本:支持多源文件編譯,寄存器值監(jiān)測,連接及編譯窗口監(jiān)測等多窗口功能。在硬件方面,利用高端的仿真器 。它能仿真全系列的。單片機,仿真速度達到。在低端上采用在線調(diào)試器在線調(diào)試器,可以基本支持全系列芯片的調(diào)試與燒寫。利用工藝芯片的程序區(qū)自讀寫功能,使用芯片來實現(xiàn)仿真調(diào)試功能。軟件通信接口方式是最高可達或.串行接口方式,工作電壓范圍為.,可支持最低的低壓調(diào)試。圈軟件編程環(huán)境單片機的編譯系統(tǒng)使用宏匯編,能使可讀性很差的征編語言變得容易解讀,在代碼移植上提供

26、了根好的支持,盡管宏于編消耗掉許多程序空間但是縮短了研發(fā)時間,并且提高了程序的運行速度。另外匯編器更在匯編語言上提供了更多的功能。因為它是支持可重定位的匯編代碼。傳統(tǒng)的匯編語言需要人工確定匯編程序在程序存儲器的實際第二章機器人硬件設(shè)計與功能物理地址,使用只需要知道匯編器寄存器和程序段的數(shù)量,將自動分配寄存器和重新定位程序在存儲器的實際地址,能大大節(jié)省開發(fā)時間,方便代碼的復(fù)用和移植。圖.為所選用的單片機的的最小系統(tǒng)電路圖。圖 的最小系統(tǒng)電路圖.舵機控制技術(shù).舵機對機器人的驅(qū)動控制機器人上身的手臂及頭部結(jié)構(gòu)是由多舵機組成的。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器,適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。第

27、二章機器硬件設(shè)計與功能在機器人機電控制系統(tǒng)中,舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)。其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。圖選用的舵機是一種高性能舵機,其力矩是.婦,速度為/.型號是。該舵機在同婁產(chǎn)品中具有力矩大,穩(wěn)定性好,且易于控制等突出特點。只要按照要求給定脈沖周期寬度,舵機能從轉(zhuǎn)到,通過程序控制,使舵機勻速或變速轉(zhuǎn)動。圈舵機外觀圈舵機與外界的連接端口只有三端.其中與單片機的接口只有一端,稱之為控制線,另外兩端分別接電源與電源地,為電源線與地線。舵機與單片機接法如圖所示。舵機的控制信號是信號,利用占空比的變化改變舵機的位置。一般舵

28、機的控制要求如圖所示。圖舵機與單片帆的接線圖?業(yè)壁磐業(yè)刊:燃觸 ,塒脈沖左轉(zhuǎn)極限位置 .叫脈寬車圈舵機的控制要求第二章機器人硬件設(shè)計與功能用單片機作為舵機的控制單元,使信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化,從而提高舵機的轉(zhuǎn)角精度。單片機完成控制算法,再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為信號輸出到舵機,由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng),其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù),所以受外界干擾較小,整個系統(tǒng)工作可靠。單片機系統(tǒng)實現(xiàn)對舵機輸出轉(zhuǎn)角的控制:首先是產(chǎn)生基本的周期信號,即產(chǎn)生的周期信號;其次是脈寬的調(diào)整,即單片機模擬信號的輸出,并且調(diào)整占空比。即可使舵機轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。爿圖機器人移動輪示意圖機器人手臂運動的軌跡是指機器人在運動

29、過程中的位移、速度和加速度。而軌跡規(guī)劃是根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求,計算出預(yù)期的運動軌跡,對機器人的任務(wù)、運動路徑和軌跡進行描述,機器人軌跡規(guī)劃屬于機器人底層規(guī)劃,是在機器人運動學(xué)和動力學(xué)的基礎(chǔ)上,討論在關(guān)節(jié)空間和笛卡兒空間中機器人運動的軌跡規(guī)劃和軌跡生成方法。在規(guī)劃機器人的運動軌跡時,還需要弄清在其路徑上是否存在障礙物。路徑規(guī)劃和障礙物的組合把機器人的規(guī)劃與控制方式劃分為四類,如表.所示。本文采用了連續(xù)路徑的無障礙軌跡規(guī)劃方法。障礙物有 無路徑 有離線無碰撞路徑規(guī)則在線路徑跟蹤 離線路徑規(guī)則在線路徑跟蹤約束 無位置控制在線障礙探測和避障 位置控制路徑有:離線無碰撞路徑規(guī)則、在線路徑跟蹤離線路徑規(guī)則、

