基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡分析

1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡分析摘要：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是隨著社會發(fā)展和時代的不斷進(jìn)步產(chǎn)生，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是社會一門全新的信息處理學(xué)科，把人類大腦不同功能展現(xiàn)淋漓盡致，具有時代性和創(chuàng)新性特點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對人類大腦不同特征模擬與抽象化表達(dá)，是建立在人腦工作模式基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人腦信息處理最大目標(biāo)。本文主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡詳細(xì)分析和研究。關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；機(jī)械手臂；運(yùn)動軌跡；分析前言:機(jī)器人運(yùn)動學(xué)主要是對手臂末端的執(zhí)行器關(guān)節(jié)變量和位置姿勢關(guān)系深入研究。機(jī)器人通常是由相應(yīng)的移動關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)關(guān)聯(lián)形式，展開運(yùn)動的軌跡。這一運(yùn)動軌跡具有如下特點(diǎn)：一端在支座上固定；另一個端點(diǎn)較為靈活自由，可以任意安裝不同工具

2、，實(shí)現(xiàn)不同功能的操作目標(biāo)。首先，其可以利用驅(qū)動器運(yùn)作關(guān)節(jié)，利用關(guān)節(jié)帶動相關(guān)聯(lián)運(yùn)動桿，使得機(jī)器人手臂最終運(yùn)作到末端位置，保證執(zhí)行器達(dá)到預(yù)期目標(biāo)姿勢要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論闡述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個以并行形式分布的數(shù)據(jù)信息處理網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模擬主要是從兩個方面開展。包括從機(jī)理和結(jié)構(gòu)，從功能上進(jìn)行模擬這兩個不同方面。但是就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能模擬實(shí)現(xiàn)起來具有一定難度。依據(jù)以往神經(jīng)解剖學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)經(jīng)驗給出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括動物神經(jīng)元和人工神經(jīng)元，人類大腦組織中基本單元，是動物神經(jīng)元系統(tǒng)功能體現(xiàn)，動物神經(jīng)元是神經(jīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單位。人類大腦神經(jīng)元具有復(fù)雜性特點(diǎn)，在人類大腦中，不同動物神經(jīng)元聯(lián)系，會依據(jù)外部環(huán)境激勵信號作出反應(yīng)

3、，出現(xiàn)相應(yīng)變化1。人工神經(jīng)元是建立在生物神經(jīng)元基礎(chǔ)上，模擬動物神經(jīng)元，進(jìn)行單輸入和多輸入輸出的非線性信息處理。如下圖一，是典型的人工神經(jīng)元模擬模型展示圖。圖一典型的人工神經(jīng)元模擬模型展示圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法，是指利用相應(yīng)的學(xué)習(xí)算法，對權(quán)值調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)使其達(dá)到具備識別、記憶、問題優(yōu)化、信息處理等功能，這也是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能化的體現(xiàn)。詳細(xì)來說神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)主要包括有導(dǎo)師學(xué)習(xí)、無導(dǎo)師學(xué)習(xí)與強(qiáng)化學(xué)習(xí)。無導(dǎo)師學(xué)習(xí)方法僅僅單純提供輸信息，不具備相應(yīng)的速輸出數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)檢查輸入和輸出數(shù)據(jù)和信息趨向和規(guī)律,會依據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能自動化調(diào)整。在這種學(xué)習(xí)形式背景下，網(wǎng)絡(luò)不再單一是依據(jù)外部影響對權(quán)值調(diào)整。有導(dǎo)師的神經(jīng)元學(xué)習(xí)方法，可

