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采用APSO-LM-BP神经网络的挖掘机器人运动学逆解研究

蔡改贫 刘鑫 罗小燕 罗茜茜

蔡改贫, 刘鑫, 罗小燕, 罗茜茜. 采用APSO-LM-BP神经网络的挖掘机器人运动学逆解研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 706-713. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200
引用本文: 蔡改贫, 刘鑫, 罗小燕, 罗茜茜. 采用APSO-LM-BP神经网络的挖掘机器人运动学逆解研究[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(5): 706-713. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200
Cai Gaipin, Liu Xin, Luo Xiaoyan, Luo Xixi. Inverse Kinematics Solution of Mining Robot via APSO-LM-BP Neural Network[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 706-713. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200
Citation: Cai Gaipin, Liu Xin, Luo Xiaoyan, Luo Xixi. Inverse Kinematics Solution of Mining Robot via APSO-LM-BP Neural Network[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(5): 706-713. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200

采用APSO-LM-BP神经网络的挖掘机器人运动学逆解研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190200
基金项目: 

江西省重点研发计划项目 20181ACE50034

国家自然科学基金项目 51464017

详细信息
    作者简介:

    蔡改贫(1964-), 教授, 博士, 研究方向为大破碎比物料破磨机理研究、工业机器人应用研究等, cgp4821@163.com

  • 中图分类号: TP273+.1

Inverse Kinematics Solution of Mining Robot via APSO-LM-BP Neural Network

  • 摘要: 针对挖掘机器人执行机构的运动学逆解求解难、速度慢的问题,提出一种基于APSO-LM-BP神经网络的逆运动学求解方法。利用自适应粒子群(APSO)算法对BP神经网络中的连接权值以及阈值进行优化,再把BP神经网络训练过程中的梯度下降法用LM算法代替,以克服传统BP神经网络的输出误差大,陷入局部极优解的缺陷。仿真结果表明,与传统BP神经网络相比,APSO-LM-BP神经网络输出误差大大降低,训练时间更短,改善了算法的收敛精度和收敛速度,且满足挖掘机器人运动学逆解要求。该方法可以推广至任意自由度串联机器人的逆运动学求解,具有较强的实用性。
  • 图  1  挖掘机器人实体结构图

    图  2  D-H坐标结构简图

    图  3  几何法求取运动学逆解示意图

    图  4  BP神经网络原理图

    图  5  部分目标曲线俯视图

    图  6  关节空间角度随时间变化曲线

    图  7  APSO-LM-BP神经网络示意图

    图  8  两种算法逆解预测误差对比图

    图  9  两种算法迭代250次后收敛对比图

    表  1  矿用挖掘机器人DH参数

    关节i θi/(°) ai/m αi/(°) di/m
    1 -180~180 0 90 0.197
    2 -51~75 3.70 0 0
    3 -148~30.5 1.68 0 0
    4 -160~32 1.07 0 0
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    表  2  传统BP神经网络和APSO-LM-BP神经网络两随机点预测结果对比

    铲斗末端位置坐标 (0.31, 0.25, 0.19) (0.39, 0.42, 0.41)
    传统BP逆解 (3.487, 3.914, 2.359) (3.635, 3.029, 3.353)
    传统BP神经网络 铲斗末端预测位置坐标 (0.241, 0.165, 0.119) (0.362, 0.361, 0., 317)
    绝对误差 (0.068, 0.085, 0.071) (0.028, 0.059, 0.093)
    APSO-LM-BP逆解 (3.590, 3.864, 2.368) (3.649, 3.131, 3.353)
    APSO-LM-BP神经网络 铲斗末端预测位置坐标 (0.292, 0.264, 0.1, 96) (0.398, 0.411, 0.420)
    绝对误差 (0.018, 0.014, 0.004) (0.008, 0.009, 0.010)
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    表  3  两算法训练时间对比情况

    算法 训练时间/s
    第一次 第二次 第三次 第四次 第五次
    传统BP神经网络 439 441 457 450 436
    APSO-LM-BP神经网络 8.354 8.128 8.647 8.267 8.053
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2019-04-29
  • 刊出日期:  2020-05-05

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