Дизайн и анализ человекоподобного манипулятора с семью степенями свободы на основе гибридного интеллектуального контроллера
Ключевые слова:
человекоподобный манипулятор, гибридный интеллектуальный контроллер, виртуальная реальность, искусственные нейронные сетиАннотация
Представлено взаимодействие с 3D-моделями в среде виртуальной реальности (ВР), которое соотносится с движением реальной руки человека. Точность позиционирования достигается благодаря обратной связи. Ключевую роль в поиске оптимальных значений управляющих сигналов играет адаптивная нейро-нечеткая система вывода (Adaptive Network-based Fuzzy Inference System, ANFIS), сочетающая в себе преимущества нейронных сетей (NN) и нечеткой логики (fuzzy logic, FL).
Данный подход дает точные результаты при добавлении обучающей сигнальной системы к комбинированной обучающей базе, используемой при объединении метода пропорций наклона; ошибка наименьших квадратов (LSE) подготавливает ANFIS к любым фреймворкам. Контроллер на основе ANFIS был применён к робототехнической системе с семью степенями свободы, модель которого была разработана в виртуальной реальности, воспроизводящей системные конструкции через Matlab/Simulink, чтобы соединить ВР-модель с инструкцией для выполнения команд гибридным интеллектуальным контроллером на основе технологии ANFIS. Данная усовершенствованная процедура при внедрении полученных результатов показывает возможность практического использование предлагаемой системы контроллера.
Литература
1. Rosen E. et al. Testing robot teleoperation using a virtual reality interface with ROS reality // Proceedings of the 1st International Workshop on Virtual, Augmented, and Mixed Reality for HRI (VAM-HRI). 2018. pp. 1–4.
2. Prabu D., Kumar S., Prasad R. Advanced Dynamic Path Control of the Three Links SCARA using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System // Robot Manipulators, Trends and Development. 2010. pp. 399–412.
3. Katzschmann R.K. Building and Controlling Fluidically Actuated SoftRobots: From Open Loop to Model-based Control // Massachusetts Institute Of Technology. 2018. pp. 247–272.
4. Tayebihaghighi S., Piltan F., Kim J.M. Control of an Uncertain Robot Manipulator Using an Observation-based Modified Fuzzy Sliding Mode Controller // International Journal of Intelligent Systems and Applications. 2018. vol. 10. no. 3. pp. 41–49.
5. Mahmoodabadi M.J., Ziaei A. Inverse Dynamics Based Optimal Fuzzy Controller for a Robot Manipulator via Particle Swarm Optimization // Journal of Robotics. 2019. vol. 2019. 10 p.
6. Al-Mashhadany Y.I. MIEEE H. E. ANFIS-Inverse-Controlled PUMA 560 Workspace Robot with Spherical Wrist // Procedia Engineering. 2012. vol. 41. pp. 700–709.
7. Ahmed M.N., Veladri K. Modeling and Simulation of 7-dof Robotic Manipulator // National Conference on Technological Advancements in Mechanical Engineering. 2016. pp. 303–309.
8. Al-Mashhadany Y.I. Modeling and Simulation of Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Chopper-Fed DC Motor Drive // 2011 IEEE applied power electronic colloquium (IAPEC). 2011. pp. 110–115.
9. Горобцов А.С. и др. Особенности решения уравнений метода обратной задачи для синтеза устойчивого управляемого движения шагающих роботов // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18(1). С. 85–122.
10. Al-Mashhadany Y.I. A Posture of 6-DOF Manipulator By Locally Recurrent Neural Networks (LRNNs) Implement in Virtual Reality // 2010 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA). 2010. pp. 573–578.
11. Klimchik A., Pashkevich A. Robotic manipulators with double encoders: accuracy improvement based on advanced stiffness modeling and intelligent control // IFAC-Papers OnLine. 2018. vol. 51. no. 11. pp. 740–745.
12. Shahri A.R.M., Khoshravan H., Naebi A. Design ping-pong player robot controller with ANFIS // 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Modelling & Simulation. 2011. pp. 165–169.