30、在線路徑跟蹤第二章機器人硬件設(shè)計與功能約束無位置控制、在線障礙探測和避障位置控制。機器人最常用的軌跡規(guī)劃方法有兩種:第一種方法要求對于選定的轉(zhuǎn)變結(jié)點插值點上的位姿、速度和加速度給出一組顯式約束例如連續(xù)性,軌跡規(guī)劃對結(jié)點進行插值,并滿足約束條件;第二種方法要求給出運動路徑的解析式,如為直角坐標空間中的直線路徑,軌跡規(guī)劃在關(guān)節(jié)空間或直角坐標空間中確定一條軌跡來逼近預(yù)定的路徑。在第一種方法中,運動的設(shè)定和軌跡規(guī)劃均在關(guān)節(jié)空間中進行,因此可能會與障礙物相碰。第二種方法的路徑運動是在直角坐標空間中給定的,而關(guān)節(jié)驅(qū)動器是在關(guān)節(jié)空間中受控的,因此,為了得到與給定路徑十分接近的軌跡,首先必須采用某種函數(shù)逼近的

31、方法將直角坐標路徑約束路徑運動轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)坐標路徑約束路徑運動,然后確定滿足關(guān)節(jié)路徑約束路徑運動的參數(shù)化路徑。目前,機器人的手臂或其它運動方式是示教再現(xiàn)的,即首先教機器人如何做,機器人就記住了這個過程,于是它可以根據(jù)需要重復(fù)這個動作。對于連續(xù)路徑控制,不可能把機器人的運動軌跡的所有點都示教一遍,讓機器人記住,因為這樣會增加計算機單片機的負擔(dān)或浪費內(nèi)存。因此,對于有規(guī)律的軌跡,只要示教幾個特征點,如直線需要示教兩點,圓弧需要示教三點,計算機或單片機就能利用插補算法獲得中間點的坐標相對于基坐標系,機器人將這些運算結(jié)果放入存儲器,以便以后的再現(xiàn)。要求的位軌跡上位、?,置和姿態(tài)個角度位機器人逆蘭壘奎查,

32、插補置控制系統(tǒng)算法 向運動學(xué)圖.機器人軌跡控制過程圖.舵機的軟件設(shè)計舵機是小型仿人機器人常用的輸出執(zhí)行機構(gòu)。它接收一定的控制信號,輸出相應(yīng)的角度。圖.所示為舵機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,從圖中可以看出舵機主要是由外殼、一個小型直流電機、一組減速齒輪、一個用于檢測轉(zhuǎn)角位置的檢測電位器和一塊控制電路板組成。其中,高速轉(zhuǎn)動的直流電動機提供了原始動力,經(jīng)過減速齒輪組減速后,通過輸出軸對外提供轉(zhuǎn)距,齒輪組的減速比越大,舵機的輸出力矩也越大。標準的舵機有條導(dǎo)線,分別是:控制線、電源線、地線。電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直流電機和控制線路所需的能源,電壓通常介于.,控制線的輸入是個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號。當方波

33、的脈沖寬第二章機器硬件設(shè)計與功能度改變時,舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變,角度變化與脈沖寬度的變化成正比,其輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖昕示。舵機標稱方渡脈沖信號的周期為,事實上舵機角度控制對信號的周期,即脈要求為。舵機的控制信號被成為沖位置調(diào)制渡?？捎赡M電路或單片機來產(chǎn)牛.。角度圈 輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系本文采用的為主控芯片,晶振頻率取值,每條指令執(zhí)行時間為從圖 可以看出.舵機角度變化時,脈寬改變?yōu)槌?地/,單片機能執(zhí)行/.坤條約條指令,用語言很難實現(xiàn)在條指令內(nèi)一次比較判斷完路舵機的信號。多路信號產(chǎn)生的機理如圖 所示。為了產(chǎn)生精確的時間信號,占用了一個位硬件計數(shù)器,計數(shù)