4、以把期望的輸出和實(shí)際輸出導(dǎo)師信號對比分析和調(diào)整，直到達(dá)到最初的權(quán)限數(shù)值，縮短權(quán)值差異。在實(shí)際學(xué)習(xí)期間，必須重視權(quán)限數(shù)值的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)，減少實(shí)際的輸出功率和應(yīng)有輸出功率之間的誤差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動學(xué)模型建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)械手臂運(yùn)動學(xué)理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建機(jī)械手臂運(yùn)動學(xué)模型，利于增加對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡了解。如下圖二，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機(jī)械手臂處于ADAMS中的簡化運(yùn)動模型展示圖。在這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動模型展示圖詳細(xì)分析和研究，可以得出機(jī)械手臂處于自由運(yùn)作和協(xié)同運(yùn)作時，可以有效完成既定任務(wù)要求。對于手臂運(yùn)作期間運(yùn)行算法統(tǒng)計和計算，要結(jié)合兩個手臂不同位置和模型特點(diǎn)，把兩個手臂之間的坐標(biāo)和運(yùn)動模型轉(zhuǎn)變，

5、把轉(zhuǎn)變后的雙臂，作為運(yùn)動協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)。雙臂運(yùn)動學(xué)模型建立，要有單臂運(yùn)作模型作為基礎(chǔ)，在已知其中一個手臂關(guān)節(jié)空間后，也需獲得單臂正向和逆向運(yùn)動學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手臂服務(wù)作業(yè)任務(wù)，機(jī)器人手臂應(yīng)該具備在空間中，利用任意形式和姿態(tài)運(yùn)作能力。因此，在實(shí)踐研究后，在機(jī)械手臂運(yùn)動模型建設(shè)期間，可以設(shè)置兩個手臂的自由度為六，在末端手部位置，設(shè)置一個夾持機(jī)構(gòu)。詳細(xì)來說，手臂留個自由度設(shè)置主要包括大臂轉(zhuǎn)動、肩抬、肘部轉(zhuǎn)動、肩擺、腕部擺動、手臂末端擺動。圖二神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)機(jī)械手臂處于ADAMS中的簡化運(yùn)動模型展示圖機(jī)械臂設(shè)計的六自由度，利于驅(qū)動直流伺服電機(jī)。由于不同機(jī)械手臂電機(jī)關(guān)節(jié)，都負(fù)載一個電機(jī)，因此，對機(jī)械電機(jī)

6、重量具有較高要求，要求電機(jī)輸出功率高，電機(jī)重量輕。在運(yùn)動學(xué)模型建立期間，可以選擇Maxon這一空心類型機(jī)械手臂電機(jī)，電機(jī)質(zhì)量好、重量輕、功率密度大，和諧波減速器整合應(yīng)用，效果較好。諧波減速器間隙小、剛度大，滿足機(jī)械手臂運(yùn)行需求，利于機(jī)械手手臂末端的手爪驅(qū)動舵機(jī)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)械手臂運(yùn)動模型建立，也要處理好三關(guān)節(jié)問題2因為，就機(jī)器手臂運(yùn)動學(xué)的研究來說，不僅是研究運(yùn)動和關(guān)節(jié)的作用，也需研究各個關(guān)節(jié)之間變量的在運(yùn)動期間，關(guān)節(jié)偶合力和力矩變化特點(diǎn).例如:三關(guān)節(jié)是動力學(xué)模型建立關(guān)鍵內(nèi)容，在實(shí)際模型建立期間，要掌三關(guān)節(jié)機(jī)械手臂動力學(xué)正反兩個不同方面。在已知機(jī)械手臂各個關(guān)節(jié)力矩和作用力基礎(chǔ)上，求出機(jī)械手臂各個關(guān)

7、節(jié)運(yùn)行軌跡，獲得機(jī)械手臂不圖關(guān)節(jié)運(yùn)行速度、位移。另一方面，在知道機(jī)械手臂不同關(guān)節(jié)運(yùn)行軌跡基礎(chǔ)上（速度、位移）后，統(tǒng)計出機(jī)械手臂不同關(guān)節(jié)的力矩與作用力。其中，就動力學(xué)來說，前者屬于正問題，后者則屬于逆問題。但是為了保證機(jī)械手臂動力模型建設(shè)科學(xué)性，正問題和逆問題均不可忽視。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡3.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡規(guī)劃算法本文主要是對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動協(xié)調(diào)作業(yè)運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃。首先設(shè)置一個機(jī)器人雙臂運(yùn)動運(yùn)行任務(wù)作業(yè)目標(biāo)。要求在機(jī)械手臂運(yùn)行期間，獲得目標(biāo)物體坐標(biāo)具體信息后，雙手緊緊把持住目標(biāo)物體，雙臂整合，對目標(biāo)物體移動。當(dāng)機(jī)器人雙臂處于六自由度時，在協(xié)同剛性運(yùn)作目標(biāo)物體期間

