Damped Least-Square Method Based on Chaos

0 downloads 0 Views 496KB Size Report
Feb 14, 2013 - synthesis problem of 6-SPS, and the problem was transformed into .... ω are the angular velocities of the spindle, and. 1. M ,. 2. M and. 3. M.
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

Damped Least-Square Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism Regular Paper

Youxin Luo1,*, Qiyuan Liu1, Xiaoyi Che1 and Lingfang Li1 1 College of Mechanical Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde, P.R.China * Corresponding author E-mail: [email protected]

  Received 4 Aug 2012; Accepted 14 Feb 2013 DOI: 10.5772/56136 © 2013 Luo et al.; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract  Machine  tools  based  on  a  Stewart  platform  are  considered the machine tools of the 21st century. Difficult  problems  exist  in  the  design  philosophy,  of  which  forward  displacement  analysis  is  the  most  fundamental.  Its  mathematical  model  is  a  kind  of  strongly  nonlinear  multivariable  equation  set  with  unique  characteristics  and a high level of difficulty. Different variable numbers  and  different  solving  speeds  can  be  obtained  through  using different methods to establish the model of forward  displacement  analysis.  The  damped  least‐square  method  based  on  chaos  anti‐control  for  solving  displacement  analysis  of  the  general  6‐6‐type  parallel  mechanism  was  built  up  through  the  rotation  transformation  matrix R ,  translation vector  P  and the constraint conditions of the  rod length. The Euler equations describing the rotational  dynamics of a rigid body with principle axes at the centre  of  mass  were  converted  to  a  chaotic  system  by  using  chaos anti‐control, and chaotic sequences were produced  using  the  chaos  system.  Combining  the  characteristics  of  the  chaotic  sequence  with  the  damped  least‐square  method,  all  real  solutions  of  forward  displacement  in  www.intechopen.com

nonlinear  equations  were  found.  A  numerical  example  shows that the new method has some interesting features,  such  as  fast  convergence  and  the  capability  of  acquiring  all  real  solutions,  and  comparisons  with  other  methods  prove its effectiveness and validity.    Keywords  Chaos  Anti‐Control,  Parallel  Mechanism,  Damped Least Square Method, Nonlinear Equations 

  1. Introduction  It  is  very  difficult  to  obtain  the  forward  displacement  of  the moving platform of parallel robots since the ability to  realize  pose  is  strongly  coupled.  Generally,  a  6‐6‐type  parallel mechanism is a Stewart mechanism, whose upper  and  lower  platforms  are  flat  arbitrary  hexagons  connected  with  six  sliding  pairs  with  spherical  pairs  at  both  ends.  Obtaining  forward  displacement  ultimately  boils  down  to  solving  a  set  of  nonlinear  equations.  Solving  these  equations  is  extremely  difficult,  which 

Int J AdvLeast-Square Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 186:2013 Youxin Luo, Qiyuan Liu, Xiaoyi Che and Lingfang Li: Damped Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism

