791 滾筒采煤機(jī)截割部分的設(shè)計

791 滾筒采煤機(jī)截割部分的設(shè)計,滾筒,采煤,機(jī)截割,部分,部份,設(shè)計 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. Seo and G.-T. Park摘要：對于制造機(jī)器人來說兩足動物的體系結(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)相對的容易的任務(wù)。 然而，在走動的機(jī)制中介入復(fù)雜動力學(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)器人行走時的穩(wěn)定性的重要保障。 如果 ZMP 可以在線測量那么就將使為機(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)是通過兩足行走機(jī)器人實(shí)時測量出來的，在這之后在通過一套適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)（ANFS）將其造型。測量了在水平基準(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，還可以運(yùn)用于控制真正的機(jī)器人。1 介紹兩足動物結(jié)構(gòu)是對走動的機(jī)器人的最多才多藝的設(shè)定之一。兩足動物結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人即使在有臺階或障礙等的環(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，一個走動的機(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)決定了一個兩足的機(jī)器人的動態(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)可以被計算。然而，ZMP 價值指標(biāo)與計算值價值指標(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)該測量的，尤其是在它作為穩(wěn)定行走的控制參數(shù)時。在這項(xiàng)工作中，實(shí)際 ZMP 整周期走動數(shù)據(jù)是通過一個實(shí)用兩足走動機(jī)器人獲得的。機(jī)器人將在水平基準(zhǔn)面和 10 度傾斜面上被測試。一個適應(yīng)性神經(jīng)模糊系統(tǒng)(ANFS)將被用于控制一個復(fù)雜的真正的有兩足的走動機(jī)器人，以便于 ZMP 的建模，使其能應(yīng)用與控制中。2 有兩足的走動機(jī)器人2.1 有兩足的走動機(jī)器人的設(shè)計我們設(shè)計了并且制造了如圖 1 所示的有兩足的走動機(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 1700 g，包括個別電池。 通過使用鋁制結(jié)構(gòu)使機(jī)器人的重量減到了最小。每一個聯(lián)接都由一個遙控裝置控制，這個遙控裝置包括一個直流馬達(dá)、齒輪和一個簡單的控制器。每一臺遙控裝置都安裝在聯(lián)接結(jié)構(gòu)上。 這個結(jié)構(gòu)保證機(jī)器人是穩(wěn)定的(即不會容易跌倒 )并且給了機(jī)器人一個人類的外型。 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)器人的行走動作如圖 3–6 所示。圖 3、4 分別為機(jī)器人在平面行走時正視圖和側(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。行動時聯(lián)接的位置如圖 7.所示。 被測量的 ZMP 彈道是從這十個自由(DOF) （如圖 7.所示）的數(shù)據(jù)得到的。 二個自由度被分配到臀部和腳腕，每個膝蓋分配一個自由度。 使用這些連接角，一個循環(huán)走的樣式就會體現(xiàn)出來。 我們的機(jī)器人能連續(xù)地走，無需跌倒。 在附錄里總結(jié)了我們的機(jī)器人的四步行動的連接角。2.2 ZMP 測量系統(tǒng)在一個機(jī)器人腳部的 ZMP 彈道是步行的穩(wěn)定的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。 在許多研究中， ZMP 坐標(biāo)是通過使用機(jī)器人模型和連接處的編碼器傳出的信息用計算機(jī)計算出來的。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 時刻之前在任意時候代的力表。 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，在地面上的點(diǎn) P 是慣性和重力在 0 刻沒有沿軸的組分，平行與地面的點(diǎn)[1， 7]。圖 9 說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 Flexi Force A201 傳感器[8] 。 他們附在構(gòu)成腳的腳底板材的四個角落。 傳感器信號由一個 ADC 板數(shù)字化，與 10ms 的采樣時光。 測量在實(shí)時被執(zhí)行。腳壓力通過求和力量信號得到。 使用傳感器數(shù)據(jù)計算實(shí)際 ZMP 價值是容易的。 使用(1)，計算位置腳坐標(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 11–16 所示。 圖 11，13 和 15 顯示的是走動機(jī)器人在平面和 10 度傾斜面的四步走動的 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)線顯示的一個長方形領(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。