8、，運(yùn)動規(guī)劃必須基于單六自由度手臂運(yùn)作軌跡基礎(chǔ)上。與此同時，也要考慮其它不同問題。機(jī)械手臂還分為主要手臂和從臂。在運(yùn)動學(xué)角度，要考慮到機(jī)械手臂類型，考慮到手臂在運(yùn)作期間，運(yùn)動軌跡和姿態(tài)協(xié)調(diào)性，確保雙臂在運(yùn)作期間，運(yùn)作軌跡是相互對應(yīng)的關(guān)系。與此同時，由于機(jī)械手臂在運(yùn)行期間，主臂和從臂工作空間相同，因此沒在運(yùn)動軌跡設(shè)置期間，也要考慮到雙臂的運(yùn)動碰撞性，保證其中一個手臂在運(yùn)作期間，另一個手臂不會與其碰撞。如下圖三，是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂模擬仿真展示圖3圖三神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂模擬仿真展示圖雙臂的協(xié)調(diào)運(yùn)作實(shí)現(xiàn)方法包括以下幾個步驟：其一：構(gòu)建機(jī)械手臂和目標(biāo)物體結(jié)合運(yùn)動學(xué)模型。其二：對目標(biāo)物體詳細(xì)分析，對笛卡爾

9、空間線路特點(diǎn)規(guī)劃處理。其三：軌跡規(guī)劃要保持平穩(wěn)性。其四：結(jié)合笛卡爾空間布局規(guī)劃特點(diǎn)，把逆時運(yùn)動學(xué)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)空間的規(guī)劃。其五：對雙臂開展碰撞檢測工作。3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡協(xié)調(diào)規(guī)劃機(jī)械人運(yùn)動軌跡協(xié)調(diào)規(guī)劃，是計算機(jī)機(jī)器人運(yùn)行軌跡線路體現(xiàn)。機(jī)械人在一定的時間內(nèi)，受到位移、加速度、速度等客觀條件約束和限制，從最初狀態(tài)變化為某個預(yù)期特定目標(biāo)狀態(tài)。對機(jī)器人手臂規(guī)劃的方法包括以下兩種。第一種方法：要求應(yīng)用人員沿著運(yùn)行軌跡中預(yù)先選定為位置（也被叫做插值點(diǎn)和結(jié)節(jié)）顯示地，確定廣義運(yùn)行軌跡坐標(biāo)具體位置、加速度、速度的一組約束。例如：光滑程度和連續(xù)性等。其次，發(fā)揮軌跡規(guī)劃器的優(yōu)勢，從具體插值與滿足在插值的

10、約束函數(shù)中，選擇和確定參數(shù)變化軌跡。在實(shí)驗研究后，明顯可以看出，這一機(jī)械手臂軌跡規(guī)劃方法，操作機(jī)運(yùn)作軌跡的設(shè)置和約束力的給定，是在機(jī)械手臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中開展4。第二種方法：應(yīng)用人員需優(yōu)先解析函數(shù)顯示地明確操作設(shè)備必經(jīng)之路。例如:在笛卡爾坐標(biāo)系中，坐標(biāo)體系的直線路徑。其次，在明確笛卡爾坐標(biāo)體系特點(diǎn)后，規(guī)劃機(jī)械手臂運(yùn)行坐標(biāo)，結(jié)合坐標(biāo)明確一條和給定線路相似軌跡。在這一方法中，機(jī)械人僅可以確保在運(yùn)行期間，可以經(jīng)過這兩個不同點(diǎn)，但是無法保證這兩點(diǎn)期間路徑。因此，可以說這兩個點(diǎn)之間路徑無法確定。對于雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)作的機(jī)械雙臂來說，關(guān)節(jié)空間的設(shè)計顯然無法滿足實(shí)際作業(yè)需求。因為在雙臂整合運(yùn)作時，要求雙手的末端位置執(zhí)