1

becomes  another  problem  of  the  mechanism  after  completing  the  displacement  analysis  of  the  space  6R  series mechanical arm [1]. Since D. Stewart first proposed  the  complete  concept  of  the  parallel  mechanism  and  applied it to the moving platform of a flight simulator in  1965, the kinematics, the mechanism and the controller of  the  Stewart  platform  have  aroused  much  interest  [2‐4].  The  platform  brings  many  advantages,  such  as  strong  rigidity and high accuracy with six DOFs. A machine tool  based  on  a  Stewart  platform  may  be  considered  the  machine tool of the 21st century. Difficult problems exist  in  its  design  philosophy,  and  the  kinematics  problem  of  the  Stewart  platform  is  the  most  fundamental  [5].  This  problem relates to the mechanism in the robotics, and to  algebraic  geometry,  differential  geometry,  symbolic  computation  and  numerical  computation  in  the  mathematical  aspect.  In  the  mathematical  model  of  the  Stewart  platform,  there  is  a  class  of  strongly  nonlinear  multivariable  algebraic  equations  which  are  extremely  difficult  to  solve,  since  nonlinear  science  is  at  the  forefront  of  technological  development.  Because  of  the  high level of difficulty of the mathematics, machine tools  with  Stewart  platforms  are  known  as  being  “manufactured  by  mathematics”,  and  this  has  become  one of the 100 most central problems in interdisciplinary  science  [5].  A  breakthrough  in  solving  this  problem  will  be  an  important  milestone  in  algebraic  equation  solving,  robot operating and machine tool designing.    Methods  to  solve  forward  displacement  in  Stewart  platforms  generally  include  analytic  methods  and  numerical  ones.  Analytic  methods  for  finding  the  closed  form  of  the  forward  displacement  can  give  the  exact  solution,  but  they  often  generate  intermediate  polynomials  that  are  too  large  for  the  calculation  to  proceed  [6].  Different  techniques  have  been  used  to  obtain  the  estimated  number  of  solutions,  some  of  the  real  solutions,  and  closed  forms  of  some  special  configurations  for  the  forward  kinematics  of  the  Stewart  platform,  but  there  is  still  a  long  way  to  go  before  completely  acquiring  all  the  real  solutions  of  the  equations  [7‐13].  Numerical  methods  applied  to  the  Stewart  platform  mainly  include  the  Newton‐Rapbson  iterative  method  (referred  to  as  NR  method)  [14],  the  homotopy  method  [15‐17],  the  chaotic  method  [18],  the  neurons algorithm [19], and the additional sensor method  [20].  There  is  no  need  to  solve  the  complex  high‐order  nonlinear  equations  when  using  the  NR  method.  But,  in  the  NR  method,  the  calculation  speed  is  unstable,  and  both  the  convergence  of  the  calculation  results  and  the  speed  of  convergence  depend  on  the  initial  values.  The  homotopy and neurons methods can work out a complete  solution,  but  this  requires  a  large  amount  of  calculation.  The additional sensor method uses the necessary number  of  additional  sensors  and  a  certain  arrangement  to  simplify  the  solving  process  of  forward  displacement  2

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 186:2013

position.  However,  the  simple  additional  sensor  method  is  very  demanding  given  the  processing  error;  it  is  also  difficult  to  conduct  the  platform  structure  calibration  because  of  the  assembly  in  platform  parts.  In  the  mathematical  model  of  the  Stewart  platform,  there  is  a  class  of  strongly  nonlinear  algebraic  equations  with  multiple  variables.  Different  methods  establishing  forward  displacement  can  obtain  different  variable  numbers  and  different  solving  speeds  of  the  nonlinear  equations.  Researchers  around  the  world  have  long  wrestled  with  this  problem.  C.G.  Liang  [21]  and  W.  Lin  [22]  obtained  forward  displacement  of  the  triangle  and  quadrangle platform‐type parallel robot with coincidence  hinges,  respectively;  C.D.  Zhang  [23]  obtained  forward  displacement  of  the  hexagonal  platform‐type  parallel  robot.  Compared  with  platform  type,  3‐D  type  can  effectively avoid the interference with branch chains and  extend the working space of the moving platform and the  swing  range  of  the  attitude  angle.  However,  it  exacerbates  the  coupling  of  the  pose  in  the  moving  platform  and  makes  it  more  difficult  to  obtain  forward  displacement. Three independent equations that take the  positive  angles  of  the  moving  platform  as  the  variables  were  established  based  on  the  basic  constraint  equations  of  the  parallel  robot,  intermediate  variables  and  mathematical  processing  in  Matlab  [24].  The  nonlinear  equations  whose  forward  displacements  are  four  variables in a platform‐type parallel mechanism were set  up [25], and nonlinear equations with seven variables in a  3‐D parallel mechanism were built [26].   The  chaos  method  described  in  [18]  supposed  that  the  points  of  Julia  centralization  in  the  Newton  iteration  method  would  appear  in  the  neighbourhood  where  the  Jacobian  matrix  determinant  of  the  equations  is  equal  to  zero. However, this supposition has not been proved. The  symbolic expression of the multivariable Jacobian matrix  determinant first needs to be found. Then, all the variable  values  except  one  need  to  be  determined.  Finally,  the  chaos zone is searched for the undetermined variable. It is  quite  complicated  to  solve  the  matrix.  Chaotic  sequence  method  is  a  new  kind  of  solving  method  in  which  the  initial  point  of  Newton  iteration  is  generated  using  the  chaotic  and  hyper‐chaotic  system,  whereby  all  the  real  solutions  on  the  mechanism  synthesis  can  be  effectively  solved  [27‐29].  However,  the  Henon  hyper‐chaotic  Newton  iteration  method  cannot  solve  the  mechanism  synthesis  problem  of  6‐SPS.  When  the  solutions  are  not  convergent  using  the  Newton  or  quasi‐Newton  method,  the  mathematical  programming  method  can  be  adopted  [30].  The  mathematical  programming  method  with  the  hyper‐chaotic  system  was  put  forward  to  solve  the  synthesis  problem  of  6‐SPS,  and  the  problem  was  transformed  into  nonlinear  equations  with  six  variables  [31].  The  Henon  super‐chaotic  sequence  combined  with  the  Newton  downhill  method  created  the  super‐chaotic  www.intechopen.com

