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专利号: 2021115664166
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,其包括以下步骤:步骤1:搭建Stewart并联机构平台,根据Stewart并联机构平台的实际参数进一步确定平台铰点的初始坐标;

步骤2:根据给定随机位姿计算出训练样本;

步骤21:根据动平台位姿,确定旋转矩阵;

动平台的位姿公式如下式所示:

T

P=[xp yp zp α β  γ]

式中:P表示动平台的位姿,即位置和姿态;xp表示动平台的水平横向位移;yp表示动平台的水平纵向位移;zp表示动平台的竖直方向位移;α表示动坐标系绕静坐标系的x轴旋转角度;β表示动坐标系绕静坐标系的y轴旋转角度;γ表示动坐标系绕静坐标系的z轴旋转角度;

根据动平台的位姿,则旋转矩阵如下式所示:

R(α,β,γ)=Rot(z,γ)Rot(y,β)Rot(x,α)式中:R表示关于γ、β、α的旋转矩阵;Rot(z,γ)表示动坐标系绕静坐标系的z轴旋转角度的计算结果;Rot(y,β)表示动坐标系绕静坐标系的y轴旋转角度的计算结果;Rot(x,α)表示动坐标系绕静坐标系的x轴旋转角度的计算结果;x、y、z分别表示静坐标系的三个坐标轴;

步骤22:确定并联机构的广义坐标;

根据旋转矩阵得到第s个支腿的长度公式为:

式中:s表示支腿的编号;ls表示第s个支腿的长度;Op为动坐标系原点在静坐标系中的位置;As表示第s个支腿上铰点的空间坐标;Bs表示第s个支腿上铰点的空间坐标;

则Stewart并联机构的广义坐标计算结果如下式所示:T

q=(l1,…,l6)

式中:q表示Stewart并联机构的广义坐标;l1,…,l6分别表示第1个到第6个支腿的长度;

步骤23:确定训练样本;

重复步骤21和步骤22,给定随机动平台的位姿计算出对应的Stewart并联机构的广义坐标,保存随机动平台位姿与对应的广义坐标作为训练样本;

步骤3:利用SSA优化BP神经网络得到位置正解,其具体步骤如下:步骤31:获取步骤23计算得到的训练样本,分为训练集和测试集;初始化麻雀种群位置与适应度,设置最大迭代步数N、种群大小n、发现者数量PD、感应危险的麻雀数量SD、安全值ST、预警值R2;确定初始参数后开始循环;

步骤32:构建迭代关系;

首先,构造发现者的位置的迭代关系,计算过程如下式所示;

式中:i表示个体编号;j表示位置编号;t表示迭代次数,初始值为0; 表示t+1次迭代发现者的位置; 表示t次迭代发现者的位置;α为(0,1]之间均匀随机数;N表示设定的最大迭代次数;Q是服从正态分布的随机数;L是单位行向量;R2表示预警值;ST表示安全值;exp表示以自然常数e为底的指数函数;

其次,构造加入者位置的迭代关系,计算过程如下式所示;

式中: 表示t+1次迭代加入者的位置;Y'worst表示适应度最低的加入者位置; 表示t+次迭代加入者的位置; 表示t+1迭代下加入者所占据的最优位置;n表示种群大小;A为随机包含1和‑1两个元素的行向量;otherwise表示其他情况;

最后,构建麻雀种群位置迭代关系,计算过程如下式所示;

式中: 表示t+1次迭代麻雀种群的位置; 表示第t次迭代适应度最高的麻雀位置;

β为服从正态分布随机数; 表示t次迭代麻雀种群的位置; 表示第t次迭代适应度最高的麻雀位置; 表示第t次迭代适应度最低的麻雀位置;K是[‑1,1]之间的随机数;fi是第i个体适应度值;fbest是个体最优适应度值;fworst是个体最差适应度值;ε是为常数;

步骤33:重复执行步骤32,达到最大迭代步数,结束循环,输出神经网络最优权值和阈值,保存训练好的BP神经网络;

步骤34:调用保存好的神经网络训练得到预测值,作为Stewart并联机构平台的正解结果,输出得出初值位姿P0;

