第第頁共=NUMPAGES24-321頁水下電動(dòng)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法研究目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 21.1課題研究背景 21.2研究目標(biāo)及內(nèi)容 21.2.1研究目標(biāo) 21.2.2研究內(nèi)容 31.3研究意義 32水下電動(dòng)機(jī)械臂總體方案設(shè)計(jì) 32.1水下機(jī)械臂技術(shù)指標(biāo) 32.2水下電動(dòng)機(jī)械臂整體設(shè)計(jì) 32.2.1機(jī)械臂自由度選擇 32.2.2機(jī)械臂整體模型建立 42.2.3機(jī)械臂材料選擇 62.2.4驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 72.3關(guān)鍵零件的有限元分析 83基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法研究 113.1模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法簡述 113.1.1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法 113.1.2模糊控制方法 123.1.3模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法 133.2模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì) 133.2.1控制模型的建立 133.2.2模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 143.2.3控制律設(shè)計(jì) 173.2.4控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 174結(jié)論 20參考文獻(xiàn) 22摘要：針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，其能夠體現(xiàn)多種特點(diǎn)，其中比較典型的包括非線性、強(qiáng)耦合性等，而在相對(duì)比較復(fù)雜的水環(huán)境當(dāng)中，水動(dòng)力因素往往會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，難以構(gòu)建高精度的控制模型，常規(guī)控制方法難以起到預(yù)期的效果。所以，面向水下機(jī)械臂，設(shè)計(jì)一種精度較高、穩(wěn)定性較好、控制較有效的控制方法是非常重要的研究方向。本文以此為基礎(chǔ)，將設(shè)計(jì)的水下電動(dòng)機(jī)械臂作為模型，提出了一類基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，進(jìn)而優(yōu)化水下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制性能。關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；運(yùn)動(dòng)控制；驅(qū)動(dòng)方式1緒論1.1課題研究背景本課題來源于海洋工程設(shè)備研究項(xiàng)目，屬于企業(yè)研究項(xiàng)目。本研究的目的是開發(fā)一類水下電動(dòng)五軸機(jī)械臂，通過計(jì)算得到其運(yùn)動(dòng)學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模型，此后以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)提出了一類基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法，進(jìn)而對(duì)五軸水下機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)耦合仿真分析，對(duì)此類方法的實(shí)用效果進(jìn)行校驗(yàn)。在進(jìn)入本世紀(jì)之后,全球各國都對(duì)海洋資源的開發(fā)和利用給予了高度的重視，許多沿海國家甚至將海洋開發(fā)提升到國家戰(zhàn)略的高度。而我國這方面的資源儲(chǔ)量也非常充足，大陸岸線的總長度大概為1.8萬多千米，超過600平方米的海島總共有五千多個(gè)，海洋資源的類型也豐富多樣，其中比較典型的包括生物資源、海水資源等。因此，我們有必要對(duì)海洋資源進(jìn)行有效監(jiān)測和開發(fā)，這是我國社會(huì)不斷發(fā)展的客觀要求。而針對(duì)水下機(jī)器人而言，它在探索海洋方面能夠發(fā)揮重要作用,因此其受到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注?！