Newton  downhill  method  to  solve  this  problem,  which  was  transformed  into  nonlinear  equations  with  nine  variables  [32].  The  quaternion  method  was  used  to  establish nonlinear equations in the synthesis problem of  6‐SPS  with  eight  variables,  and  was  solved  by  using  the  hyper‐chaotic  neural  networks  damped  least‐square  method,  where  the  hyper‐chaotic  neural  network  produces a hyper‐chaotic sequence as the initial iteration  value in the damped least‐square method [33].    In this paper, the nonlinear equations with nine variables  on  forward  displacement  in  the  general  6‐6‐type  parallel  mechanism  were  built  up  through  the  rotation  transformation  matrix R ,  the  translation  vector  P   and  the  constraint  conditions  of  the  rod  length,  and  the  damped least‐square method based on chaos anti‐control  solving the forward displacement in the general 6‐6‐type  parallel mechanism was put forward. The Euler equation  for  motion  of  a  rigid  body  with  principle  axes  at  the  centre of mass was converted to a chaotic system by using  chaos anti‐control, and chaotic sequences were produced.  By  combining  the  characteristics  of  the  chaotic  sequence  with the damped least‐square method, all solutions of the  equations  on  forward  displacement  were  obtained.  The  numerical example shows that the new method has some  interesting  features,  such  as  fast  convergence  and  the  ability to acquire all real solutions; comparison with other  methods proves its effectiveness and validity.  2. Chaotic anti‐control of rigid motion  Chaos  and  unpredictability  are  often  advanced  as  arguments by postmodernists who wish to attack science.  Chaos  does  reveal  a  basic  limitation  as  to  what  science  can  achieve.  However,  knowing  one’s  own  limitation  is  not  unscientific  but  essential  to  science.  It  is  also  important  to  see  how  self‐knowledge  is  attained,  and  what capacities are made possible in the process.     Dynamics  is  as  old  as  Newton.  However,  classical  dynamics  mainly  focuses  on  individual  processes  obtained  by  solving  dynamic  equations  with  specific  initial  conditions.  A  process  is  nothing  but  a  temporal  succession  of  consecutive  steps,  each  determined  by  its  predecessor.  Classical  dynamics  lacks  the  conceptual  means  to  represent  phenomena  such  as  chaos  or  bifurcation. Chaos  in  mathematics  means  extreme  sensitivity to initial conditions, i.e., minute differences in  the  initial  conditions  are  amplified  exponentially. Given  an initial condition, the dynamic equation determines the  dynamic  process,  i.e.,  every  step  in  the  evolution.  However, the initial condition, when magnified, reveals a  cluster  of  values  within  a  certain  error  bound.  For  a  regular  dynamic  system,  processes  issuing  from  the  cluster are bundled together, and the bundle constitutes a  predictable process with an error bound similar to that of  the  initial  condition.  In  a  chaotic  dynamic  system,  www.intechopen.com