3 ZMP 彈道建模在許多科學(xué)問題中，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。3.1 ANFS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 語句和模糊推理為基礎(chǔ)的一個普遍的計算的框架。 我們將使用 Sugeno 模糊模型，因?yàn)樵谶@個系統(tǒng)中，每一個規(guī)則都有明顯的輸出，總體的輸出將通過加權(quán)平均值給出。這樣就避免了計算的費(fèi)時過程。當(dāng)我們考慮在模糊建模時的模糊規(guī)則時發(fā)現(xiàn)，結(jié)果部分可以由一個恒定或一個線性的多項(xiàng)式表達(dá)。 可以用于模糊系統(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，我們必須記錄一個非線性系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是通過兩足行走機(jī)器人的十個輸入變量產(chǎn)生的模糊坐標(biāo)建立的，每個輸入變量會產(chǎn)生兩個模糊坐標(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。 一個是三角式，另一個是高斯式。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。在這個系統(tǒng)中假設(shè)每個輸入有兩個模糊值與它對應(yīng)，如圖 18 所示。標(biāo)記 P 的值給出的是所有輸入信號的乘積， ，而這些標(biāo)記的 N 的值計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算法并且只確定結(jié)果多項(xiàng)式函數(shù)的趨勢。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)被申請為兩足走動機(jī)器人的 ZMP 彈道建模，通過運(yùn)用機(jī)器人測量傳出的數(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 32－41 所示）將用于過程參量。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。我們在圖 20－25 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，我們可以看見由 ANFS 產(chǎn)生的相應(yīng)的 ZMP 彈道。簡而言之，兩個膝蓋的過程參數(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算負(fù)擔(dān)。 在這種情況下 ANFS 的仿真條件和它對應(yīng)的 MSE（均方的誤差）價值在表 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)器人所測量出的實(shí)際 ZMP 彈道（如圖 11－16 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實(shí)際的兩足結(jié)構(gòu)走動機(jī)器人。3.3 比較我們現(xiàn)在把 ANFS 的表現(xiàn)與三種統(tǒng)計回歸模型的數(shù)學(xué)模型相比較。對于每個統(tǒng)計回歸模型，四個不同案件類型被修建了。它們在兩種輸入下的一般表達(dá)式如下：這里 ci 是回歸常數(shù)。對應(yīng)的 MSE 值在表 5–7 里被給出。它測量第二類型給 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26－31 所示。我們可以認(rèn)為， ANFS 比統(tǒng)計回歸模型展示了一條相當(dāng)?shù)馗玫?ZMP 彈道。4 個結(jié)論一個實(shí)用的裝載模糊神經(jīng)系統(tǒng)的零彈道兩足結(jié)構(gòu)走動機(jī)器人被展示出來。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。我們試圖建立過程參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系，并且通過將其運(yùn)用于一個兩足結(jié)構(gòu)走動機(jī)器人來解釋經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。整個走動過程的 ZMP 數(shù)據(jù)通過讓一個實(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)走動機(jī)器人。如圖 32－41 所示。5 鳴謝這項(xiàng)工作由韓國科學(xué)和工程學(xué)基金會的基礎(chǔ)性研究計劃的第 R01-2005-000-11-44-0 支持。6 參考文獻(xiàn)1 Erbatur、F.、 Okazaki、A.、Obiya、K.、Takahashi 、T.和 Kawamura， A. ：“一項(xiàng)關(guān)于兩足結(jié)構(gòu)走動機(jī)器人的零刻點(diǎn)測量的研究” 。 Proc.7th Int。 關(guān)于先進(jìn)的運(yùn)動控制 2002 年，第 431–436 頁。2 Vukobratovic、M.、Brovac、B. 、Surla、D.和 Stokic， D. ： ‘運(yùn)動機(jī)器人’ (Springer-Veriag1990)3 Takanishi、A.、Ishida 、M.、Yamazaki、Y.和 Kato， I. ： “動態(tài)走的機(jī)器人 WL-10RD的認(rèn)識” 。 Proc。 Int. 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