結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器的制造方法
【專利摘要】結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，它包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和若干個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器給各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器提供控制信息；每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括速度控制器、位置控制器和電流控制器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器采用的是Elman網(wǎng)絡(luò)，Elman網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠克服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)中的問題，保證了收斂速度，并且學(xué)習(xí)規(guī)則方法得到簡化；輸入層連接傳感器的輸出，通過傳感器探測控制輸入信息，包括位置、速度、電流信號(hào)；Elman網(wǎng)絡(luò)通過自學(xué)習(xí)的方式完善其局部反饋和自反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)具有記憶功能，能夠適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境。
【專利說明】結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，屬于機(jī)器人自動(dòng)化 控制領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 在工業(yè)化與信息化不斷深度融合發(fā)展的今天，大型裝備的制造都需要重載機(jī)器人 的參與。重載機(jī)器人可以按照預(yù)定要求進(jìn)行工件的抓取和擺放，來完成重復(fù)性工作，以減輕 工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，對工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化起到推動(dòng)作用。
[0003] 重載機(jī)器人是一個(gè)高非線性、強(qiáng)耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)。機(jī)器人存在很多未知 因素以及其本身所具有的復(fù)雜性，致使其在工作中的定位和運(yùn)動(dòng)軌跡可能與理論值存在較 大出入，影響到工作性能，所以控制重載機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制問題。為了提高重載 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制精度，建立一個(gè)能正確反映機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)系的模型。
[0004] 傳統(tǒng)的單輸入單輸出線性控制方式無法滿足重載機(jī)器人的控制要求，需要基于動(dòng) 力學(xué)模型對其進(jìn)行非線性解耦和補(bǔ)償，然而目前國內(nèi)的主流機(jī)器人都是采用但輸入單輸出 的PID控制，強(qiáng)制將各軸解耦成SISO系統(tǒng)，沒有考慮到多軸耦合的影響，沒有達(dá)到閉環(huán)控制 的目的，跟蹤精度較差。
[0005] Elman網(wǎng)絡(luò)是一種典型的局部回歸網(wǎng)絡(luò)，它可看作是一個(gè)具有局部記憶單元和局 部反饋連接的前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Elman網(wǎng)絡(luò)具有與多層前向網(wǎng)絡(luò)相似的多層結(jié)構(gòu)。它的主要 結(jié)構(gòu)是前饋連接，包括輸入層、隱含層、輸出層，其連接權(quán)可以進(jìn)行學(xué)習(xí)修正；反饋連接由 一組"結(jié)構(gòu)"單元構(gòu)成，用來記憶前一時(shí)刻的輸出值，其連接權(quán)值是固定的。在這種網(wǎng)絡(luò)中， 除了普通的隱含層外，還有一個(gè)特別的隱含層，稱為承接層。該層從隱含層接收反饋信號(hào)， 每一個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)與之對應(yīng)的關(guān)聯(lián)層節(jié)點(diǎn)連接。承接層是Elmna神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特有 的，用來記憶隱含層單元前一時(shí)刻的輸出值，可以認(rèn)為是一步時(shí)延算子。Elmna神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由 承接層節(jié)點(diǎn)用來儲(chǔ)存內(nèi)部狀態(tài)，因此它比BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)一無二的動(dòng) 態(tài)特性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是傳統(tǒng)的單輸入單輸出線性控制方式無法滿足應(yīng)用 要求，提供了一種結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器。
[0007] 本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，其特征 是，它包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和若干個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器；
[0008] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器給各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器提供控制信息；每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括速度控 制器、位置控制器和電流控制器；
[0009] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器采用的是Elman網(wǎng)絡(luò)，Elman網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 能夠克服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)中的問題，保證了收斂速度，并且學(xué)習(xí)規(guī)則方法得到簡化；
[0010] 根據(jù)重載機(jī)器人位置控制器的設(shè)計(jì)，建立Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)，Elman結(jié)構(gòu)分 為輸入層、隱含層、承接層和輸出層。其輸入層單元起信號(hào)傳輸作用，輸出層起線性加權(quán)作 用，而隱含層的傳遞函數(shù)采用線性和非線性函數(shù)相結(jié)合。承接層選用線性的激活函數(shù)，記憶 隱含層單元前一時(shí)刻的輸出值，是一步時(shí)延算子。輸入層連接傳感器的輸出（如由伺服電 機(jī)通過其編碼器提供），通過傳感器探測控制輸入信息，包括位置、速度、電流信號(hào)。Elman 網(wǎng)絡(luò)通過自學(xué)習(xí)的方式完善其局部反饋和自反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)具有記憶功能， 能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境。