度珖Ｑ蠼?jīng)濟(jì)發(fā)展‘‘十三五”規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)“加快深海礦業(yè)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)深海資源利用產(chǎn)業(yè)化。重點(diǎn)開發(fā)全海深潛水器?！薄逗Ｑ蠊こ萄b備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（2011-2020）》提出，應(yīng)不斷發(fā)展國際海洋工程設(shè)備前沿的各項(xiàng)技術(shù)，改善傳統(tǒng)的資源利用體系。除此之外,我們應(yīng)對(duì)概念技術(shù)給予充分的重視,從而增強(qiáng)整體的技術(shù)開發(fā)實(shí)力。國家在宏觀政策方面給予了海洋工程極大的支持,我們可以預(yù)見,在未來很長的一段時(shí)間內(nèi),海洋工程裝備的開發(fā)必將是國家重點(diǎn)攻堅(jiān)的項(xiàng)目。對(duì)于海洋的探索和資源開發(fā)，水下機(jī)器人是現(xiàn)階段不可或缺的設(shè)備，然而這種設(shè)備要穩(wěn)定作業(yè)，其必須得到水下機(jī)械臂的支持。這種機(jī)械一般情況下裝配于艏部，它能夠進(jìn)行穩(wěn)定的操控，從而實(shí)現(xiàn)特定的作業(yè)任務(wù)。對(duì)于水下機(jī)械臂的可靠性來講，其很大程度上體現(xiàn)了水下機(jī)器人的功能特性。這種設(shè)備在開采平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了有效推廣，同時(shí)，它在資源勘探、國防軍事等各個(gè)方面它都能夠體現(xiàn)重要作用。所以，對(duì)其展開深入探究具有不可忽視的價(jià)值意義。而伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在響度比較復(fù)雜的水環(huán)境中，唯有使水下機(jī)械臂表現(xiàn)出高度的適應(yīng)性，出眾的靈活性，優(yōu)良的抗沖擊性，才能夠使其發(fā)揮預(yù)期的功能作用。1.2研究目標(biāo)及內(nèi)容1.2.1研究目標(biāo)針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，其能夠體現(xiàn)多種特點(diǎn)，其中比較典型的包括非線性、強(qiáng)耦合性等，而在相對(duì)比較復(fù)雜的水環(huán)境當(dāng)中，水動(dòng)力因素往往會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，難以構(gòu)建高精度的控制模型，常規(guī)控制方法難以起到預(yù)期的效果。所以，業(yè)界學(xué)者對(duì)該課題進(jìn)行了系統(tǒng)性的探討和分析。本文設(shè)計(jì)了一類水下電動(dòng)五軸機(jī)械臂，根據(jù)相關(guān)規(guī)范構(gòu)建水動(dòng)力學(xué)模型，此后以該模型為基礎(chǔ)，提出了一類優(yōu)化的控制方法，其很大程度上將模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為核心，如此就能夠進(jìn)行多關(guān)節(jié)耦合研究，進(jìn)而對(duì)這種方法的有效性展開良好的校驗(yàn)。1.2.2研究內(nèi)容本研究先是對(duì)水下五軸電動(dòng)機(jī)械臂展開綜合性分析，此后建立了標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，結(jié)合關(guān)于水動(dòng)力的各類未知性問題，本文提出了一類改良的控制器，其很大程度上將模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為核心，從而有效的逼近補(bǔ)償，最后利用Lyapunov理論對(duì)系統(tǒng)所表現(xiàn)出的各類特性展開校驗(yàn)，并將其與其他算法進(jìn)行搭配應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)仿真分析，對(duì)控制方法的實(shí)用效果進(jìn)行了校驗(yàn)。1.3研究意義對(duì)于該設(shè)備的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來講,其不但能夠表現(xiàn)出傳統(tǒng)設(shè)備的特性,同時(shí)能夠表現(xiàn)出非常顯著的耦合性，在海洋環(huán)境中水動(dòng)力因素往往會(huì)對(duì)該系統(tǒng)的控制產(chǎn)生較為突出的影響，并且難以采集高精度的控制模型,常規(guī)控制方法所發(fā)揮的效果往往不夠理想。所以，我們有必要對(duì)該課題展開深入探究,從而設(shè)計(jì)一類更為科學(xué)和穩(wěn)定的控制方法。2水下電動(dòng)機(jī)械臂總體方案設(shè)計(jì)針對(duì)此類機(jī)械而言,其整體架構(gòu)較為復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要分析相對(duì)較多的因素，特別是在水環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，防水方面的特性更是重中之重。