34、基準設(shè)為,同時用個位匹配寄存器保存每一路信號的計數(shù)匹配值,該匹配值正比于舵機的期望角度。路信號分為組,每組路進行分時控翩。程序開始時,將第一組信號相應(yīng)的引腳全置高電平,并且將計數(shù)器清零。然后不斷查詢計數(shù)器的值是否大于或等于匹配寄存囂的值。如果是,將該路信號的引腳置為低電平。每一組信號占用的時隙均為.不足第二章機器人硬件設(shè)計與功能.的延時.,保證每一路信號的周期丁. .。在組信號處理完畢后,再用.一的時隙進行系統(tǒng)的其他任務(wù)處理。這種分時控制的方法的最大特點是保證每一路信號的時間誤差最小,且不會產(chǎn)生波形的抖動。對于單片機在的系統(tǒng)時鐘下, 內(nèi)能執(zhí)行條單周期指令,的周期可以大于。第組第組第組一多路信號

35、產(chǎn)生機理圖.所示為多路信號的發(fā)生流程圖。、的個端口均為輸出端口,位定時器用來和每組的路信號匹配寄存器進行比較,基準為。第二章機器人硬件設(shè)計與功能開始初始化置高該組信號的引腳并清零計數(shù)器組信號/ 董黧盔歲結(jié)束、定時.墓嫠囂薯黧藿矗二?叫繁瑟篙 路匹配寄存器匹配/ 信號的引腳計數(shù)器與該組第路匹配寄存器匹配叫鞣胃計數(shù)器與該組第路匹配寄存器匹配 叫徽掣處理下一組信號圖.信號的發(fā)生程序流程圖.小結(jié)本章著重研究了用于控制機器人各功能子系統(tǒng)的為主控芯片的單片機的特點與使用。另外,還研究了用于組成機器人手臂的舵機的控制及各個子功能模塊的設(shè)計,為下文的理論實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。第三章 機器人行為運動控制第三章機器人行

36、為運動控制.引言人的肢體和臉部作為人最重要的外部特征,在人與人的交流過程中起著非常重要的作用,它能夠傳遞許多非語言的信息來加強理解或表達情感。身體語言是指經(jīng)由身體的各種動作,從而代替語言以達到表情達意的溝通目的。本章將主要研究機器人如何通過移動、肢體動作、軀體動作以及面部表情來表達情感。.機器人控制結(jié)構(gòu)機器人由于體積和電源電池的供電能力有限,對電路的結(jié)構(gòu),元件的布線和布局有較高的要求,通過不斷的實驗,簡化各個功能模塊,并使之相對獨立,通過模塊間的接口來組成完整的系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的總體框圖入圖.所示:富圖.機器人控制系統(tǒng)總體框圖控制系統(tǒng)采用多級分布控制方法,分為上、下兩層控制,功能分別為:上層第三

37、章機器人行為運動控制機,完成機器人行為數(shù)據(jù)的離線計算和調(diào)整,通過有線或者無線網(wǎng)絡(luò)控制和協(xié)調(diào)各個機器人的動作行為阱】,并且可以通過機器人所帶的傳感器獲取環(huán)境信息;下層實現(xiàn)控制算法,控制多路舵機協(xié)調(diào)運動。相應(yīng)的控制系統(tǒng)模塊可以分為以下內(nèi)容:算法、電機控制模塊:掃微控制器組成,實現(xiàn)控制算法,和多路舵機控制信號的生成。無線通訊模塊:由射頻芯片和 微控制器組成,實現(xiàn)上、下位機通過射頻進行數(shù)據(jù)交互。有線通訊模塊:由電平轉(zhuǎn)換芯片,實現(xiàn)上、下位機通過總線進行數(shù)據(jù)交互。行為數(shù)據(jù)存儲模塊:由總線的串行組成,通過總線對其進行讀寫操作。電源模塊:向下位機系統(tǒng)各模塊提供穩(wěn)定的電壓。機器人硬件構(gòu)成控制算法電路原理圖如圖.

38、所示。該模塊為微控制器的最小系統(tǒng),包括主控制器,上電復(fù)位電路,振蕩電路,狀態(tài)指示燈。單片機還設(shè)計了在線調(diào)試和系統(tǒng)自編程 接,便于程序的調(diào)試和升級維護。利用片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和電阻和.構(gòu)成的電池電壓采樣電路,實現(xiàn)對電池的欠壓保護。為了與無線模塊相兼容,下位機采用的電源電壓為.,而舵機的信號電壓則要求為以上,這就需要混合信號電路處理。如果直接將的端口連到舵機的信號線上,該微控制器采用的是工藝,其端口電壓比其芯片電源電壓.高,則芯片會產(chǎn)生芯片特有的電流“閂鎖”效應(yīng),導(dǎo)致芯片的電流急劇增加,最后芯片過熱而燒毀?；旌闲盘柼幚砜梢詰?yīng)用專用的芯片,如,實現(xiàn).和的信號兼容。但是本次應(yīng)用屬于低速信號的應(yīng)用場合,