13. He Y.et al. Dynamic Modeling, Simulation, and Experimental Verification of a Wafer Handling SCARA Robot With Decoupling Servo Control // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 47143–47153.
14. Alferov G., Ivanov G., Efimova P., Sharlay A. Study on the Structure of Limit Invariant Sets of Stationary Control Systems with Nonlinearity of Hysteresis Type // AIP Conference Proceedings. 2017. vol. 1863. no. 1. pp.080003.
15. Ivanov G.G., Sharlay A.S. On stability of linear homogeneous switched systems // 2015 International Conference "Stability and Control Processes" in Memory of V.I. Zubov (SCP). 2015. pp. 13–15.
16. Андреев В.П., Плетенев П.Ф. Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой // Труды СПИИРАН. 2018. Вып. 2(57). С. 134–160.
17. Mahmoodabadi M.J., Baghini A.Y. Design of an Optimal Fuzzy Controller of an Under-Actuated Manipulator Based on Teaching-Learning-Based Optimization // Acta mechanica et automatica. 2019. vol. 13. no. 3. pp. 166–172.
18. Busson D., Bearee R., Olabi A. Task-oriented rigidity optimization for 7-DOF redundant manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2017. vol. 50. no. 1. pp. 14588–14593.
19. Kulakov F., Kadry S., Alferov G., Sharlay A. Bilateral Remote Control over Space Manipulators // AIP Conference Proceedings. 2018. vol. 2040. no. 1. pp. 150015.
20. Cen L., Melkote S.N. Effect of Robot Dynamics on the Machining Forces in RoboticMilling // Procedia Manufacturing. 2017. vol. 10. pp. 486–496.
21. Архипов В.В., Наумов В.Б. Искусственный интеллект и автономные устройства в контексте права: о разработке первого в России закона о робототехнике // Труды СПИИРАН. 2017. Вып. 6(55). С. 46–62.
22. Di Vito D., Natale C., Antonelli G. A Comparison of Damped Least Squares Algorithms for Inverse Kinematics of Robot Manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2017. vol. 50. no. 1. pp. 6869–6874.
23. Faria C. et al. Position-based kinematics for 7-DoF serial manipulators with global configuration control, joint limit and singularity avoidance // Mechanism and Machine Theory. 2018. vol. 121. pp. 317–334.
24. Kumar P.B., Verma N.K., Parhi D.R., Priyadarshi D. Design and control of a 7 DOF redundant manipulator arm // Australian Journal of Mechanical Engineering. 2019. vol. 73. pp. 1–12.
25. Me M.N.A., Veladri K. Modeling and Simulation of 7-dof Robotic Manipulator // National Conf. on Technological Advancements in Mechanical Engineering. 2016. pp. 303–309.
26. Faria C. et al. Review of Robotic Technology for Stereotactic Neurosurgery // IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 2015. vol. 8. pp. 125–137.
27. Sutyasadi P., Parnichkun M. Gait Tracking Control of Quadruped Robot Using Differential Evolution Based Structure Specified Mixed Sensitivity Robust Control // Journal of Control Science and Engineering. 2016. vol. 2016. pp. 1–17.
28. Kobayashi T. et al. Adaptive speed controller using swing leg motion for 3-D limitcycle-based bipedal gait // Nonlinear Dynamics. 2016. vol. 84. no. 4. pp. 2285–2304.
29. Garbi G.P. Multivalued Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Robot Vehicle // International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering. 2007.
30. Singh M.K, Parhi D.R, Pothal J.K. ANFIS Approach for Navigation of Mobile Robots // 2009 International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing. 2009. pp.727–731.
31. Shieh M.Y. et al. ANFIS based Controller Design for Biped Robots // 2007 IEEE Proceedings of International Conference on Mechatronics. 2007. pp. 1–6.
32. Xia K. et al. Virtual Decomposition Based Modeling for Multi-DOF Manipulator With Flexible Joint // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 91582–91592.
33. Silawatchananai C., Parnichkun M. Haptics control of an arm exoskeleton for virtual reality using PSO-based fixed structure H1 control // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2019. vol. 16. no. 3. pp. 1–15.