本部分將結(jié)合相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)該機(jī)械展開綜合設(shè)計(jì)，其涉及到多個(gè)方面,比較典型的包括自由度、驅(qū)動(dòng)方式等。最后，本文對(duì)多樣性的元件進(jìn)行分析，并對(duì)相關(guān)指標(biāo)展開校驗(yàn)。2.1水下機(jī)械臂技術(shù)指標(biāo)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施的客觀需求，設(shè)計(jì)過程中所涉及到的各類指標(biāo)具體參考下表：表2-1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)本文開發(fā)的機(jī)械比較輕小，其占據(jù)的空間不大，整體架構(gòu)復(fù)雜性低，成本控制在適宜的水平，對(duì)于常規(guī)的水下作業(yè)具有良好的適用性。2.2水下電動(dòng)機(jī)械臂整體設(shè)計(jì)2.2.1機(jī)械臂自由度選擇在對(duì)該系統(tǒng)展開設(shè)計(jì)時(shí)，這個(gè)因素是非常重要的部分。此外,因?yàn)槠湮稽c(diǎn)和姿勢很大程度上是利用各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)和配合實(shí)現(xiàn)的，所以其需要將自由度提升至適宜的水平,使執(zhí)行器能夠調(diào)整至目標(biāo)位點(diǎn),假如自由度相對(duì)較大，操作流程就愈加繁雜,控制標(biāo)準(zhǔn)就更加嚴(yán)苛。反之，如果其自由度相對(duì)較小，機(jī)器臂能夠完成的動(dòng)作復(fù)雜性就較低,而且往往會(huì)受到其他因素的限制。如果操作難度相對(duì)較低，其必然會(huì)使維護(hù)工作的復(fù)雜性明顯降低。本研究開發(fā)的裝置重點(diǎn)應(yīng)用了ROV，如此就可以使其可靠的完成各項(xiàng)工作任務(wù)，同時(shí)，AUV可以結(jié)合接收的指令對(duì)目標(biāo)位點(diǎn)展開調(diào)節(jié)，使其表現(xiàn)出較為理想的自由度，一般情況下只需要確保常規(guī)的樣品采集能夠符合要求。然而，在較為繁雜的水環(huán)境中，我們應(yīng)防止AUV本體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)超過一定限度，從而最大化的降低本體所產(chǎn)生的能耗，所以該裝置的自由度應(yīng)控制在適宜水平。整體來講，本文將自由度設(shè)置為5，并配置了完善的手爪功能，從而使其具有良好的應(yīng)用價(jià)值。本研究開發(fā)的設(shè)備通過多個(gè)部分構(gòu)成，其中比較典型的包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、手爪等，重點(diǎn)涉及到底座回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R1、手爪回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)R5等部分，詳情參考下圖。圖2-1機(jī)械臂自由度結(jié)構(gòu)簡圖2.2.2機(jī)械臂整體模型建立結(jié)合預(yù)設(shè)的參數(shù)，臂長的極大值為450mm，抓取目標(biāo)直徑的極大值為70mm。此后本文就可以通過專業(yè)工具完成標(biāo)準(zhǔn)化的建模，得到的模型具體參考下圖。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)通過多個(gè)部分構(gòu)成，其中比較典型的包括底座、腕部模塊等，各部分的轉(zhuǎn)動(dòng)很大程度上通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)。圖2-2機(jī)械臂裝配體三維模型該機(jī)械結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)最大化的降低控制部分的復(fù)雜性，而從結(jié)構(gòu)的層面而言，我們可以選擇模塊化的設(shè)計(jì)方式，即所有關(guān)節(jié)模塊都通過特定的器件構(gòu)成，其中比較典型的包括電機(jī)、傳感裝置等，各部分在設(shè)計(jì)結(jié)束之后，只需要對(duì)各部分的銜接情況進(jìn)行分析。此外，底座可以根據(jù)規(guī)范與ROV搭配應(yīng)用，而最下層能夠與指定的電機(jī)實(shí)現(xiàn)銜接，腕部模塊等各個(gè)部分的連接一般利用電機(jī)軸進(jìn)行穩(wěn)定連接，另一側(cè)主要利用軸承進(jìn)行固定，腕部末端可以利用電機(jī)軸與指定模塊進(jìn)行銜接，從而使其回轉(zhuǎn)自由度能夠達(dá)到比較理想的水平。