39、可以用電阻分壓的形式實現(xiàn)混合信號電路的處理,如圖?所示。為簡化分析,可以近似的人為舵機的信號輸入端阻抗為無窮大。則在微控制器輸出低電平時,舵機的信號電壓【,?為:.鯽齋父刪而/此時,通過電阻尺:的電流,即流入微控制器/口的電流,冊。為:第三章 機器人行為運動控制.簪乩剃圖控制算法模塊原理圖.接的引腳舵機接口圖. 電阻分壓實現(xiàn)混合信號電路處理當微控制器輸出高電平.時,舵機的信號電壓二。為:第三章機器人行為運動控制.二。瓦麗一.為微控制器/口內(nèi)部二極管的電壓降落。此時,流入微控制器,/的電流,。為:.,一?麗.一.棚滿足舵機信號電壓需要的高電平.一舵機電源電壓電壓和低電平電壓的范圍。.運動模型及軌

40、跡規(guī)劃對于移動機器人系統(tǒng),由于其工作環(huán)境一般比固定機器人的工作空間存在更多的不確定性,因此運動規(guī)劃非常關(guān)鍵。不同形式的機器人,其運動規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)是不同的。對于輪式移動機器人,它的運動規(guī)劃問題主要研究在未知或少知環(huán)境中機器人移動路徑的確定方法。下面將針對機器人的底部輪式運動控制進行研究。.運動模型對輪式移動機器人,作路徑和軌跡規(guī)劃時,一般是以兩獨立驅(qū)動輪來進行的。在實時控制中,行為控制器把規(guī)劃好的路徑轉(zhuǎn)化成隨時間變化的兩個獨立驅(qū)動輪的角速度,通過驅(qū)動器分別去驅(qū)動兩個驅(qū)動輪。兩個驅(qū)動輪的角速度都要根據(jù)規(guī)劃路徑的變化而變化,對于機器人這樣的非線性時滯對象來說,在執(zhí)行任務(wù)過程中,如果規(guī)劃路徑不光滑,

41、又采用分段控制,必然存在累積誤差,若累積誤差過大,就會影響機器人的準確到位以及任務(wù)完成。另一方面,在進行位置校正時,要依據(jù)驅(qū)動輪走過的路程,通過積分得到中點的位姿,再與規(guī)劃給定的中點位姿差分,得出需要校正的位姿增量,又通過矩陣求逆變成隨時間變化的兩驅(qū)動輪的角速度,這樣就增加了實時控制的復(fù)雜性,在實時控制中是不希望出現(xiàn)的。在這里,把移動坐標系建立在兩獨立驅(qū)動.軸心中的任意一個的軸心上,以該點為規(guī)劃對象,進行路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃,路徑規(guī)劃與傳統(tǒng)方法基本一致,在軌跡規(guī)劃時,把選為坐標原點的車輪的速度角速度固定不變,即該輪的角速度除起動與停止有變化外,中間階段始終為一固定值;而另一驅(qū)動輪的角速度是依據(jù)兩

42、驅(qū)動輪之間輪基的固連關(guān)系、兩輪的角速度約束關(guān)系和規(guī)劃路徑進行計算,并依此得到兩輪軸心的運動學(xué)方程,按上述方法,在進行位姿校正時,不需矩陣求逆,即可實現(xiàn)。第三章 機器人行為運動控制.同軸兩獨立驅(qū)動輪的約束方程為了便于說明及構(gòu)造運動學(xué)模型以及規(guī)劃控制機器人的位姿,建立坐標系如圖所示。其中,一為移動機器人工作場所的固定參考坐標系。?。珞。為移動機器人固連坐標系。尺是固連坐標系的原點,該點與右驅(qū)動輪中心重合,與驅(qū)動輪同心,指向左輪,與。間的夾角口表示機器人的姿態(tài),則其位姿即為,。在一中,左輪的投影為,右輪的投影為,并假設(shè)機器人在水平面上運動,車輪只旋轉(zhuǎn)不打滑,即輪與地接觸點間的速度為零。已知參數(shù):?機