34. Al Mashhadany Y., Gaeid K.S., Awsaj M.K. Intelligent Controller for 7-DOF Manipulator Based upon Virtual Reality Model // 2019 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). 2019. pp. 687–692.
35. Budiharto W., Jazidie A., Purwanto D. Indoor Navigation using Adaptive Neuro Fuzzy Controller for Servant Robot // 2010 Second International Conference on Computer Engineering and Applications. 2010. vol. 1. pp. 582–586.
36. Luecke G.R. Haptic Interactions Using Virtual Manipulator Coupling with Applications to Underactuated Systems // IEEE transactions on robotics. 2011. vol. 27. no. 4. pp. 730–740.
37. Malafeyev O., Alferov G., Andreyeva M. Group strategy of robots in game-theoretic model of interception with incomplete information // 2015 International Conference on Mechanics-Seventh Polyakhov's Reading. 2015. pp. 1-3.
38. Muslim M.A., Rusli M., Zufaryansyah A.R., Ibrahim B.S.K.K. Development of a quadruped mobile robot and its movement system using geometric-based inverse kinematics // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2019. vol. 8. no. 4. pp. 1224–1231.
39. Lin N.I., Lee C.S. Measurement of the Robot Motor Capability of a Robot Motor System: A Fitts’s-Law-Inspired Approach // Sensors. 2013. vol. 13(7). pp. 8412–8430.
40. Al-Mashhadany. Y.I. Modeling and Simulation of Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Chopper-Fed DC Motor Drive // 2011 IEEE Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC). 2011. pp. 110–115.
41. Lopez-Franco C. et al. Inverse kinematics of mobile manipulators based on differential evolution // Int. Journal of Advanced Robotic Systems. 2018. vol. 15. no. 1. pp. 1–22.
42. Alferov G.V., Malafeyev O.A., Maltseva A.S. Game-theoretic model of inspection by anticorruption group // AIP Conference Proceedings. 2015. vol. 1648. no. 1. pp. 450009.
43. Hussien A.A. et al. DTC Controller Variable Speed Drive of Induction Motor with Signal Processing Technique // 2019 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). 2019. pp. 681–686.
44. Ivanov G., Alferov G., Sharlay A., Efimova P. Conditions of Asymptotic Stability for Linear Homogeneous Switched System // AIP Conference Proceedings. 2017. vol. 1863. no. 1. pp. 080002.
2. Prabu D., Kumar S., Prasad R. Advanced Dynamic Path Control of the Three Links SCARA using Adaptive Neuro Fuzzy Inference System // Robot Manipulators, Trends and Development. 2010. pp. 399–412.
3. Katzschmann R.K. Building and Controlling Fluidically Actuated SoftRobots: From Open Loop to Model-based Control // Massachusetts Institute Of Technology. 2018. pp. 247–272.
4. Tayebihaghighi S., Piltan F., Kim J.M. Control of an Uncertain Robot Manipulator Using an Observation-based Modified Fuzzy Sliding Mode Controller // International Journal of Intelligent Systems and Applications. 2018. vol. 10. no. 3. pp. 41–49.
5. Mahmoodabadi M.J., Ziaei A. Inverse Dynamics Based Optimal Fuzzy Controller for a Robot Manipulator via Particle Swarm Optimization // Journal of Robotics. 2019. vol. 2019. 10 p.
6. Al-Mashhadany Y.I. MIEEE H. E. ANFIS-Inverse-Controlled PUMA 560 Workspace Robot with Spherical Wrist // Procedia Engineering. 2012. vol. 41. pp. 700–709.
7. Ahmed M.N., Veladri K. Modeling and Simulation of 7-dof Robotic Manipulator // National Conference on Technological Advancements in Mechanical Engineering. 2016. pp. 303–309.
8. Al-Mashhadany Y.I. Modeling and Simulation of Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Chopper-Fed DC Motor Drive // 2011 IEEE applied power electronic colloquium (IAPEC). 2011. pp. 110–115.
9. Горобцов А.С. и др. Особенности решения уравнений метода обратной задачи для синтеза устойчивого управляемого движения шагающих роботов // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18(1). С. 85–122.
