基于神经滑模的柔性连杆机械手末端位置控制.pdf
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1、第 3 O卷第 5期 2 0 0 8 年9 月 机器人 R OB O T V b l-3 0 N O 5 Se p ,2 008 文章编号:1 0 0 2 0 4 4 6(2 0 0 8)0 5 040 4 0 6 基于神经滑模的柔性连杆机械手末端位置控制 张 宇,杨唐文 2 孙增圻(1 清华大学计算机科学 与技术系清华信息科学 与技术国家实验室智能技术 与系统国家重点实验室,北京1 0 0 0 8 4 2 北京交通大学计算机 与信息技术学院,北京1 0 4)摘要:为 了提高柔性机械于 末端位置控制 的鲁 棒性和精度,提 出 了一种基十神经滑 模的控制策略 首先采 用 输入 输 出线 性化方法
2、将动力学模 型部分线性化,使之 分成 输入 输“了系统与 内动态 子系 统输入 输 出子系统 采 用神经滑模控制,内动态 了系统采用状态 反馈摔制器镇 定随后,对控制系统 内动态稳 定性进行 了分析,并在 两 自由度柔性连杆机 械手控制的仿真试验 中得 到了满意 的结果 试 验结果表 明,伍存 模型不确定性 时,该摔制 策略提 高了控制系统的鲁 棒性 和控制精度 关键词:柔性连杆机械手;神经滑模控制;输入 输 I【部分线性化 中图分类号:T P 2 4 文献标识码:A Ne ur o-Sl i d i ng M o d e En dpo i nt Co nt r o l o f Fl e x
3、i bl e-l i nk M a n i pu l a t o r s ZHANG Yu ,YANG Ta n g we n ,S UN Ze n g qi (1 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f I n t e l l i g e n t T e c h n o l o g y a n d S y s te m s,T s i n g h u aN a t i o n a l L a b o r a t o ryf o r I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y
4、D e p a r t m e n t of C o m p u t e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,T s i n g h u a U n i v e r s i t y,B e ij in g 1 0 0 0 8 4,C h i n a;2 S c h o o l o fC o m p u t e r a n d I n f o r ma t i o n T e c h n o lo g y,B e O i n g J i a o t o n g U n i v e r s i ty,B e(ri n g 1 0 0 0 4 4,C
5、h i n a)A b s t r a c t:T o i mp r o v e t h e r o b u s t n e s s a n d p o s i t i o n p r e c i s i o n o f e n d p o i n t c o n t r o l o f f l e x i b l e l i n k ma n i p u l a t o r s(F L Ms),a c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n n e u r o s l i d i n g mo d e(NS M)i s p r o p o s e
6、d F i r s t l y,t h e d y n a mi c s mo d e l i s p a r t i a l l y l i n e a r i z e d b y i n p u t o u t p u t l i n e a r i z a t i o n me t h o d,S O i t i s s e p a r a t e d i n t o t wo s u b s y s t e ms o f i n p u t o u t p u t s u b s y s t e m a n d i n t e m a l d y n a mi c s s ub s y
7、s t e m An NSM c o ntrol l e r i s de s i gn e d t o c on tro l t he i n pu t o ut pu t s u bs ys t e m wh i l e a s t a t e s f e e dba c k c on t r o l l e r i s empl oy e d t o s t a bi l i z e t h e i n t e rn a l dy na mi c s s u bs ys t e mThe n,s t a bi l i t y of t he i n t e r na l d yn a m