43、器人兩獨立驅(qū)動輪間的長度,即輪距;卜一機器人車輪的輪半徑;口?機器人右輪的角速度;口?機器人的初始姿態(tài),以逆時針為正口卜。,。圖.移動機器人的位姿圖機器人的角速度約束方程機器人在任意一點初始位置,經(jīng)過時間礴睪過角后到達另一位置,如圖所示。則左輪比右輪多轉(zhuǎn)過的曲線位移為五口,一口,。由此得到.西?形式中西。、一機器人左、右輪的角速度;一轉(zhuǎn)彎半徑曲率半徑;第三章 機器人行為運動控制伊一機器人經(jīng)過時間礴睪過的角度,式.即為兩驅(qū)動輪角速度問的約束方程。機器人左右輪間的坐標約束方程不論機器人移動到何處,它的左右輪間的距離是始終不變的,那么,它們在一中的坐標與輪距間的關(guān)系為.?,一,如圖?所示, 機器人的

44、姿態(tài)角與兩輪軸心坐標的關(guān)系式為工,一/一, .由式., 式.可得,一勵 .?,圖.機器人位移圖.機器人非原點輪角速度方程按上面所建立的運動學(xué)模型,機器人運動方式只有直線運動和轉(zhuǎn)彎運動兩種,如果選擇原點的輪子角速度香,口為已知,在單位時間內(nèi)要轉(zhuǎn)過角度,則通過式.可知,另一輪左輪的角速度為.口,一釤一彰對于直線運動而言,即兩輪同速轉(zhuǎn)動,香,疊,口,即直線運動是曲線運動的特例。對于的值應(yīng)加以限制,因為當口過大,接近一。時,將使口,過大,在向心力的作用下易產(chǎn)生運動位置誤差, 嚴重時會造成翻車,依分析得西糯.第三章 機器人行為運動控制式中一重力加速度:,輪與地面間的摩擦力系數(shù);尺一轉(zhuǎn)彎半徑。.規(guī)劃的解析

45、方法.運動學(xué)正問題當兩驅(qū)動輪的角速度已知時,左、右輪的角速度分別為香,西,轉(zhuǎn)彎半徑也是的函數(shù),由此可以求出移動機器人的運動軌跡如圖?。”鉚鯽 .秒砉班一/.運動學(xué)逆問題當要求移動機器人按確定軌跡運動時,即、鄉(xiāng)、畎已知,驅(qū)動輪的運動規(guī)律就可根據(jù)下式求出,且其左右驅(qū)動輪的運動規(guī)律將是惟一的。.自電?汀矗一.位姿校正傳統(tǒng)以輪距中點為參考對象的移動機器人位姿校正是通過同時給兩驅(qū)動輪加以角速度增量,這就要根據(jù)位姿誤差,經(jīng)過求矩陣得到用以校正位姿誤差的角速度增量。以輪軸心為參考對象的移動機器人位姿校正是:作為參考對象驅(qū)動輪的角速度不變,通過調(diào)整另一輪的角速度來實現(xiàn),根據(jù)位姿誤差,經(jīng)過簡單計算就可得到用以校

46、正位姿誤差的角速度,方法如下。用式.積分求出移動機器人的實際位姿,與下一時刻的期望位姿差分,得到位姿誤差,把位姿誤差代入式.和式.得到用以校正位姿誤差的角度,把此角度代入式.,即可得到角速度增量螄,而口,不變。在移動過程中,只要求出機器人的實際位姿與下一時刻的期望位姿,代入式.和式.,斯,就自動跟隨變化使位姿得以快速校正。設(shè)工。,。為坐標系尺的原點當前坐標,工。,。為坐標系尺的原點的下一時刻位置坐標。兩位置間的距離第三章 機器人行為運動控制瓜了麗了萬.需要轉(zhuǎn)過的角速度為。一/?？?誤差分析及補償結(jié)構(gòu)誤差的影響,在移動機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)中,影響精度的主要原因是輪距和驅(qū)動半徑的精度。驅(qū)動輪的加工誤差