步骤4:应用NAd1法求解Stewart并联机构平台正运动学的结果,具体步骤如下:步骤41:获取步骤34预测得到的初始位姿P0;给定杆长允许误差ε,最大迭代步数N;设置迭代次数k=0;

步骤42:构建位姿迭代关系,具体计算过程如下所示:输入Stewart并联机构平台的初始杆长qs;构造Stewart并联机构平台正解方程F(Pk);

F(Pk)=q(Pk)‑qs

式中:Pk表示第k次迭代的正解;k表示位姿迭代次数;F(Pk)表示根据位姿Pk计算出的正解方程;q(Pk)表示根据位姿Pk计算求出的杆长;qs表示并联机构平台第s个杆长初始值;

根据位姿Pk计算迭代的中间变量yk;

式中:yk表示第k次迭代的中间变量;F'(Pk)表示根据位姿Pk计算出正解方程的导数;

根据迭代的中间变量yk计算位姿Pk+1;

式中:Pk+1表示第k+1次迭代的正解;I表示单位矩阵;F(yk)表示根据yk计算出正解方程;

F'(yk)表示根据yk计算出正解方程的导数;

步骤43:根据Pk+1计算F(Pk+1),进一步计算||F(Pk+1)||,以及杆长最大误差ΔL,其计算公式如下式所示;

ΔL=||F(Pk+1)||

式中:ΔL表示杆长最大误差;||F(Pk+1)|| 表示取向量F(Pk+1)中的最大值;

步骤44:判断是否满足输出条件,输出计算得到的位姿Pk+1;否则转至步骤42进行下次迭代,并通过下式更新迭代次数;

k=k+1;

所述输出条件包括ΔL是否小于ε,如果ΔL小于ε,则迭代停止,输出位姿Pk+1;如果ΔL大于ε,则判断迭代步数k+1是否大于最大迭代步数N,如果是则迭代停止,输出迭代失败;其中ε表示给定杆长允许误差。

2.根据权利要求1所述的改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,所述步骤1中的Stewart并联机构平台包括静平台、动平台以及连接静平台和动平台的6个支腿,6个支腿与动平台链接在上铰点和下铰点处。

3.根据权利要求2所述的改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,所述步骤1铰点的初始坐标具体包括上铰点的初始坐标和下铰点的初始坐标;

所述上铰点的初始坐标,根据实际参数能确定上铰点在动坐标系中的坐标;

T

As=[xas yas zas];(s=1,…,6)式中:xas表示第s个支腿上铰点的水平横向坐标;yas表示第s个支腿上铰点的水平纵向坐标;zas表示第s个支腿上铰点的竖直方向坐标;s表示支腿的编号;

所述下铰点的初始坐标,根据实际参数能求得下铰点在静坐标系中的坐标;

T

Bs=[xbs ybs zbs];(s=1,…,6)式中:xbs表示第s个支腿上铰点的水平横向坐标;ybs表示第s个支腿上铰点的水平纵向坐标;zbs表示第s个支腿上铰点的竖直方向坐标。

4.根据权利要求1所述的改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,所述步骤21中的旋转矩阵是使用RPY角来描述的,所述的RPY角是计算坐标系相对于参考坐标系姿态的一种方式:RPY角是动坐标系绕固定的静坐标系旋转:假设开始两个坐标系重合,动坐标系绕静坐标系的x轴旋转α度,再绕y轴旋转β度,最后绕z轴旋转γ度,则旋转矩阵如下式所示:式中:R表示动坐标系对静坐标系的旋转矩阵;sin表示正弦函数;cos表示余弦函数。

5.根据权利要求1所述的改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,所述步骤3中使用的SSA具体是指一种群智能优化算法,将此算法用来优化BP神经网络能够有效解决BP神经网络由于梯度下降算法,对多输入多输出网络预测数据易陷入局部最小,泛化误差大的问题;为了进一步减小误差,提出分段式运算方法,将原有的6输入6输出更改为6个6输入1输出并行计算,能在时间不变的情况下能有效提高神经网络计算精度。

6.根据权利要求1所述的改进的Stewart并联机构正运动学参数求解方法,其特征在于,所述步骤4中应用NAd1法求解Stewart平台正运动学结果。