processes  issuing  from  the  cluster  diverge  from  each  other  exponentially,  and  after  a  while  the  error  becomes  so  large  that  the  dynamic  equation  losses  its  predictive  power.    Modern  dynamics  goes  much  further.  It  introduces  an  expansive  conceptual  framework  that  includes  processes  for all possible initial conditions, and if a system depends  on a set of parameters, its behaviours for all values of the  parameters.  The  framework  summarizes  all  these  possible  behaviours  in  a  portrait  in  the  system’s  state‐ space or phase‐space. The state of a dynamic system is a  summary of all its properties at one moment in time, and  a  process  is  a  sequence  of  states  whose  succession  is  governed by the dynamic equation. The state‐space is the  collection  of  all  the  states  that  a  system  can  possibly  achieve.  It  has  become  one  of  the  most  important  concepts in all the mathematical sciences.    Dynamical  equations  are  already  generalizations,  and  each  equation  governs  a  class  of  dynamical  systems.  Solving  one  of  these  equations  requires  an  initial  condition.  Classical  dynamics  does  not  generalize  about  initial  conditions,  whose  value  for  each  case  is  assigned  “from  outside.”  Modern  dynamics  generalizes  about  an  initial  condition  by  making  it  a  theoretical  variable  internal to the state‐space representation. This broadened  theoretical framework enables scientists to introduce new  concepts  for  dynamical  processes  with  various  initial  conditions.  Chaos  and  attractors  are  examples  of  such  novel concepts. By internalizing initial conditions instead  of  receiving  them  “from  outside,”  dynamical  theory  attains  a  higher  level  of  generality.  Its  scope  expands  from  individual  processes  to  processes  with  all  possible  initial  conditions.  Further  generalization  and  scope  expansion  are  on  the  way.  Let  us  return  to  the  logistic  equation  y k 1  dy k  dy 2k   and  look  at  the  parameter  d .  It  is  called  d   “control  parameter,”  the  value  of  which  is  “dialled  in  by  hand.”  Because  control  parameters  are  totally enmeshed in the structure of the equation, varying  them is trickier and not always fruitful. We cannot simply  let  d  vary with  k , because that would result in a totally  different  dynamical  equation.  Luckily,  logistical  systems  have  certain  peculiarities  that  make  the  variation  of  d   meaningful,  provided  we  accept  certain  approximations.  Suppose  we  pick  a  value  for  d   and  calculate  processes  for various initial conditions. For, say,  d  2 , we find that  no matter what value we give for  y0 ,  y k always ends up  at 0.5 when  k  becomes large; for  d  1.5 ,  y k always ends  up  at  0.33,  and  so  on.  This  value  (or  group  of  values),  upon which processes initiating from different conditions  converge, is called an attractor.     Logistical  processes  have  an  attractor  A,  whose  behaviours  change  with d ,  not  only  quantitatively  but  qualitatively.  For  d  3   ,  A  has  a  single  value,  which 

Youxin Luo, Qiyuan Liu, Xiaoyi Che and Lingfang Li: Damped Least-Square Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism

3

increases  gradually  as  d  increases.  Then,  at  d  3 ,  the  attractor becomes unstable, and beyond 3 it changes into  a cycle of two values. For  d  3.1  , for instance,  y k  0.56 ,  y k 1  0.76 ,  y k  2  0.56 ,  y k  3  0.76 , and so on, jumping  between  two  steady  values.  As  d  increases  further,  the  attractor changes into a cycle of four values, then a cycle  of  eight  values,  until  at  d  4   the  attractor  has  infinite  values  and  can  no  longer  be  drawn.  The  change  in  the  qualitative  pattern  of  attractors  is  called  bifurcation,  a  novel  concept  made  possible  by  generalization  over  control parameters.    Unlike the logistical system, which has only one attractor,  many  systems  have  several  attractors.  The  state‐space  of  such  a  dynamical  system  divides  into  many  basins  of  attraction,  separated  from  each  other  by  separatrices,  which,  like  continental divides,  separate  a  continent  into  several  drainage  basins.  Processes  initiating  from  conditions that fall within an attractor basin all converge  on the same attractor, just as rains dropping in a drainage  basin all converge on the same river.     Attractors  and  bifurcation  are  not  merely  mathematical  curiosities;  they  play  significant  roles  in  science.  An  attractor  represents  the  long‐term  and  steady  behaviour  of  a  dynamical  system,  when  perturbations  represented  by  various  initial  conditions  die  down.  Such  steady  behaviours  are  interesting  to  scientists.  For  instance,  a  dynamical system with many attractors can represent the  cognitive  process  by  which  an  animal  distinguishes  odours. Initial conditions in the system represent stimuli  to the nose. Stimuli come in infinite varieties, depending  on  complicated  source  and  environmental  conditions.  Because  of  cognitive  dynamics,  they  separate  and  settle  into  different  attractors,  each  representing  a  different  odour. The animal is aware not of the dynamics but only  of  the  final  attractor,  or  the  odour  that  it  recognizes.  However,  cognitive  scientists  are  most  interested  in  its  unconscious cognitive processes.    As  an  animal  grows,  it  may  develop  a  keener  sense  of  smell  and  the  ability  to  distinguish  more  odours.  Such  development  can  be  represented  by  bifurcations,  or  changes in the pattern of attractor basins. Like geological  upheavals  changing  the  landscape  and  creating  more  drainage basins, a new attractor basin may appear in the  animal’s cognitive dynamics. In such models, the control  parameters  whose  changes  engender  bifurcation  can  represent the animal’s growing physiological conditions.  Of  course,  one  must  be  careful  about  changes  in  control  parameters. Mathematically, the control parameters must  be  constants  in  the  solution  of  a  dynamical  equation;  otherwise, we get a different equation. However, we can  approximately consider two time‐scales, one much longer  than  the  other.  Smelling  an  odour  takes  a  few  seconds;  developing  a  better  sense  of  smell  takes  months  if  not  4