11、行器，在相同時間達(dá)到特定的軌跡點(diǎn)。因此，對于機(jī)械手臂運(yùn)行軌跡實(shí)際路徑就給出全新要求。在這一形勢下，就需發(fā)揮笛卡爾空間軌跡轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢。在笛卡爾空間的機(jī)械手臂運(yùn)行軌跡規(guī)劃時，路徑的約束可以在笛卡爾坐標(biāo)中給出，而關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)器可以在關(guān)節(jié)坐標(biāo)中管理和控制?？偠灾?，不論是利用第一種方法還是第二種方法，亦或是利用笛卡爾方法，都需發(fā)揮各自優(yōu)勢，結(jié)合機(jī)械手臂實(shí)際運(yùn)行需求，發(fā)揮不同方法優(yōu)勢5。3.3笛卡爾空間軌跡路徑規(guī)劃在機(jī)械手臂運(yùn)作期間，作業(yè)任務(wù)是利用機(jī)械操作手臂末端執(zhí)行設(shè)備，對設(shè)備中笛卡爾系統(tǒng)坐標(biāo)序列點(diǎn)定義，明確節(jié)點(diǎn)的具體位置。節(jié)點(diǎn)是操作手臂系統(tǒng)末端執(zhí)行器位置和姿勢的齊次變換運(yùn)作矩陣。要求坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間在過渡

12、運(yùn)動時，雙臂末端執(zhí)行器以直線形式運(yùn)行，始終保持直線的軌跡。利用笛卡爾方法對機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡規(guī)劃，大部分是在優(yōu)化和計算是在笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)中計算處理。其次，依據(jù)特定的取樣和間隔，在預(yù)先設(shè)定的線路路徑中，設(shè)置插值點(diǎn)、在控制機(jī)械手臂同時，把機(jī)械手臂穿轉(zhuǎn)為和手臂關(guān)節(jié)具有聯(lián)系性的變量，獲得軌跡，但是要明確說明，獲得的變量軌跡，與分段直線形式類似。因此，就機(jī)械手臂看來說，其實(shí)現(xiàn)空間軌跡運(yùn)行的過程，就是實(shí)現(xiàn)軌跡的離散點(diǎn)的過程。如果機(jī)械手臂運(yùn)行期間，離散點(diǎn)大，運(yùn)行軌跡誤差就大。只有保證這些不同離散點(diǎn)距離接近，才能確保機(jī)械手臂運(yùn)行軌跡滿足預(yù)先軌跡精度要求5。結(jié)語:本文主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對機(jī)械手臂運(yùn)行軌跡分析

13、和研究，分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論概念。在了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)概念的基礎(chǔ)上，分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動學(xué)模型建立相關(guān)知識。最后，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械手臂運(yùn)動軌跡研究，利用不同方法，沿著運(yùn)行軌跡中預(yù)先選定為位置，確定廣義運(yùn)行軌跡坐標(biāo)具體位置，發(fā)揮笛卡爾空間軌跡路徑規(guī)劃優(yōu)勢，增加對神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行軌跡共和特點(diǎn)了解。參考文獻(xiàn):1黃天鵬，張華，黃威，沈曉燕.基于表面肌電信號的上臂動作識別研究J.南通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,(01):14-17.2熊大柱.一種7自由度生機(jī)電假肢手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動學(xué)分析D.華中科技大學(xué)，2013.3梁捷，陳力.柔性臂空間機(jī)器人基于虛擬力概念的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)L_2增益魯棒控制J.機(jī)械工程學(xué)報,2012,(23):23