它的整體情況具體參考下圖，電機(jī)能夠?qū)μ囟▊?cè)起到驅(qū)動(dòng)的作用，兩指能夠?qū)崿F(xiàn)高度同步的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多樣性的動(dòng)作，其開合角度很大程度上受到手爪電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。圖2-3手爪模塊結(jié)構(gòu)圖2.2.3機(jī)械臂材料選擇機(jī)械臂的材料選取與多種因素存在緊密關(guān)聯(lián)，其中比較典型的包括工作環(huán)境、工作需求等，尤其是針對(duì)水下機(jī)械臂而言，其不但對(duì)穩(wěn)定性、實(shí)用性存在較高要求，并且其必須體現(xiàn)良好的耐腐蝕性。該機(jī)械在水中作業(yè)的過程中，其往往會(huì)受到多種因素的影響，其中比較典型的包括附加質(zhì)量力，浮力等，如果本體重量相對(duì)較小，那么它可以大幅度減小運(yùn)動(dòng)慣性，從而使水動(dòng)力所產(chǎn)生的影響最大化的降低。所以，在對(duì)機(jī)械臂材料進(jìn)行選型的過程中，我們必須考慮多樣性的因素，其中比較典型的包括密度、耐腐蝕性等，當(dāng)前來講，應(yīng)用較多的材料包括下述類型：1.錯(cuò)合金因?yàn)槠浔砻鞔嬖谝粚友趸ぃ绱司兔黠@提升了其耐腐蝕性，所以它在水下設(shè)備的加工過程中應(yīng)用較多，對(duì)于水下機(jī)械臂的制備具有良好的適用性。比如對(duì)于6061-T6號(hào)錯(cuò)合金來講，其能夠表現(xiàn)優(yōu)良的功能特性，密度達(dá)到2.72g/cm3，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到310MPa。2.不銹鋼這種材料能夠表現(xiàn)出比較理想的抗腐蝕性，本設(shè)計(jì)中可供選擇的不銹鋼主要包括兩類，其分別為304和316不銹鋼。對(duì)于后者而言，其融合了一定Mo，如此就使其具有出眾的耐腐蝕性，在海水設(shè)備的制備中應(yīng)用較多，它的密度達(dá)到8.03g/cm3,而相應(yīng)的參數(shù)大約為620MPa。3.欽合金這種材料的指標(biāo)較為理想，能夠體現(xiàn)非常理想的化學(xué)性質(zhì)，因此它在諸多領(lǐng)域都表現(xiàn)出不可忽視的應(yīng)用價(jià)值。另外，這種材料的抗腐蝕性十分出眾，對(duì)于濕度較高的環(huán)境或者水環(huán)境具有良好的適用性。結(jié)合上述分析，我們可以發(fā)現(xiàn)此類材料對(duì)于水下機(jī)械臂十分適用，然而其價(jià)格相對(duì)較高，表現(xiàn)出的工藝性能不夠理想，無法實(shí)現(xiàn)有效推廣。本文開發(fā)的水下機(jī)械臂是非常典型的輕型機(jī)械臂，其空氣重量不超過3千克，對(duì)材料強(qiáng)度不存在嚴(yán)苛的要求。鋁合金與其他材料相比，其密度相對(duì)較低，加工難度不大，與鈦合金進(jìn)行對(duì)比，其經(jīng)濟(jì)性非常出眾。所以本設(shè)計(jì)主要選用6061-T6號(hào)招合金。2.2.4驅(qū)動(dòng)方式及驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇各類驅(qū)動(dòng)方式都具有獨(dú)特的性質(zhì)，必須結(jié)合多方面的要素進(jìn)行考慮，其中比較典型的包括工作內(nèi)容，控制功能等，從而界定最為理想的驅(qū)動(dòng)方法。本研究開發(fā)的機(jī)械體積較小，并且為了避免水資源受到污染，對(duì)位置精度進(jìn)行一定優(yōu)化，本研究重點(diǎn)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。在對(duì)其進(jìn)行具體選型的過程中，我們有必要對(duì)其驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行分析，因?yàn)楦麝P(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速率不高，慣性力對(duì)關(guān)節(jié)模塊產(chǎn)生的影響不大，因此可以不作考慮，在這種情況下，本文重點(diǎn)對(duì)關(guān)節(jié)力矩展開分析，相應(yīng)的算術(shù)式為T=MｘL，在該式子中，M主要代表的是驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量，L在此處主要代表的是力臂，下文將大臂俯仰關(guān)節(jié)作為探討的實(shí)例，進(jìn)而對(duì)其核心參數(shù)進(jìn)行分析。對(duì)于俯仰關(guān)節(jié)而言，其實(shí)際承受的力矩相對(duì)較大，它能夠?qū)Χ鄠€(gè)部件發(fā)揮驅(qū)動(dòng)作用，其中比較典型的包括大臂模塊、手爪等，而各部分的質(zhì)量可在材料屬性中進(jìn)行具體調(diào)試，即M大臂驅(qū)動(dòng)＝M大臂+M小臂+M腕部+M手爪+M負(fù)載=2kg公式（2-1）驅(qū)動(dòng)質(zhì)量的質(zhì)心能夠結(jié)合規(guī)范進(jìn)行測定，具體情況參考下圖，驅(qū)動(dòng)力臂的極大值為L＝242mm。