CC BY
15
Networks. - U.S. Naval Research Laboratory, Code 5514, - 2016.
4. Зуев В.Н., Кемайкин В.К. Модифицированный алгоритм обучения нейронных сетей // Программные продукты и системы. 2019. Т. 32. № 2. С. 258-262. DOI: 10.15827/0236-235X. 126.258-262.
5. Авт. свщоцтво №39465, реестр. 03.08.2011, МОН Украши, Державний департамент штелектуально! власносп. Комп'ютерна програма "Модель динамiчноi нейронно! мережi з модифшованим алгоритмом навчання за методом зворотного поширення помилки" ("Model of Dynamic Neural Network") / М.М. Чепцов, В.С. Блиндюк, ДМ. Кузьменко, О.О. Германенко; заявка вщ 23.05.2011 № 39639.
Аннотации:
Работа посвящена анализу методов оптимизации параметра скорости обучения нейронной сети в алгоритме обратного распространения ошибки. При проведении сравнительного анализа существующих методов установлено, что применение
модифицированного метода оптимизации повышает эффективность обучения.
Ключевые слова: нейронная сеть, оптимизация, обратное распространение, скорость обучения, весовые коэффициенты, алгоритм обучения.
The work is devoted to the analysis of methods for optimizing the parameter of the learning rate of a neural network in the algorithm of error back propagation. When conducting a comparative analysis of existing methods, it was found that the use of a modified optimization method increases the effectiveness of training.
Keywords: neural network, optimization, back propagation, learning rate, weight coefficients, learning algorithm.
УДК 62-83
МИНТУС А.Н., канд. техн. наук, доцент (Донецкий национальный технический университет)
МИТИН Д.А., аспирант (Донецкий национальный технический университет)
Исследование робототехнического комплекса с параллельной кинематикой на базе линейных синхронных приводов
MINTUS A.N., Candidate of Technical Science, Associate Professor (DONNTU) Mitin D.A., Post-graduate student (DONNTU)
Research of a robotic complex with parallel kinematics based on linear synchronous drives
Введение
момент самым видом механизмов последовательной
кинематикой. Это традиционные системы, в которых звенья присоединены последовательно. Однако данные системы имеют относительно маленькую грузоподъемность и суммирование ошибок
На данный распространенным робототехнических являются роботы с
позиционирования каждого звена, что значительно уменьшает их точность.
Вторым видом робототехнических механизмов являются роботы с параллельной кинематикой. В данных системах приводящие устройства соединены параллельно и являются независимыми друг от друга, что позитивно сказывается на их точности. Также роботы с параллельной кинематикой являются более грузоподъемными в виду того, что нагрузка распределяется равномерно между всеми приводами системы.
Несмотря на широкое
распространение робототехнических комплексов с последовательной кинематикой, для многих задач целесообразнее применять роботов с параллельной кинематикой.
Анализ последних исследований и публикаций
Исследование двухосевых
робототехнических механизмов
приведено в статье [1]. В работе [2]
было представлено решение обратной задачи кинематики для исследуемого робототехнического механизма. В [3] и [4] описываются контроллер ds1103, сервопреобразователь LinMot E210-VF, а также линейный синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов (ЛСД-ПМ) LinMot P01-23Sx80 из которых состоит исследуемый механизм.
Цель работы
Исследовать робототехнический комплекс типа Biglide с параллельной кинематикой и двумя степенями свободы на базе линейных синхронных электроприводов.
Основная часть
Схема, рассматриваемого в данной работе, простейшего механизма с параллельной кинематической
структурой и двумя степенями подвижности показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема робототехнического комплекса с параллельной кинематикой
Исполнительный орган механизма (ИО) приводится в движение при помощи двух линейных
электродвигателей LinMot Р01-238x80 (на схеме - Д1 и Д2) через стержни С1 и С2, перемещающимися вдоль цилиндрических направляющих (Н1 и
Н2). Управление двигателями обеспечивает специальный контроллер DSpace ds1103 при помощи двухканального сервопреобразователя ЫиМО Б210-УБ (на схеме - Ш1 и UZ2), который также регулирует ток в индукторах. Перемещения Х1 и Х2
определяются с помощью импульсных магнитных датчиков перемещения, вмонтированных в индукторы двигателей.
Траектория движения
исполнительного органа задаётся в ортогональной системе координат х-у, но реализацию заданного перемещения обеспечивают линейные двигатели, перемещающиеся по осям Х1 и Х2. Для формирования задания на каждый из двигателей необходимо решить обратную задачу кинематики. Решение обратной задачи кинематики для исследуемого механизма имеет вид [2]:
=
л/L -(h + y)2 -xо +.
