人工智能论文-3500字

研究生课程论文人工智能前沿论文题目：人工智能技术在求机器人工作空间的应用课程老师：罗亚波学院班级：汽研1602班学生姓名：张小涵学号：10497216024052016年10月1人工智能技术在求机器人工作空间的应用摘要人工智能的发展迅速，现在已经渗透到机器人的全方位分析与机器人的工作空间的计算中，其对机器人的应用起着越来越重要的作用。元素限制法由三个限制元素构成，分别为杆长限制、转角限制、连杆的干涉。在初步确定限制元素后即可得到边界条件，即可得到工作空间。圆弧相交法由运动学反解过程、工作空间的几何描述以及工作空间的计算过程组成。两者各有其优缺点，都是可取的求工作空间的方法。关键词：人工智能元素限制圆弧相交工作空间AbstractWiththerapiddevelopmentofartificialintelligence,ithasbeenappliedtotheanalysisoftherobotandtheworkingspaceoftherobot.Itplaysamoreandmoreimportantroleintheapplicationoftherobot.Theelementrestrictionmethodiscomposedofthreeelements,whicharethelengthoftherod,therestrictionoftheangleandtheinterferenceoftheconnectingrod.Boundaryconditionscanbeobtainedafterthepreliminarydeterminationofthelimitingelement.Thearcintersectionmethodiscomposedoftheprocessoftheinversekinematicsofthekinematics,thegeometricdescriptionoftheworkingspaceandthecalculationprocessoftheworkingspace.Bothhavetheirownadvantagesanddisadvantages,aredesirablefortheworkingspaceofthemethod.Keywords:artificialintelligenceelementlimitarcintersectionworkingspace2图1.1空间6自由度并联机器人简要模型第1章元素限制法的求解1.1杆长的限制杆长的长短直接决定了机器人人工智能的能力的大小。如图1-1所示的6自由度平台并联机构，其上下平台分别是一个半径为Rp和Rb的圆盘,上下平台分别通过球面副和万向绞与连杆相连接。为方便讨论，分别建立运动平台的坐标系bbbZYXO’，简记为｛O’｝,固定平台坐标系aaaZYXO，简记为坐标系｛O｝。其中坐标系的原点O’和O分别位于上下平台的中心，轴Z’和Z分别垂直于上下平台而轴X和X’分别是∠32OAA和∠32BOB’的平分线，这样X’和O’B6的夹角为b=∠B2O’B3/2，X与OA2的夹角为a=∠A2OA3。OAi与X的夹角为ai，O’iB与X’的夹角是bi，则有：1a=a，bb1（1-1）bbaa1201202,2...aa3606,bb3606（1-2）这样，上平台的铰链点)6..2,1(iBi相对于坐标系｛O’｝的坐标，以及)6...2.1(iAi相对于坐标系｛O｝的坐标就可以求出[1]：TaiaiiRA]0,sin,[cos，TbibiiRB]0sin,[cos,0（1-3）运动平台相对于固定平台的位姿可以用坐标系｛O’｝与坐标系｛O｝之间的旋转变换R以及两坐标系之间的q='OO来表示，当给定运动平台的位置和姿态后，各个连杆向量可以表示为36...2,1,iaqRPBAliiiii（1-4）各杆长用iL（i=1.2...6)表示，则有iL6...2.1,iaqRPii（1-5）但是杆的长度变化是有限的，这里用minL和maxL来表示第i杆的最小和最大值，则杆长的约束可以用下式表示：maxminLlLi（1-6）当某一杆长达到其极限时，运动平台的给定的参考点也就达到了工作空间的边界。1.2运动副转角的限制运动副转角的大小反映了机器人人工智能的伸展性。并联机器人的上下平台与各分支杆相连的关节是球面副，而下平台与各分支杆相连的关节是万向绞，球面副和万向绞的转角范围实际上是有限制的，球面副的转角θ是与球面副的基座固结的坐标系的Z轴和表示与球面副连接的向量u来决定的，可以想到，球面副与万向绞的最大转角max与运动副的具体结构有关。若第i个球面副的基座在坐标系｛O’}中的姿态用向量bin来表示，则球面副的转角约束条件可用下式表示:maxarccosbibiibilRnl（1-7)同样，万向绞的转角可以用下式表示：maxarccosaiaiiailRnl(1-8)式中：R表示万向绞相对于固定坐标系｛O}的姿态；maxmaxab和分别是球铰和万向绞的最大转角。若各关节相对于平台的姿态向量为inl，这里inl是当杆长为)(5.0maxminLL，且上下平台的坐标互相平行时第i杆的向量，据有关结果表明，这种安装方法能有效扩大关节的转动范围，这时上下平台上各关节的转角分别是[1]：iiiibilRlnnllarccos(1-9)4iiiiaillnnllarccos(1-10)1.3连杆的干涉连杆之间的干涉反映了人工智能机器人容错率的大小。因为连接上下平台的连杆是有一定的尺寸大小的，因此，各杆之间有可能发生干涉。