結(jié)合T＝MｘL進(jìn)行分析，該關(guān)節(jié)核心參數(shù)的極大值為T=48.4kg.cm結(jié)合上述方法我們可以推出其他構(gòu)件的各項(xiàng)指標(biāo)，其重點(diǎn)涉及到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量、最大驅(qū)動(dòng)力矩等方面，具體情況參考下表。表2-2各關(guān)節(jié)的最大驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算值為了能夠優(yōu)化其經(jīng)濟(jì)性，并最大化的降低其復(fù)雜程度，在確保位置精度得到保證的條件下，其總體成本應(yīng)最大化的降低，而舵機(jī)是一類功能特性十分出眾的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其整體架構(gòu)具體參考結(jié)構(gòu)圖2-5，它通過多個(gè)部分構(gòu)成，其中比較典型的包括齒輪組、殼體等，不但能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的輸出，而且其占用的空間不大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并且能夠表現(xiàn)優(yōu)良的防水特性，可以良好的適應(yīng)水下環(huán)境。所以，為了有效降低各主要構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量，我們有必要選用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的模式。圖2-5舵機(jī)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖針對(duì)大臂俯仰關(guān)節(jié)而言，其驅(qū)動(dòng)力矩的極大值應(yīng)進(jìn)行合理的設(shè)置，為確保其安全余量符合要求，結(jié)合現(xiàn)階段的舵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，其轉(zhuǎn)矩可以設(shè)置為60kg.cm。針對(duì)小臂俯仰關(guān)節(jié)來講，為了使零件能夠符合相關(guān)的力矩標(biāo)準(zhǔn)，舵機(jī)在一般情況下應(yīng)該選用同型號(hào)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，我們可以將其型號(hào)界定為DG-2030號(hào)，其他參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)。2.3關(guān)鍵零件的有限元分析對(duì)于此類方法而言，其重點(diǎn)是對(duì)物理系統(tǒng)負(fù)載情況進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際要求建立完善的仿真系統(tǒng)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，通過該方法能夠?qū)C(jī)械，電磁等各個(gè)層面展開仿真分析，無需在樣品加工結(jié)束之后再進(jìn)行分析。這樣不但明顯提升了設(shè)計(jì)效率，并且讓時(shí)間成本獲得良好的控制。伴隨科技的進(jìn)步，有限元法在諸多工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，其重點(diǎn)涉及到汽車、機(jī)械制造等多個(gè)方面。通過Solidworks對(duì)目標(biāo)機(jī)械進(jìn)行三維建模之后，我們可以在特定的模塊內(nèi)對(duì)其展開研究。如果這種有限元分析的結(jié)果不能夠達(dá)到要求的時(shí)候就需要回到原來建模的模塊中對(duì)原來的模型進(jìn)行修改，然后再次進(jìn)行檢查進(jìn)行分析，從而使得分析的結(jié)果達(dá)到要求。這種方法的優(yōu)勢是不需要再次借助其他的分析軟件，而是在這一個(gè)軟件中就可以完成設(shè)計(jì)、分析以及優(yōu)化的結(jié)果，通過這種方式能夠使得零件的設(shè)計(jì)效率得到大大的提升，也使得設(shè)計(jì)的軟件結(jié)果能夠更加滿足預(yù)先的模型要求。另外要注意的一點(diǎn)是材料強(qiáng)度的問題，如果材料強(qiáng)度不足是會(huì)引發(fā)很多問題的。舉例來說，如果材料強(qiáng)度不夠，在機(jī)械臂的大臂和機(jī)械臂大臂鏈接關(guān)節(jié)在高負(fù)載的情況下，是非常容易發(fā)生變形，甚至是垮塌的。所以在機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，必須采用有限元分析的方法對(duì)機(jī)械臂的關(guān)鍵材料的強(qiáng)度進(jìn)行分析，確保材料強(qiáng)度是符合要求的。