= VL2 -(к0 + y)2 -Xо +.
(2.1)
(2.2)
где Ь - длина стержней С1 и С2;
Хо - горизонтальное смещение начала осей Х1 и Х2 относительно нуля системы координат х-у;
Ьо - вертикальное смещение нуля системы координат х-у относительно линии осей Х1 и х2.
Специализированный контроллер ds1103 позволяет обрабатывать
оцифрованные сигналы в режиме реального времени [3]. Помимо центрального процессорного устройства семейства PowerPC, работающего с тактовой частотой 1 ГГц, плата контроллера содержит также ведомый сигнальный процессор (slave DSP) Texas Instruments TMS320F240 DSP, тактовая частота которого составляет 20 МГц. Время, затрачиваемое на аналого-цифровое преобразование, составляет всего 1 мкс. Отсюда вытекает главное преимущество контроллера ds1103 - возможность обеспечения достаточно малого периода дискретизации. При этом фактором, оказывающим решающее воздействие на величину периода дискретизации, становится время цикла обработки программы.
Кроме того, ds1103 располагает 16 каналами ЦАП (из которых 8 можно использовать одновременно) и 8 каналами АЦП. Каждый из каналов имеет разрядность 16 бит. Диапазон величины входного и выходного напряжения АЦП ±10 В.
Архитектура контроллера ds1103 изображена на рис. 2.
Рис. 2. Архитектура контроллера ds1103
x
s 2
Контроллер ds1103 может быть запрограммирован при помощи Matlab/Simulink посредством
интерфейса RTI (Real Time Interface), в результате чего будет создана прикладная система реального времени (real-time application). Процесс создания такой системы состоит из четырех этапов:
1. Создание математической модели в программном пакете Simulink;
2. Добавление I/O - интерфейса, который позволяет осуществить связь между регулятором и физическим объектом;
3. Преобразование модели в код на языке C;
4. Компиляция и компоновка системы реального времени.
Сгенерированная в результате выполнения вышеописанных действий система состоит из четырёх файлов: PPC - программный код, загружаемый в память контроллера и выполняемый им; MAP - файл, содержащий адреса переменных; TRC - файл описания переменных; SDF - файл описания системы. Прикладная система загружается в контроллер при помощи
программного пакета ControlDesk, который также осуществляет чтение, запись и наблюдение за переменными, используя для этого ссылки в SDF-файле на информацию, расположенную в TRC- и МАР-файлах.
Привод исследуемого механизма состоит из сервопреобразователя ЫиМО £210-"^, а также из двух линейных синхронных двигателей с возбуждением от постоянных магнитов ЫиМО Р01-238х80.
Особенностью используемого сервопреобразователя является то, что он обладает встроенным контуром регулирования тока, воздействовать на настройку которого пользователь не имеет возможности. Кроме того, величина тока в индукторе является недоступной для измерения.
Преобразователь управляется уровнем напряжения в диапазоне ±10 В и поддерживает два независимых аналоговых канала задания, что позволяет раздельно управлять сразу двумя двигателями [4].
Коммутационная схема преобразователя приведена на рис. 3.
Рис. 3. Коммутационная схема преобразователя E210-VF
Коммуникация управляющего контроллера и преобразователя осуществляется через 25-пиновый разъём I/O-connector семейства D-sub при помощи экранированного кабеля. Напряжение аналогового входного сигнала (сигнала задания) измеряется между выводами Analog In+ и Analog In- и может изменяться в диапазоне ±10 В+. Разрядность аналоговых входов преобразователя - 12 бит. Нужно также отметить, что, во избежание замыкания через цепь заземления, не следует при коммутации соединять землю контроллера с землёй преобразователя. Все цифровые входы и выходы преобразователя имеют оптическую развязку и управляются напряжением в диапазоне от 5 до 24 В постоянного тока. При этом логическим нулём считается уровень напряжения меньше 2 В, а логической единицей - больше 4 В. Следует отметить, что некоторые из цифровых выходов преобразователя (8, 21) должны обязательно иметь внешнее питание (от 6 до 28 В постоянного тока). Соответствующая схема коммутации приведена. Через разъём I/O-Connector можно также
передать на управляющим контроллер сигнал со встроенного в индуктор двигателя, импульсного датчика перемещения.