8、i c s i s a na l y z e d,a nd s a t i s f a c t or y r e s u l t s ar e o b t a i n e d i n t h e s i m u l a t i o n o f c o n t r o l l i n g a 2 D O F F L M T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p r e s e n t e d m e t h o d i m p r o v e s t h e r o b u s t n e s s a n d p o s i t i
9、o n p r e c i s i o n o f t h e F L M s y s t e m wh e n mo d e l u n c e r t ain t y i s c o n s i d e r e d Ke y wo r d s:fl e x i b l e l i n k ma n i p u l a t o r(F LM);n e u r o s l i d i n g mo d e c o n t r o l;p a r t i a l i n p u t o u t p u t l i n e a r i z a t i o n 1 引言(I n t r o d u
10、c t i o n)柔性机械手具有质量轻、速度快、能耗低利操 作空 间人等优 点,是机器人研 究的一大热点,然而 由于其结构上具有柔性,在运动过程 中会产生形变 和振动,给机械手末端位置控制带来了一系列的难 题,如难于建立精确数学模型、存在非最小相位特 性、存在强非线性耦合等 许 多控 制 理 论 被 应 用 在 柔 性机 械 手 的控制 中P D(比例 微分)控制 I 1 算法简单,但 是鲁棒 性较差;自适应控制【】和鲁棒控制【算法都对柔 性机械手的参数变化具有一定 的适应能力,但需要 精确的模型和参数变动范围;奇异摄动控制方法 是将柔性机械手模型分成快、慢子系统来分别控制,但要求摄动参数小
11、,其应用具有一定局限性 Mo a l l e m 等 】和 Ar i s o y等【6 采用输入 输出线 性化方法将柔性机械手动态方程进行部分线性化,分成 内、外动态两部分,同时通过输 出重定义 的方 法克服系统 的非最小相位 问题 但是该方法存在两 个主 要的缺 点,一是仍然 需要精确的动力学模型,当存在模型不确定性时,控制器鲁棒 性较 差;二是 控 制量存 在矩 阵求逆运 算,使控制 解具有局 部特 性 本文 提 出一种基于神经滑模【的柔性连杆机 械手末端位置控制算法(即用神经 网络实现滑模控 制),将动态方程分成输入 输 出子系统和 内动态子 基金项 目:国家 自然科学基金资助项 目(6
12、 0 3 0 5 0 0 8);同家9 7 3计划资助项 目(2 0 0 2 C B 3 1 2 2 0 5)收稿 日期:2 0 0 8-0 3 0 6 维普资讯 http:/ 第 3 0卷第 5期 张宇等:基于神经滑模的柔性连杆机械手末端位置控制4 0 5 系统两部分 后,输 入 输 出子系统采用 神经滑模控 制,内动态的镇 定采用状态反馈控制 控制器不需 精确模型和求逆运算,对模型不确定性和外部扰动 具有较高的鲁棒性 2 柔性连杆机械手动 力学模型(Dy n a mi c s mo d e l o f fl e x i b l e-l i n k ma n i p u l a t o r
13、s),z自由度柔性平面连杆机械手动力学方程 】如 下:萎 +三:耋:宝:耋;+D I2 ;+三 三 =U c,其中,为正定对称惯性矩阵,s 1(0,0,)、2(0,0,)是 与 哥 氏力 1 向心 力有 关 的项,D1、D2 为阻 尼 矩 阵,为 刚度 矩 阵,为 关 节 输 入 力 矩(D T T)=0 O n ,是 由机械 手 关节 角和 柔性 模 态组 成 的广义 矢量,其中 O i 为第 i 个关节角变量,西 是第 i 个连杆 的第,个模态变量,m为柔性模态阶数 假 设 在研 究 的操 作范 同 内,是 可逆 的,令:1 日 I】控 I,则 由 式(1)可 得:1日2 1 日2 2 l
14、 舀=一Hl 1(D,6,0,占)+Dl 0)一H。2(s 2(o,6,0,杏)+)+日I 1(2):一H2 1(1(0,0,6)+D】0)一H2 2(0,0,)+D2 +K2 8)+H2 l“(3)为了克服非最小相位特 性,采用重定义输 出 作为机械手末端位置:+了(Z i 羔 ,西 ,f:1,2,(4)i =1 其 中,钆f 是第 i 个连杆的第 个空间模态形 函数,是第 i 个连杆的长度当 一1 1时,能使系统 零动态稳定,写成 向量形式为:Y=0+C6 (5)其 中,C=Cl 0 0 Cn 为,2 m1 l维 的 矩 阵,子 矩 阵 c =鲁 ()(Pi,2(1),(ff),f=1,F