這部分連接關(guān)節(jié)的整體情況具體參考下圖，此時(shí)可根據(jù)要求對(duì)其展開研究，首先，對(duì)連接孔添加扭矩的極大值T=48.4kg.cm，繼而對(duì)其連接孔參數(shù)展開標(biāo)準(zhǔn)化的校驗(yàn)，其應(yīng)力情況具體參考圖2-9，通過該圖我們能夠發(fā)現(xiàn)，該關(guān)節(jié)符合相關(guān)要求。圖2-8大臂鏈接關(guān)節(jié)圖2-9大臂鏈接關(guān)節(jié)強(qiáng)度分析結(jié)果應(yīng)力圖機(jī)械臂大臂模型如圖2-10所示，我們對(duì)其進(jìn)行有限元分析，在承受扭矩的連接孔上添加上節(jié)所求得的最大扭矩T=29.Skg/cm，進(jìn)而對(duì)其連接孔的各項(xiàng)指標(biāo)展開校驗(yàn)，具體情況參考圖2-11，最后得到的數(shù)據(jù)顯示，其應(yīng)力強(qiáng)度的極大值達(dá)到1.558MPa，所以其大臂滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。圖2-10大臂模型圖圖2-11大臂強(qiáng)度分析結(jié)果應(yīng)力圖3基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法研究針對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而言，其能夠體現(xiàn)多種特點(diǎn)，其中比較典型的包括非線性、強(qiáng)耦合性等，而在相對(duì)比較復(fù)雜的水環(huán)境當(dāng)中，水動(dòng)力因素往往會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，難以構(gòu)建高精度的控制模型，常規(guī)控制方法難以起到預(yù)期的效果。所以，業(yè)界學(xué)者對(duì)該課題進(jìn)行了系統(tǒng)性的探討和分析。本文設(shè)計(jì)了一類水下電動(dòng)五軸機(jī)械臂，根據(jù)相關(guān)規(guī)范構(gòu)建水動(dòng)力學(xué)模型，此后以該模型為基礎(chǔ)，提出了一類優(yōu)化的控制方法，其很大程度上將模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為核心，如此就能夠進(jìn)行多關(guān)節(jié)耦合研究，進(jìn)而對(duì)這種方法的有效性展開良好的校驗(yàn)。前面章節(jié)主要分析了水下電動(dòng)機(jī)械臂的技術(shù)指標(biāo)和總體設(shè)計(jì)，前面章節(jié)做出了水動(dòng)力方程的設(shè)計(jì)，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的模型是以水動(dòng)力方程為運(yùn)動(dòng)控制的模型。通過模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法研究可以識(shí)別水動(dòng)力的不確定項(xiàng)，并對(duì)水動(dòng)力的不確定項(xiàng)進(jìn)行擬合。這種主要針對(duì)水下機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，選擇該方法是由于其推理速度比較優(yōu)良。通過這種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的水下機(jī)械臂系統(tǒng)的性能能夠得到良好的提升。基于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法戶要是能夠使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代系統(tǒng)，或是是能夠取代前饋控制器和預(yù)濾波器，這樣就能夠良好的改善水下機(jī)械臂的非線性的控制系統(tǒng)，因?yàn)樗聶C(jī)械臂的系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，它的模型不需要完全精準(zhǔn)的控制，只要其模型參數(shù)與其他模型的參數(shù)相近，就能夠得到比較好的控制效果。3.1模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法簡述3.1.1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法Pitts在上個(gè)世紀(jì)四十年代系統(tǒng)性地論述了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，在經(jīng)過半世紀(jì)之后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價(jià)值被進(jìn)一步發(fā)掘出來，其涵蓋大量的模型，比較具有代表性的是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它在當(dāng)前應(yīng)用較廣。