多指靈巧手又稱(chēng)多指多關(guān)節機械手，是一種并聯(lián)加串聯(lián)形式的機器人， 一般由手掌和 3～5個(gè)手指組成，每個(gè)手指有3～4個(gè)關(guān)節。由于其具有多個(gè)關(guān)節(≥9),故可以對幾乎任 意的物體進(jìn)行抓持及操作。如果安裝有指端力傳感器和觸覺(jué)傳感器，對抓持力進(jìn)行控制， 可以實(shí)現對易碎物體(如雞蛋等)進(jìn)行抓持及操作。多指靈巧手的機械本體一般較小，自由 度又較多，故多采用伺服電機通過(guò)有套管的鋼絲或尼龍繩進(jìn)行遠距離驅動(dòng)，控制伺服電機 進(jìn)行有序的轉動(dòng)，可使多指靈巧手完成各種抓持及操作。由于繩子的變形及繩子與套管間 的摩擦，關(guān)節之間的耦合，使得多指靈巧手比一般的機器人具有更強的非線(xiàn)性。目前，對 多指靈巧手的智能抓持的研究和位置/力協(xié)調控制的研究是機器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。

下面介紹用經(jīng)過(guò)訓練的多層前饋網(wǎng)絡(luò )作為控制器，控制多指靈巧手的關(guān)節跟蹤給定的軌跡，以及對網(wǎng)絡(luò )結構、學(xué)習算法、控制系統軟硬件組成以及實(shí)驗結果等。

1. 網(wǎng)絡(luò )結構及學(xué)習算法

本系統采用一個(gè)3×20×1的三層前饋網(wǎng)絡(luò )來(lái)學(xué)習原有的控制器的輸入輸出關(guān)系。神 經(jīng)元采用S 形函數，即y=1/(1+e') 。 學(xué)習結束后，用此前饋網(wǎng)絡(luò )當作控制器。作為網(wǎng) 絡(luò )學(xué)習樣板的控制器，是經(jīng)實(shí)踐驗證成功的控制器。利用這個(gè)控制器產(chǎn)生的輸入輸出數據 對，供網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行學(xué)習，訓練好的網(wǎng)絡(luò )可以很好地逼近原控制器的輸入輸出映射關(guān)系。

學(xué)習采用BP 算法與趨化算法相結合的混合學(xué)習算法，即先用 BP 算法對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訓 練，然后再用趨化算法訓練。實(shí)踐證明這種混合學(xué)習算法能夠避免局部極小值且比單d用 兩者中任一算法具有較快的收斂速度。 BP 算法是Z常見(jiàn)的學(xué)習算法，在此不多述。趨化 算法由 Bremermann 和 Anderson 提出，尤其適合于處理動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )的訓練問(wèn)題，這里所用 的趨化算法如下：

1)把權重W 設為[- 0 . 1,0 . 1]上的隨機初值，即W。;

2)把樣本輸入網(wǎng)絡(luò )并計算網(wǎng)絡(luò )輸出；

3)求目標函數J 的值，并令 B₁=J;

4)產(chǎn)生與權重W 維數相同、零均值的[- 1,+1]上正態(tài)分布的隨機向量W′;

5 ) 令W=W 。+a ×W′,a<1, 是一實(shí)系數；

6)求目標函數J 的值，令 B₂=J;

7 ) 如 果E₂由此算法學(xué)習得到的權重矩陣是W, 目標函數定義為： 是第i 個(gè)樣本的學(xué)習誤差， N 是樣本的數量。

2. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制器設計

(1)控制系統硬件

本系統以北京航空航天大學(xué)機器人研究所的三指靈巧手作為實(shí)驗床，其控制器采用分 J結構，上層主機是PC—386, 負責進(jìn)行人機信息交換、任務(wù)規劃和路徑規劃。下層是伺 服控制器，即對應每個(gè)電機有一個(gè)基于PC 總線(xiàn)的8031單片機的位置伺服控制器。圖5-31 為控制器的硬件簡(jiǎn)圖。圖中的手指關(guān)節部位安裝有電位計，用作角度傳感器，其輸出信號 作為伺服控制器的反饋信號。

(2)控制系統軟件設計

控制軟件分為兩部分，上位機軟件用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，伺服控制器的軟件用MCS-51 單片機匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。圖5-32是控制器的結構圖。上位機軟件負責根據誤差信號，計算網(wǎng) 絡(luò )輸出并產(chǎn)生相應的控制信號。伺服控制器從主機得到控制指令，進(jìn)行適當的處理后，產(chǎn)生相應的PWM 電機控制信號控制電機轉動(dòng)。對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的計算全由上位機完成，這是因 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的計算包括大量的非線(xiàn)性函數.用匯編語(yǔ)言實(shí)現十分困難且速度很慢。圖5-33 是主機軟件流程圖，其中定時(shí)器的作用是保證40ms 進(jìn)行一次插值，利用上位機的 CMOS 定時(shí)來(lái)實(shí)現，可以準確到微秒J。

(3)復合控制方法

通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，單純用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制器進(jìn)行控制，系統 的響應在跟蹤階段可以很好地跟蹤給定的軌跡，但穩態(tài)效果 不好，存在較大的穩態(tài)誤差。這是因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠學(xué)習原 來(lái)的控制器的輸入輸出映射關(guān)系，但并不能完全復現這種關(guān) 系，總有一定的誤差，而且誤差小到一定的范圍后，再想進(jìn) 一步減小就變得十分困難。由于時(shí)間限制，網(wǎng)絡(luò )學(xué)習只能得 到一個(gè)近似的Z優(yōu)解，而不可能得到真正的Z優(yōu)解。為了使 系統具有良好的穩態(tài)響應，采用一個(gè)PID 控制器在穩態(tài)時(shí)對 系統進(jìn)行控制，利用其積分作用來(lái)消除穩態(tài)誤差，實(shí)驗結果 表明這種復合控制器能保證系統具有良好的穩態(tài)響應。