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第
30
卷 第
24
期
中 国 机 械 工 程
Vol.30 No.24
2019
年
12
月
CHINA MECHANICALENGINEERING
pp
.2974G2977
基于
BP
神经网络的冗余机械臂逆运动学分析
刘世平
曹俊峰
孙
涛
胡江波
付
艳
张
帅
李世其
华中科技大学机械科学与工程学院
,
武汉
,
430074
摘要
:
常见的七自由度冗余机械臂逆运动学解法较为繁杂
,
且对不同构型机械臂的逆运动学解法通
用性较差
.
为了找到一种通用的七自由度机械臂逆运动学求解方法
,
建立了神经网络模型
,
选择了合适
的激励函数
、
隐藏层神经元数量
、
神经网络层数和学习速率等模型参数
.
设计轨迹跟踪实验对神经网络
模型进行验证
,
实验数据证明该方法有效且精度较高
,
是一种可行的冗余机械臂逆运动学求解方法
.
关键词
:
神经网络算法
;
七自由度
;
冗余机械臂
;
逆向运动学
;
精密度
中图分类号
:
TP242.6
DOI
:
10.3969
/
j
.issn.1004132X.2019.24.011
开放科学
(
资源服务
)
标识码
(
OSID
):
InverseKinematicsAnal
y
sisofRedundantMani
p
ulatorsBasedonBPNeuralNetwork
LIUShi
p
in
g
CAOJunfen
g
SUN Tao HUJian
g
bo FU Yan ZHANGShuai LIShi
q
i
SchoolofMechanicalScienceandEn
g
ineerin
g
,
Huazhon
g
Universit
y
of
ScienceandTechnolo
gy
,
Wuhan
,
430074
Abstract
:
General7DOFredundantmani
p
ulatorsinversekinematicssolution wascom
p
licated
,
andtheinversekinematicsofmani
p
ulatorswithdifferentconfi
g
urationswerelessversatile.Inorderto
finda
g
eneral7DOFmani
p
ulatorinversekinematicssolution
,
aneuralnetworkmodelwasestablished.
Model
p
arameterssuchasa
pp
ro
p
riateexcitationfunction
,
numbersofhiddenla
y
erneurons
,
numbersofneuG
ralnetworkla
y
ers
,
andlearnin
g
ratewereselected.Tra
j
ector
y
trackin
g
ex
p
erimentwasdesi
g
nedtoverif
y
theneuralnetworkmodel.Ex
p
erimentaldatashowthatthemethodhasefficienc
y
andhi
g
h
p
recision
,
whichisafeasiblemethodforsolvin
g
theinversekinematicsofredundantmani
p
ulators.
Ke
y
words
:
neuralnetworkal
g
orithm
;
7de
g
reeGofGfreedom
(
DOF
);
redundantmani
p
ulator
;
inverse
kinematics
;
p
recision
收稿日期
:
2018 07 05
修回日期
:
2019 10 19
基金项目
:
国家重点研发计划 资 助 项 目
(
2018YFB1306905
);
国
家自然科学基金资助项目
(
71771098
,
61772481
)
0
引言
目前常见的 机 械 臂 自 由 度 数 大 多 不 超 过
6
,
在给定末端位姿的情 况 下
,
机械臂 各 关节的 关 节
角有限制
.
机械 臂各关 节 角处于 奇 异形位 时
,
机
械臂可能出现无解的情况
.
冗余机械臂自由度大
于末端位姿参数个数 时
,
关节空 间 中有无 数 组解
与特定末端 位姿对 应
.
与非冗 余 机械臂 相 比
,
冗
余机械臂能实 现避障
[
1
]
,
具有容错
[
2
]
和 关 节 力 矩
优化
[
3
]
等功能
,
但冗余 特 性使其 逆 运动学 解 法 过
于繁杂
,
限制了 冗 余机械 臂 的应用
.
机械臂 运 动
学求解是机械臂位置 控 制的基 础
,
主要用 于 机械
臂末端执行器的精确 定 位和轨 迹 规划
,
因此研 究
如何快速获取精确的 机 械臂逆 运 动学模 型
,
实现
逆运动学求解具有重要的现实意义
.
七自由度冗余机械臂逆运动学求解方法主要
有几何解法
[
4
]
、
代数解法
[
5G6
]
和迭代解法
[
7
]
.
几何
解法通用性很差
,
具有一 定 的局限 性 且建模 求 解
过程 比 较 复 杂
,
但 具 有 计 算 较 快
、
精 度 较 高 的 优
势
[
8
]
.
代数解法在求解过程中涉及到的坐标变换
较多
,
运动学求解精度不高
,
有一定的误差
.
迭代
解法通过大量数据进行反复迭代
,
计算量很大
,
不
适用于实时在线 任务
.
SHIMIZU
等
[
9
]
提出了 臂
形角的概念
,
将冗余机械臂的前三个关节
、
第四个
关节
、
后三个关节分别类比于人体的肩关节
、
肘关
节和腕关节
,
通过 建立臂 形 角的约 束 来参数 化 求
解冗余机 械 臂的逆 运 动学
.
OZGOREN
等
[
10
]
采
用解析法完成了冗余机械臂的逆运动学求解并进
行了 相 应 的 优 化
,
但 求 解 过 程 复 杂
,
求 解 精 度 不
高
.
SINGH
等
[
11
]
在完成机械臂几何构型分析的
基础上
,
通过旋转角表示并确定肘关节的位置
,
进
而完成其他关节角 的运 动学 求解
.
LUO
等
[
12
]
为
解决具有关节偏置的 机 械手运 动 学求解 问 题
,
详
4792
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