[0011] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出若干個(gè)位置信號(hào)、速度信號(hào)和電流信號(hào)分別給每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng) 器，每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過其編碼器將位置信號(hào)和速度信號(hào)反 饋給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器；
[0012] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器選用PC機(jī)和PLC共同搭建，PC機(jī)通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力完成 控制所需的計(jì)算；PLC主要完成信號(hào)處理和輸入輸出功能。
[0013] Elman型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂性分析：由于重載機(jī)器人輸入輸出的數(shù)據(jù)為一時(shí)間 序列或一組時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，在時(shí)間上是離散的，因此可以利用Elman型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建 立的離散時(shí)間的非線性系統(tǒng)來討論其穩(wěn)定性。
[0014] 如果系統(tǒng)一開始就處于平穩(wěn)狀態(tài)，那么它以后仍將保持這種狀態(tài)，Lyapunov穩(wěn)定 性研宄的是當(dāng)初狀態(tài)靠近平穩(wěn)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)軌跡的性質(zhì)，Lyapunov理論的三個(gè)基本概念是：穩(wěn) 定性、漸近穩(wěn)定性和全局穩(wěn)定性。概括地說，穩(wěn)定性對應(yīng)著連續(xù)依賴于初始狀態(tài)的系統(tǒng)的軌 跡；漸近穩(wěn)定性對應(yīng)著這樣的軌跡，它由非常靠近平衡點(diǎn)開始，而當(dāng)t-c?時(shí)，它實(shí)際上收 斂到平穩(wěn)狀態(tài)；全局漸近穩(wěn)定性則對應(yīng)著當(dāng)t-C?時(shí)，系統(tǒng)趨近于唯一平衡點(diǎn)的每一條軌 跡。
[0015] 經(jīng)過Lyapunov穩(wěn)定性定理證明了Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂性，為Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
[0016] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其逼近任意非線性系統(tǒng)的能力、獨(dú)特的容錯(cuò)性以及可方便地應(yīng)用于 多變量系統(tǒng)的能力，完全滿足重載機(jī)器人的非線性系統(tǒng)辨識(shí)與自適應(yīng)控制的需要。神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)控制器將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法運(yùn)用在其中，把機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)角度對應(yīng)于機(jī)器人末端在笛卡爾 坐標(biāo)系中位置和方向的映射關(guān)系得以確定，從而避免了機(jī)器人本身的幾何誤差和傳動(dòng)誤 差，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的位置精度。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器采用的是Elman網(wǎng)絡(luò)，Elman網(wǎng)絡(luò)是一種 動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以克服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)中的問題，保證了收斂速度，并且學(xué)習(xí)規(guī)則 方法得到簡化。通過Elman網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)重載機(jī)器人的非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的搭建。采用 這種有局部反饋和自反饋環(huán)節(jié)的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，使得結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī) 器人位置控制器具有了記憶功能，能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，大大提高了機(jī)器人的性 能。由于重載機(jī)器人輸入輸出的數(shù)據(jù)為一時(shí)間序列或一組時(shí)間序列的數(shù)據(jù)，在時(shí)間上是離 散的，因此利用Elman型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)漸近穩(wěn)定性對應(yīng)著這樣的軌跡，它由非常靠近平衡 點(diǎn)開始，而當(dāng)t-c?時(shí)，機(jī)器人的工作實(shí)際上收斂到平穩(wěn)狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖2為Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖3為Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實(shí)施方法。本發(fā)明所述的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī) 器人位置控制器，它包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和若干個(gè)伺服控制器。
[0022] 每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括位置控制器、速度控制器以及電流控制器。
[0023] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出若干個(gè)位置、速度和電流控制信號(hào)給每個(gè)伺服控制器。每個(gè) 伺服驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)反饋給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，其中反饋信號(hào)包括位置反饋信號(hào)、速度反 饋信號(hào)和電流反饋信號(hào)。每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)會(huì)通過其編碼器將 位置信號(hào)和電流信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器，然后再由伺服驅(qū)動(dòng)器將位置信號(hào)和電流信號(hào)反饋 給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。伺服電機(jī)的軸編碼器是用來反饋伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度（位置）給伺服 驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器收到反饋信號(hào)后再來控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)。形成閉環(huán)控制以達(dá)到精確控 制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置，速度。伺服電機(jī)跟椐型號(hào)不同有增量型編碼器和絕對編碼器之分。