15、 t 3 输 A,输 出部 分 线 性 化(P a r t i a l i n p u t o u t p u t l i n e a r i z a t i o n)柔性机械手属于欠驱动系统,因此只能对其部=一(日1 l+C H2|)(l(0,0,)+D1 0)一(Hl2+C H2 2)(D,0,)+D 2 杏+)定义z=T T,其中,=),T y W ,lf,=8 w T 得剑 状态方 :,8,6,杏+曰,。,9,l 1 f,l=【=e(o,台,)+,(,a)u E(0,0,)=一H2 1(D,6,0,杏)+D1 0)z(12)【2 V l 1 I,1=1 I,l;,2=E(D,臼,)+F
16、(9,)(1 3)【B 一 (,0,)(y a(a,e,白,)维普资讯 http:/ 机器人 2 0 0 8年 9月 其 中,是待设计控制律 4 控制器设计(C o n t r o l l e r d e s i g n)控 制器 设计 不仅要 考虑 输 出的跟 踪控 制,也 要考虑柔性模态的镇定U由输入 输出子系统控 制量。和内动态控制量 l i 组成,控制结构见图 1 上 图 1 柔 性机 械 手 控 制 结构 F i g 1 Co n t r o l s t r u c t u r e o f fl e x i b l e l i n k ma n i p u l a t o r s 4
17、 1 输 出跟踪控制 首先设计传统滑模控制器 1 2 ,得:。q=B (,o,)(+Ae A(a,0,0,)(1 4)U =B 一(,0,)K s s g n(s)(1 5)。是等效控制量,n,z)是滑模增益矩阵,l I 是切换控制量,A=d i a g 1 是滑模面参数,角标 r 表示参考量,角标 s 表示与切换控制相关的 量,s g n(s)=s g n(s 1)s g n(s )为符号函数向量 然后,。和 M 分别用两个前馈神经 网络来实 现,记 为 N Nl 和 NN2 NN1 用来计 算等效控制量。,网络结构见图 2 l ,2 图 2 N N1 结构图 F i g 2 S t r u
18、 c t u r e o f NN1 输入为,=1,4 】=y t T,个 数为 锄,隐层节点数与输入节点数相等为 4 n,输出 节点数为 n NN1 第 1 层权重矩阵为,第 2层权重 矩阵为 V K。q=d i a g l 为输出增益,等 效控制 向量。q=“。q l U e q n T,g()采用 s i g m o id 函数 N Nl 的输入输出关系为:产 1,M o t,=g(M i),=1,Ni :4 nl Mo u N o =g(N i J),=1,U e q =No u t j q ,J=1,n 从而得到神经滑模等效控制:,4 n (1 6)一,z (1 7)-08)l。q=
19、K。q g(V g(W,)(1 9)当系统状态进入滑动模态时,切换控制量 l I。为 0,系统的控制量 由 U e q 提供,因此 NNI 权重更新的 梯度方 向是使 l I 趋于零的方向定义指标函数为:J :1 2 n卢 l U 厂M )=l 2 :。(酣。,)2(2 0)f是系统状态在滑模面上 时的等效控制量,此 时 U s j=0 当“e q J 偏离“7时,“。J 0且用于补偿该偏 差,因此,一“e q 广U s J 采用反向递推算法来推导 N N1 的权重更新算法【7 NNl 权重 y更新算法为 d V i a J l 一I 1 1 一O Vj 一,l,i e q Y 0 No t
20、j 3 Ni J (2 1)一 dUe q j d V o u t j dNi i n :u l U s 砭q g l()Mo ti NN 权重 更新算法为 d Wj i a J 一一 一喹=(g (i),)-g ()I (2 2)NN 2 用于计算切换控制量 H。,网络非全连接,其 前 向通道是切换控制的计算过程 网络结构见 图 3 输入为误差向量E=e l e l I,个 数 为 2,l,隐层节点数与滑模 面个数相等为,输出 节点数为 n N N2 第 1 层权重矩阵为 G,第 2层权重 矩阵为 切换控制向量=U。1 】N N 2 的 输入输出关系为:=相 ,S o u r),=1,z(2
21、 3)维普资讯 http:/ 第 3 O卷第 5期 张 宇等:基于神经滑模 的柔性连杆机 械手末端位置控制4 0 7 严 1 S o u t f,=1,z(2 4)5 从而得到神经滑模切换控制“=K g(a E)(2 5)U 控制量应满足滑模到达条件,它的控制作 用是让 和 l I。趋 向于零因此定义指标函数 J 2 一九 s T +(1 一 ),0 1 (2 6)采用 B P算法推 导权 重更新算法 7】N N2 权重 更新算法为 一d gs j,i:一 堕 d f O Ks,f =2 y as j(f o g(s i)d 1 2 o(1 一 )u sjg(s i)(2 7)N N2 权重
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- 基于 神经 柔性 连杆 机械手 末端 位置 控制
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