10. Al-Mashhadany Y.I. A Posture of 6-DOF Manipulator By Locally Recurrent Neural Networks (LRNNs) Implement in Virtual Reality // 2010 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications (ISIEA). 2010. pp. 573–578.
11. Klimchik A., Pashkevich A. Robotic manipulators with double encoders: accuracy improvement based on advanced stiffness modeling and intelligent control // IFAC-Papers OnLine. 2018. vol. 51. no. 11. pp. 740–745.
12. Shahri A.R.M., Khoshravan H., Naebi A. Design ping-pong player robot controller with ANFIS // 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Modelling & Simulation. 2011. pp. 165–169.
13. He Y.et al. Dynamic Modeling, Simulation, and Experimental Verification of a Wafer Handling SCARA Robot With Decoupling Servo Control // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 47143–47153.
14. Alferov G., Ivanov G., Efimova P., Sharlay A. Study on the Structure of Limit Invariant Sets of Stationary Control Systems with Nonlinearity of Hysteresis Type // AIP Conference Proceedings. 2017. vol. 1863. no. 1. pp.080003.
15. Ivanov G.G., Sharlay A.S. On stability of linear homogeneous switched systems // 2015 International Conference "Stability and Control Processes" in Memory of V.I. Zubov (SCP). 2015. pp. 13–15.
16. Андреев В.П., Плетенев П.Ф. Метод информационного взаимодействия для систем распределённого управления в роботах с модульной архитектурой // Труды СПИИРАН. 2018. Вып. 2(57). С. 134–160.
17. Mahmoodabadi M.J., Baghini A.Y. Design of an Optimal Fuzzy Controller of an Under-Actuated Manipulator Based on Teaching-Learning-Based Optimization // Acta mechanica et automatica. 2019. vol. 13. no. 3. pp. 166–172.
18. Busson D., Bearee R., Olabi A. Task-oriented rigidity optimization for 7-DOF redundant manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2017. vol. 50. no. 1. pp. 14588–14593.
19. Kulakov F., Kadry S., Alferov G., Sharlay A. Bilateral Remote Control over Space Manipulators // AIP Conference Proceedings. 2018. vol. 2040. no. 1. pp. 150015.
20. Cen L., Melkote S.N. Effect of Robot Dynamics on the Machining Forces in RoboticMilling // Procedia Manufacturing. 2017. vol. 10. pp. 486–496.
21. Архипов В.В., Наумов В.Б. Искусственный интеллект и автономные устройства в контексте права: о разработке первого в России закона о робототехнике // Труды СПИИРАН. 2017. Вып. 6(55). С. 46–62.
22. Di Vito D., Natale C., Antonelli G. A Comparison of Damped Least Squares Algorithms for Inverse Kinematics of Robot Manipulators // IFAC-PapersOnLine. 2017. vol. 50. no. 1. pp. 6869–6874.
23. Faria C. et al. Position-based kinematics for 7-DoF serial manipulators with global configuration control, joint limit and singularity avoidance // Mechanism and Machine Theory. 2018. vol. 121. pp. 317–334.
24. Kumar P.B., Verma N.K., Parhi D.R., Priyadarshi D. Design and control of a 7 DOF redundant manipulator arm // Australian Journal of Mechanical Engineering. 2019. vol. 73. pp. 1–12.
25. Me M.N.A., Veladri K. Modeling and Simulation of 7-dof Robotic Manipulator // National Conf. on Technological Advancements in Mechanical Engineering. 2016. pp. 303–309.
26. Faria C. et al. Review of Robotic Technology for Stereotactic Neurosurgery // IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 2015. vol. 8. pp. 125–137.
27. Sutyasadi P., Parnichkun M. Gait Tracking Control of Quadruped Robot Using Differential Evolution Based Structure Specified Mixed Sensitivity Robust Control // Journal of Control Science and Engineering. 2016. vol. 2016. pp. 1–17.
28. Kobayashi T. et al. Adaptive speed controller using swing leg motion for 3-D limitcycle-based bipedal gait // Nonlinear Dynamics. 2016. vol. 84. no. 4. pp. 2285–2304.