對(duì)于此類網(wǎng)絡(luò)來講，它能夠?qū)Ω魇礁鳂拥姆蔷€性關(guān)系展開映射，學(xué)習(xí)的難度不高，可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。結(jié)合圖3-1進(jìn)行分析，我們能夠發(fā)現(xiàn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)涵蓋多個(gè)層級(jí)，其中比較典型的包括輸入層、輸出層等。針對(duì)前者而言，其主要通過信號(hào)源節(jié)點(diǎn)構(gòu)建而成，它的主要作用是把目標(biāo)變量添加至網(wǎng)絡(luò)，并且不對(duì)其進(jìn)行任何形式的變換；此外，后者的節(jié)點(diǎn)數(shù)與多種因素有關(guān)，其中比較典型的是網(wǎng)絡(luò)精度，其神經(jīng)元核函數(shù)絕大部分為高斯函數(shù)，可以對(duì)目標(biāo)變量實(shí)現(xiàn)科學(xué)的空間映射；針對(duì)輸出層來講，其核心作用是對(duì)目標(biāo)信號(hào)展開分析，關(guān)聯(lián)的函數(shù)能夠表現(xiàn)出顯著的線性特點(diǎn)。圖3-1RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)示意圖3.1.2模糊控制方法就現(xiàn)階段來講，模糊控制的方法是比較成熟的，并且使用范圍是比較廣的。本文在設(shè)計(jì)過程中使用了模糊控制的方法，主要原因是對(duì)于水下機(jī)械臂的系統(tǒng)是時(shí)變系統(tǒng)，它具有強(qiáng)非線性以及強(qiáng)耦合性的特點(diǎn)，鑒于這種特點(diǎn)他是沒有辦法建立比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型的。所以要采用模糊控制的方法。這也是根據(jù)水下機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程得出的。而采用模糊控制的方法的好處就是可以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)或是專家的專業(yè)知識(shí)減少這種不確定性的影響，從而實(shí)現(xiàn)比較好的控制效果。模糊控制系統(tǒng)原理如圖3-2所示，模糊控制系統(tǒng)一般通過多個(gè)部分構(gòu)成，其中比較典型的包括輸入信號(hào)、被控對(duì)象等。此外，模糊控制器是其最為主要的部分，它能夠?qū)崿F(xiàn)多種操作，其中比較典型的包括模糊化、去模糊化等。如果采用模糊控制的方法，其實(shí)現(xiàn)的具體流程為：檢測裝置首先對(duì)目標(biāo)變量進(jìn)行采集，在這之后將其與輸入信號(hào)展開對(duì)比，如此就獲得了所需的誤差信號(hào)；這個(gè)信號(hào)能夠轉(zhuǎn)移至模糊控制器，從而對(duì)其進(jìn)行量化處理，如此就能夠得到所需的變量，它一般可以通過專門的形式進(jìn)行具體表示；除此之外，該變量可以根據(jù)既定的機(jī)制實(shí)現(xiàn)推理，從而得到所需的變量；為了進(jìn)行高精度的控制，該模糊控制量有必要完成模糊化轉(zhuǎn)換，從而得到精確度相對(duì)較高的控制量，在將其傳輸至被控對(duì)象之后，對(duì)其展開后續(xù)的控制，通過這種方式多次循環(huán)，如此就能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行模糊控制。圖3-2模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖3.1.3模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在現(xiàn)階段來講，一般將模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行搭配應(yīng)用，而且伴隨數(shù)學(xué)模型的不斷完善，控制模型也變得愈加繁雜，往往會(huì)受到各類因素的影響，其中比較典型的包括非線性、內(nèi)部耦合等，如果采取單一的控制方法，其發(fā)揮的控制效果往往不盡如人意，這就要求開發(fā)功能特性更為出眾的控制器。此外，對(duì)于模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來講，它很大程度上是將模糊邏輯和ＲＢＦ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行銜接，如此不但有效增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的并行計(jì)算效率，同時(shí)它能夠提升網(wǎng)絡(luò)推理效率，使得到的推理結(jié)果變得更加精確。