47、,以及在重載情況下,橡膠驅(qū)動輪的彈性變形,都使得驅(qū)動輪的實際值與名義尺寸產(chǎn)生誤差,使機器人實際行走距離與測量計算之間出現(xiàn)偏差,這一偏差是積累的,而且當兩個驅(qū)動輪的關(guān)系值有差異時,還會使機器人的航向產(chǎn)生偏差,可以通過如下約束方程加以補償.?西,:型 留一,? .,式中/?/,其中珞為左輪實際值,為右輪實際值。輪距參數(shù)的誤差將同樣影響機器人的轉(zhuǎn)向,且用下式加以補償.一工,。式中,址為輪距偏差。顯然,式.與式.在上述運動中較易實現(xiàn),而在以輪距中點為對象規(guī)劃的運動學(xué)方程中實現(xiàn)起來較困難。該方法在軌跡產(chǎn)生中可節(jié)省大量的計算時間,并避免以中點為對象進行規(guī)劃時必須依賴不完整方程的求逆過程,在位姿校正中無需求

48、逆矩陣;該方法的優(yōu)點在于控制一輪另一輪也隨同動作,有利于雙輪協(xié)調(diào)控制。.機器人行為導(dǎo)航系統(tǒng)機器人的行為導(dǎo)航主要通過多通道的超聲波傳感器和陀螺儀來實現(xiàn)。在本論文中使用超音波感測器測環(huán)境,移動式機器人共裝置個超音波感測器,前半部有個后半部有個。超音波感測器在不同的環(huán)境類型中,可以測到一組不同的感測向量。比如,:,屯,?,。,第個感測向量測量值,為感測器的數(shù)目。向量,是在第.個環(huán)境類型所測到的一組感測值。超音波機器人導(dǎo)航是基于一個模糊分類網(wǎng)絡(luò),的架構(gòu)來完成的。是應(yīng)用于圖樣分類與辨識的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是,超音波機器人導(dǎo)航并不使用學(xué)習(xí)法則,網(wǎng)絡(luò)中第三章 機器人行為運動控制代表典型圖樣 的鍵結(jié)值是以指定的

49、方式得到的,有別于。利用的架構(gòu)并建立一規(guī)則表,兩者結(jié)合成一個啟發(fā)性網(wǎng)絡(luò)。此啟發(fā)性網(wǎng)絡(luò)輸入是量化后的超音波感測值,輸出的則代表機器人的運動方向和機器人的線速度。運動方向 機器人線速度圖啟發(fā)式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一種非監(jiān)督式學(xué)習(xí) 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),原先的用途是作為圖樣分類與辨識。圖是的架構(gòu),共有三層,不同層的神經(jīng)元。第一層是輸入層,待之間的鍵結(jié)是完全連接的辨識的圖樣由此輸入;第二層是距離層,負責(zé)計算輸入圖樣,和典型圖樣,之間的距離,也就是相異程度第三層是歸屬層,負責(zé)計算輸入圖樣相對于典型圖樣的歸屬度“歸屬度以介于到之間的值表示。典型圖樣是透過學(xué)習(xí)法則不斷訓(xùn)練得到,以下是的學(xué)習(xí)法則:步驟:隨機的設(shè)定初始鍵結(jié)值,設(shè)定

50、鄰域大小肥為。是輸出神經(jīng)元的數(shù)目;設(shè)定鍵結(jié)值更新量,為,設(shè)定學(xué)習(xí)速率卵在到之間的值。步驟:輸入訓(xùn)練圖樣,計算每一個距離值,的定義如式.:.,一%, ,一%口,一%再計算每一個歸屬度?;定義如式.和式.:.。, “。云,莩蘭:三。,。,.,。, %如,礦五:等于典型圖的數(shù)目。否則第三章 機器人行為運動控制,曠鬈掰步驟:對每一個輸入圖樣。選擇一個輸出神經(jīng)元.,?,使得吒,:,川,再根據(jù)式./.更新鍵結(jié)值%。.%七七一,刁么,.%忌%一“口伍;一%在此,包含輸出神經(jīng)元和其鄰域中的每一個神經(jīng)元。重復(fù)步驟和步驟,直到;不改變。步驟:如果,則訓(xùn)練完成;否則,一,回到步驟繼續(xù)訓(xùn)練。此學(xué)習(xí)法則的目的,是要把所有被訓(xùn)練的圖樣加以分類,當訓(xùn)練完成后,就更鍵結(jié)值則代表第.類的典型圖樣。典型圖樣決定后便可以進行圖樣辨識的工作,辨識的方法就是執(zhí)行學(xué)習(xí)法則的步驟。式.源自所發(fā)展的迭代法則,式中,的值總和等于,簡要證明如下:掣,每叱。薈釧 “甜/血盤.盤五?. ?.一.扣一 立立.直?.之:?上/一?:一