29. Garbi G.P. Multivalued Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Robot Vehicle // International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering. 2007.
30. Singh M.K, Parhi D.R, Pothal J.K. ANFIS Approach for Navigation of Mobile Robots // 2009 International Conference on Advances in Recent Technologies in Communication and Computing. 2009. pp.727–731.
31. Shieh M.Y. et al. ANFIS based Controller Design for Biped Robots // 2007 IEEE Proceedings of International Conference on Mechatronics. 2007. pp. 1–6.
32. Xia K. et al. Virtual Decomposition Based Modeling for Multi-DOF Manipulator With Flexible Joint // IEEE Access. 2019. vol. 7. pp. 91582–91592.
33. Silawatchananai C., Parnichkun M. Haptics control of an arm exoskeleton for virtual reality using PSO-based fixed structure H1 control // International Journal of Advanced Robotic Systems. 2019. vol. 16. no. 3. pp. 1–15.
34. Al Mashhadany Y., Gaeid K.S., Awsaj M.K. Intelligent Controller for 7-DOF Manipulator Based upon Virtual Reality Model // 2019 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). 2019. pp. 687–692.
35. Budiharto W., Jazidie A., Purwanto D. Indoor Navigation using Adaptive Neuro Fuzzy Controller for Servant Robot // 2010 Second International Conference on Computer Engineering and Applications. 2010. vol. 1. pp. 582–586.
36. Luecke G.R. Haptic Interactions Using Virtual Manipulator Coupling with Applications to Underactuated Systems // IEEE transactions on robotics. 2011. vol. 27. no. 4. pp. 730–740.
37. Malafeyev O., Alferov G., Andreyeva M. Group strategy of robots in game-theoretic model of interception with incomplete information // 2015 International Conference on Mechanics-Seventh Polyakhov's Reading. 2015. pp. 1-3.
38. Muslim M.A., Rusli M., Zufaryansyah A.R., Ibrahim B.S.K.K. Development of a quadruped mobile robot and its movement system using geometric-based inverse kinematics // Bulletin of Electrical Engineering and Informatics. 2019. vol. 8. no. 4. pp. 1224–1231.
39. Lin N.I., Lee C.S. Measurement of the Robot Motor Capability of a Robot Motor System: A Fitts’s-Law-Inspired Approach // Sensors. 2013. vol. 13(7). pp. 8412–8430.
40. Al-Mashhadany. Y.I. Modeling and Simulation of Adaptive Neuro-Fuzzy Controller for Chopper-Fed DC Motor Drive // 2011 IEEE Applied Power Electronics Colloquium (IAPEC). 2011. pp. 110–115.
41. Lopez-Franco C. et al. Inverse kinematics of mobile manipulators based on differential evolution // Int. Journal of Advanced Robotic Systems. 2018. vol. 15. no. 1. pp. 1–22.
42. Alferov G.V., Malafeyev O.A., Maltseva A.S. Game-theoretic model of inspection by anticorruption group // AIP Conference Proceedings. 2015. vol. 1648. no. 1. pp. 450009.
43. Hussien A.A. et al. DTC Controller Variable Speed Drive of Induction Motor with Signal Processing Technique // 2019 12th International Conference on Developments in eSystems Engineering (DeSE). 2019. pp. 681–686.
44. Ivanov G., Alferov G., Sharlay A., Efimova P. Conditions of Asymptotic Stability for Linear Homogeneous Switched System // AIP Conference Proceedings. 2017. vol. 1863. no. 1. pp. 080002.
Опубликован
2020-08-01
Как цитировать
Аль Машхадани, Ю. И. (2020). Дизайн и анализ человекоподобного манипулятора с семью степенями свободы на основе гибридного интеллектуального контроллера. Труды СПИИРАН, 19(4), 774-802. https://doi.org/10.15622/sp.2020.19.4.3
Раздел
Робототехника, автоматизация и системы управления
Copyright (c) Юсиф Исмаил Аль Машхадани
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями: Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале. Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).