3.2模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)3.2.1控制模型的建立根據(jù)對(duì)機(jī)械臂包含水動(dòng)力項(xiàng)的動(dòng)力學(xué)方程的分析結(jié)果，考慮到摩擦力和水環(huán)境外部干擾的影響，建立以下控制模型：（3-1）其中，為摩擦力矩陣，為外部干擾矩陣。首先，我們可以將接收到的指令界定為，現(xiàn)實(shí)情況中的位置界定為，此時(shí)可知：（3-2）設(shè)計(jì)滑模函數(shù)為：（3-3）其中，Ａ為一個(gè)正定的系數(shù)矩陣。則有：（3-4）結(jié)合公式（3-4），有（3-5）其中，（3-6）在現(xiàn)實(shí)情況中，f是難以進(jìn)行明確的，所以本研究可以通過專門的算法對(duì)其不斷逼近。3.2.2模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本節(jié)主要根據(jù)要求對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，它的整體架構(gòu)主要參考下圖。另外，其涵蓋多個(gè)層級(jí)，其中比較典型的包括輸入層、輸出層等。輸入層主要是信號(hào)的輸入，模糊化層主要將輸入層輸入的信號(hào)做模糊化的處理，模糊推理層通過函數(shù)處理模糊化的數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)輸出。圖3-3模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖下文將對(duì)信號(hào)傳遞的整體架構(gòu)進(jìn)行分析，此后對(duì)其功能特性展開研究：第１層：輸入層。對(duì)于輸入層涵蓋的各節(jié)點(diǎn)而言，如果要求其連入，則必須明確其輸入量，結(jié)合上式我們可以對(duì)其輸入分析如下（3-7）此時(shí)可知：（3-8）其中，i＝1，2，…，5。第2層：模糊化層。這個(gè)層級(jí)的各部分都可以充當(dāng)隸屬函數(shù)，通常情況下可以采用徑向基函數(shù)一高斯函數(shù)。兩個(gè)層級(jí)第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的連接函數(shù)能夠通過下式進(jìn)行表示：（3-9）在上述式子中，主要代表的是高斯函數(shù)的均值，bj在此處主要代表的是第＿／個(gè)模糊集合高斯函數(shù)所對(duì)應(yīng)的均值。第3層：我們通常情況下將其界定為模糊推理層，也可以將其界定為規(guī)則層。對(duì)于模糊規(guī)則的匹配而言，其很大程度上利用模糊化層進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)，它們所存在的鏈接主要是利用各節(jié)點(diǎn)的函數(shù)展開模糊運(yùn)算，我們可以明確各節(jié)點(diǎn)的主要參數(shù)。其他層級(jí)所涵蓋的節(jié)點(diǎn)具有高度的一致性。因此該層中各信號(hào)的乘積能夠用于分析實(shí)際的輸出，如下所示：（3-10）在上述式子中，Ni主要代表的是輸入隸屬函數(shù)的總量。第4層：輸出層。該層級(jí)所有節(jié)點(diǎn)的輸出等于各類輸入信號(hào)所對(duì)應(yīng)的加權(quán)和，則（3-11）在上述式子中，l主要代表的是輸出層節(jié)點(diǎn)的總量，本部分主要采取總體逼近的方式，因此其總共涵蓋一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，所以l＝1，W在此處主要代表的是各類節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連接權(quán)值矩陣。在經(jīng)過總體逼近之后，我們可以獲得相應(yīng)的輸出結(jié)果：在上述式子中，主要代表的是f的逼近值。3.2.3控制律設(shè)計(jì)前面在分析了控制模型和模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，輸出后，本節(jié)對(duì)它的控制律進(jìn)行設(shè)計(jì)，為：（3-12）在上述式子中，主要代表的是滑模控制項(xiàng)，在此處主要代表的是對(duì)稱正定矩陣，主要代表的是克服模糊RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將式（3-11）代入式（3-5），得（3-13）3.2.4控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析定義lyapunov函數(shù)為：（3-14）其中，均為斜對(duì)稱正定矩陣，所以有，取為對(duì)稱正定矩陣，則有，因此。對(duì)lyapunov函數(shù)求導(dǎo)可得：（3-15）下面對(duì)ｆ的四個(gè)子項(xiàng)進(jìn)行分析：１．對(duì)于項(xiàng)根據(jù)機(jī)械臂的特性，是斜對(duì)稱矩陣，根據(jù)斜對(duì)稱矩陣的特性，有（3-16）２．對(duì)于項(xiàng)，將魯棒項(xiàng)設(shè)計(jì)為：（3-17）其中，為常數(shù)，為飽和函數(shù)。因此，有（3-18）