为了讨论方便，这里假设各杆都是圆形的，直径为D，若iD（i=1.2...6)为两相邻杆中心线之间的最短距离，那么两杆不发生干涉的条件为[1]：DDi(1-11)若用in表示相邻两杆il与1il之间的公法线向量，11**iiiiilllln(1-12)并且用i表示两向量il和1il之间的最短距离，如图1.2所示，)(1iiiiccn(1-13)这里需要强调的是，连杆之间的最短距离iD不一定等于两杆向量之间的最短距离i，这两者之间的关系取决于连杆向量与他们的公法线之间的交点iC和1iC的位置，其中交点iC的坐标ic可以用下式计算：mamaaaaciiAiiiiAiiBB)()(1(1-14)式中，BAi表示iB在坐标系｛O}中的坐标，im则可以由下式定义，11iiiiaAnmB(1-15)同理可计算1ic，根据交点iC和1iC的位置可以有下列3种不同情况：第一种情况，两交点都在连杆上，如图1.2(a)所示。这时候有iiD，若iiD，则发生连杆干涉。第二种情况，其中的一个交点不在连杆上，如图1.2（b）和（c）所示。这时iD可以根据交点的位置来计算，若交点iC超过关节iB，但1iC是在连杆i+1上，如图1.2（b）所示，则iD为iB，到连杆i+1的距离。5(d)(a)(c)111iiiiillaADB(1-16)(b)(d)6图1.2连杆干涉的3种情况(f)(e)若交点1iC超过1iB，但iC是在第i连杆上，如图1.2（c）所示，则iD为1iB到连杆i的距离，iiiiillaADB1(1-17)第三种情况，两个交点都不在连杆上，如图1.2（d－f）所示。则这时的iD取决于iM和1iM的位置，iM是il和通过1iB且垂直于il的直线的交点，而1iM是1il和通过iB且垂直于1il的直线的交点，这时有下列三种可能性：若1iM在连杆11iiAB上，且iM是在连杆iiAB之外，如图1.2（e）所示，则iD可以由式（1-16）确定。若iM在iiAB上，且1iM是在连杆11iiAB之外，如图1.2（f）所示，则iD可以由式（1-17）确定。若iM和1iM都在连杆的外边，如图1.2（f）所示，则iD为iB和1iB之间的距离。1.4工作空间的确定方法人工智能技术是一种信息技术，能够极快地传递。我们必须保持高度警惕,防止人工智能技术被用于反对人类和危害社会的犯罪，这里，可以通过控制工作空间的大小来控制它们的威胁。前文提到，机器人的工作空间是操作器上某一点给定参考点所有可以达到的点的集合，这里参考点选择上平台的中心点，即坐标系｛0’}的原点。当给定上平台的位姿后，各连杆的长度iL、关节的转角bi和ai7图1.3工作空间微分子空间以及相邻两杆之间的距离iD都可以用上面提到的方法计算，然后将这些计算结果分别与相应的允许值maxL、minL、maxb、maxa和D比较，若其中任意一个值超出了允许值，则此时的位姿是不可能的，即参考点在工作空间之外。若其中某一值等于允许值，则此时操作器的参考点位于工作空间的边界上。若所有参数值都小于允许值，则位于工作空间内。工作空间常用体积V的数值来表示。具体的工作空间边界的确定和体积的计算可以按照下列方法：将操作器有可能达到的某一空间定为搜索空间，将该空间用平行于XY面的平面分割成厚度为Z的微分子空间，并假设这个子空间是以高度为Z的圆柱，如图1.3所示。对于每一个微小子空间，按照上面给出的约束条件，搜索其对应于给定姿态的边界，这一步骤应从oZZ开始，若minZ是对应于约束条件的工作空间在Z轴方向的最低点，则0Z应该要比minZ要小，如图1.3所示。在完成某一子空间的搜索后，再分析Z方向增量为Z的子空间，直到maxZZ为止，这里的maxZ是指约束条件允许的工作空间的最高点。工作空间的截面可能是单域的，如图1.3中的虚线1表示的与XY平面平行的平面与工作空间的截面；也可能是多域的，如图中的虚线2表示的与XY平面平行的平面与工作平面的截面。在进行子空间边界的确定时，可采用快速极坐标搜索法，如图1.3所示，采用极坐标表示工作空间内的点。起始时极角为0，给定极径进行边界搜索。当关节的最大转角和相邻杆的最短距离等参数满足式（1-18)的约束条件之一时，minLL，maxaaimaxLL，maxbbi，DDi（1-18）这时的坐标点就是工作空间的第一个边界点1A，如图1.4所示。然后给极角一8图1.5工作空间的边界搜索方法图1.4多域工作空间截面个增量后，在得到极坐标为),(1的点2A。如果T点在工作空间的外边，如图1.4所示2T点，则可以递减极径直至满足（1-18）的条件之一，即可得到工作空间的边界点3A。重复上述的步骤，直至找到所有空间的边界点，这样该微分工作空间的体积可用下式计算[1]：ZVjji221(1-19)④如要求的工作空间的截面是多域的，如图1.5所示，这时对于工作空间的每一条边界都要采用上一个步骤的搜索方法，搜索的最大极径max要足够大。这时工作空间的体积可采用下列公式：ZVjjjji22232121（1-20）工作空间的体积V就是上述各微分空间的体积的总和，iVV。第2章圆弧相交法的求解2.1圆弧相交法简介所谓圆弧相交法，就是通过几何方法得到6自由度并联机器人的工作空间的一部分。但是整个工作空间镶嵌在一个六维的空间内[2]，很难清楚地被表达出来。这里工作空间的确定是通过定位的方法，三维笛卡尔空间的区域可以通过机器人9所给定的上平台的位姿得到。六维空间里的三维空间内的机器人的工作空间部分都可以通过下面所介绍的方法得到。首先，我们先通过机器人的运动学反解方法来得到组成工作空间的交截面，然后再通过几何算法算出这些交截面的面积，最后通过积分的方法来求出整个工作空间的体积。2.2圆弧相交法的过程2.2.1运动学反解运动学反解的目的是定义以下过程所要用到的记号。同样，固定坐标系记为｛O}，运动坐标系记为｛O’},O’是上