[0024] 伺服電機(jī)跟椐型號(hào)不同有增量型編碼器和絕對編碼器之分
[0025] 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入 層連接伺服驅(qū)動(dòng)器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器有6個(gè)輸入和3個(gè)輸出，隱含層和承接層神經(jīng)元個(gè)數(shù) 定為10。承接層選用線性激活函數(shù)，隱含層選用非線性激活函數(shù)對數(shù)S型，采用這種有局部 反饋和自反饋環(huán)節(jié)的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，使得結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控 制器具有了記憶功能，能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，大大提高了機(jī)器人的性能。
[0026] 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器的輸入層連接伺服驅(qū)動(dòng)器。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制器有6個(gè)輸入和3個(gè)輸出，隱含層和承接層神經(jīng)元個(gè)數(shù)定為10。
[0027] 承接層選用線性激活函數(shù)：
[0028] f( · ) :f(z)=Z
[0029] 隱含層選用非線性激活函數(shù)對數(shù)S型：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，其特征是，它包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和 若干個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器給各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器提供控制信息；每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器包括速度控制 器、位置控制器和電流控制器； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器采用的是Elman網(wǎng)絡(luò)，Elman網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠 克服動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)中的問題，保證了收斂速度，并且學(xué)習(xí)規(guī)則方法得到簡化； 根據(jù)重載機(jī)器人位置控制器即各伺服驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，建立Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)， Elman結(jié)構(gòu)分為輸入層、隱含層、承接層和輸出層；其輸入層單元起信號(hào)傳輸作用，輸出層 起線性加權(quán)作用，而隱含層的傳遞函數(shù)采用線性和非線性函數(shù)相結(jié)合；承接層選用線性的 激活函數(shù)，記憶隱含層單元前一時(shí)刻的輸出值，是一步時(shí)延算子；輸入層連接傳感器的輸 出，通過傳感器探測控制輸入信息，包括位置、速度、電流信號(hào)；Elman網(wǎng)絡(luò)通過自學(xué)習(xí)的方 式完善其局部反饋和自反饋環(huán)節(jié)，使機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)具有記憶功能，能夠適應(yīng)比較復(fù)雜的 動(dòng)態(tài)環(huán)境； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器輸出若干個(gè)位置信號(hào)、速度信號(hào)和電流信號(hào)分別給每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器， 每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)通過其編碼器將位置信號(hào)和速度信號(hào)反饋給 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器選用PC機(jī)和PLC共同搭建，PC機(jī)通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能 力完成控制所需的計(jì)算；PLC主要完成信號(hào)處理和輸入輸出功能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，其特征是，結(jié) 合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器的輸入層連接伺服驅(qū)動(dòng)器；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器有6 個(gè)輸入和3個(gè)輸出，隱含層和承接層神經(jīng)元個(gè)數(shù)定為10 ;承接層選用線性激活函數(shù)，隱含層 選用非線性激活函數(shù)對數(shù)S型，采用這種有局部反饋和自反饋環(huán)節(jié)的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器，使得結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器具有記憶功能。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的重載機(jī)器人位置控制器，其特征是，神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的承接層選用線性激活函數(shù)： f ( ? ) :f (z) =z 隱含層選用非線性激活函數(shù)對數(shù)S型：
設(shè);^和，1是控制器的輸入和輸出信號(hào)，〇_#.和_-cf分別是承接層i結(jié)點(diǎn)的輸 入和輸出，分別是隱層j結(jié)點(diǎn)的輸入和輸出，wlu是輸入結(jié)點(diǎn)i和隱層結(jié) 點(diǎn)j的連接權(quán)值，w2u是隱層結(jié)點(diǎn)i和輸出結(jié)點(diǎn)j的連接權(quán)值，w3 u是承接層結(jié)點(diǎn)i和隱 層結(jié)點(diǎn)j的連接權(quán)值，反饋增益因子用U表示，〇 < y < 1; Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)表示為如下公式：

【文檔編號(hào)】G06N3/02GK104493826SQ201410810556
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月23日
【發(fā)明者】付磊, 王富林, 何杏興, 徐晗 申請人:南京熊貓電子股份有限公司, 南京熊貓電子裝備有限公司