Линейные двигатели исследуемого механизма LinMot P01-23Sx80 состоят из якоря (slider) и индуктора (stator). Индуктор представляет собой металлический цилиндр из
высокопрочной нержавеющей стали, в который интегрированы: двухфазная обмотка, подшипники, датчики температуры и перемещения. Якорь двигателя состоит из нержавеющей стальной трубы, в которую вмонтированы неодимовые магниты, выполняющие роль обмотки
возбуждения. Якорь перемещается вдоль подшипников скольжения, установленных по внутреннему диаметру индуктора. Следует подчеркнуть, что между якорем и индуктором какая-либо электрическая коммутация отсутствует, а определение положения якоря относительно индуктора реализуется при помощи датчика Холла. Конструкция линейного двигателя LinMot P01-23x80 представлена на рис. 4.
Рис. 4. Конструкция линейного двигателя LinMot P01-23x80
Предполагается два возможных В первом случае в процессе
способа монтажа линейного эксплуатации двигателя, его якорь
электродвигателя "Moving Slider" и будет перемещаться вдоль
"Moving Stator". подшипников скольжения,
расположенных по внутреннему диаметру индуктора, а сам индуктор, при этом, останется неподвижным. "Moving Slider" даёт преимущества, прежде всего, когда речь идёт о высокодинамичных перемещениях с малым ходом, так как при этом подвижная масса достаточно мала.
При способе монтажа "Moving Stator" якорь двигателя неподвижно закреплён, а индуктор является подвижным элементом.
Исполнительный механизм крепится непосредственно на статор,
установленный на линейных
направляющих. Такой способ монтажа даёт преимущества при перемещениях с большим ходом механизма, так как позволяет сделать ходовую часть более компактной.
Движущее усилие двигателей LinMot в связи с некоторыми
особенностями их конструкции, не является постоянной величиной на всём протяжении рабочего хода и зависит от положения якоря относительно индуктора. В диапазоне номинального рабочего хода (standard stroke) двигатель обладает постоянной величиной максимального движущего усилия, так как при этом магниты якоря находятся полностью в активной зоне индуктора. Чем дальше якорь выходит за пределы области номинального рабочего хода, тем меньшее количество магнитов остаётся в активной зоне индуктора. Это приводит к тому, что на краях рабочего хода максимальное и действующее тяговое усилие начинают линейно уменьшаться, достигая в итоге некоторого граничного значения. Кривая, отображающая данную зависимость, изображена на рис. 5.
Рис. 5. Кривая зависимости максимального тягового усилия линейного двигателя от
величины хода
Параллельная кинематическая структура дает исследуемому комплексу два ключевых
преимущества. Во-первых, данный механизм имеет увеличенную грузоподъемность по сравнению с механизмами с последовательной
кинематикой той же массы. Она обуславливается тем, что нагрузка распределяется равномерно по всем штокам и, в случае, когда ИО занимает центральное положение, составляет 1/2 часть от общей нагрузки. Другим важным преимуществом параллельной
кинематики является повышенная точность позиционирования. Это обусловлено тем, что звенья являются независимыми, поэтому, в отличие от последовательной кинематики, их ошибки позиционирования не суммируются.
Однако у параллельной кинематики есть существенный
недостаток, а именно ограниченная рабочая область, которую можно увеличить только за счет увеличения длинны стержней и цилиндрических направляющих, что существенно будет повышать габариты установки. Схематическое изображение рабочей области механизма можно видеть на рис. 6.
Рис 6. Рабочая область механизма Biglide
Выводы
Благодаря параллельной
кинематической структуре, а также наличию высокоскоростного
контроллера ds1103 рассматриваемый робототехнический комплекс способен отрабатывать сигнал задания с высокой точностью и быстродействием, однако при этом его рабочая область является крайне ограниченной, что является недопустимым в задачах, где требуются маленькие габариты установки.
Список литературы:
1. Majou F., Wenger P., Chablat D. A Novel Method for the Design of 2-dof Parallel Mechanisms for Machining Applications - IRCCyN, Nantes, 2007 -10 p.
2. Старостш С.С., Сафонов А.П.
Позицшне управлшня робототехшчним пристроем iз замкненою кшематикою // Вюник Кременчуцького державного ушверситету. - Кременчук, 2010.
3. DS1103 PPC Controller Board: Feature Reference. - Paderborn: dSpace GmbH, 2001 - 112 p.
4. E210-VF User Manual 2.2. -Spreitenbach: NTI AG, 2005 - 49 p.
Аннотации:
В статье детально рассмотрен робототехнический комплекс с параллельной кинематикой, а также приведены его основные преимущества и недостатки.
Ключевые слова: робототехнический комплекс, параллельная кинематика.
The article considers in detail the robotic complex with parallel kinematics, as well as its main advantages and disadvantages.
Keywords: robotic complex, parallel kinematics.