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 186:2013

years.  Thus,  even  when  an  animal  is  growing,  since  the  growth  rate  is  relatively  slow  we  can  regard  the  control  parameters of its cognitive dynamics as constants for the  duration  of  the  smelling  process.  It  is  an  approximation,  but  approximations  based  on  reasonable  scales  of  magnitude prove can be fruitful.    Chaos  control  can  suppress  or  eliminate  chaotic  dynamical  behaviour.  Making  a  non‐chaotic  dynamical  system chaotic, or retaining (or enhancing) the chaos of a  chaotic  system,  is  called  “anti‐control  of  chaos  or  chaotification” [34]. This means chaotic anti‐control could  be  mainly  described  as  the  original  non‐chaotic  system  becoming chaos or chaos of the original system becoming  stronger  through  the  external  input  or  the  adjustment  in  internal  parameters.  To  realize  the  control  and  anti‐ control  of  chaos,  the  controller  should  be  designed  as  simple as possible in order to be low‐cost, easy to realize  and  convenient  to  use.  It  is  an  engineering  design  problem  to  look  for  a  chaos  generator  to  realize  chaotic  anti‐control. Whether a simple and strict chaos controller  is  designed  successfully  reflects  the  level  of  the  mathematics and the capability of the engineering design  [34, 35]. Feedback control is one of the basic methods for  control  and  anti‐control  of  chaos.  The  linear  feedback  controller  is  one  of  the  simplest  controllers  which  can  realize chaotic anti‐control. Using Lyapunov exponents of  control  or  anti‐control  of  chaos  is  an  effective  way  of  describing  chaotic  properties  of  nonlinear  systems.  The  number  of  Lyapunov  exponents  is  equal  to  n1 ,  which  is  the  number  of  dimensions  of  the  state‐space  of  the  system.  If  one  of  Lyapunov  exponents  is  greater  than  zero,  the  system  is  chaotic.  If  at  least  two  of  Lyapunov  exponents  are  positive,  the  system  is  hyper‐chaotic.  The  bigger  the  number  of  positive  Lyapunov  exponents,  the  higher the degree of instability in the system.    The  Euler  equations  for  motion  of  a  rigid  body  with  principle axes at the centre of mass were given in [34, 35]  as 

 

I11  (I 2  I 3 )23  M1  I 21  (I 3  I1 )31  M 2                    (1)  I   (I  I )   M 1 2 1 2 3 3 1

where I1 ,  I 2  and  I 3  are the main moments of the inertia,  1 ,  2  and  3  are the angular velocities of the spindle,  and  M1 ,  M 2   and  M 3   are  the  imposed  torques,  respectively. Through a linear feedback system, the Euler  equations  for motion  of  a  rigid  body  with  principle  axes  at  the  centre  of  mass  are  transformed  into  a  chaotic  system.  (Note:  The  mechanism  synthesis  only  requires  the production of chaotic sequences, without considering  parameter  detection.  It  is  definitely  easy  to  detect  the  angular  velocities  in  this  engineering  system.)  Because  the angular velocities are the changing parameters of the  www.intechopen.com

system,  the  imposed  moments  are  the  linear  feedback  of  the  angular  velocities,  which  is  expressed  as  M  Gω ,  where  g11 0  G   0 g 22  0 0 

0   0   g 33 

Suppose  1  x ,  2  y ,  3  z ,  a  g 11 / I1 ,  b  g 22 / I 2 ,  and  c  g 33 / I 3 .  Eq.(1)  is  then  transformed  into  Eq.(2)  as  follows:   

 I2  I3 yz  ax  x  I1   I 3  I1 xz  by  y  I2   I I  z  1 2 xy  cz I3 

Figure 2. Lyapunov exponent of system 

(2) 

Take the nonlinear equation  

                                The qualifications when the system produces chaos are as  follows [35]:    (1)  a  0, b  0,c  0 , and  0  a  (b  c)    or  b  0,a  0,c  0 , and  0  b  (a  c)         or c  0, b  0,a  0   and  0  c  (b  a) ;  (2) 

3. The least‐square method of nonlinear equations 

I2  I3 I I I I  0, 3 1  0, 1 2  0 , that is,  I 3  I1  I 2   I1 I2 I3

f( x )  [f1( x), ,fn ( x)]  0                      (3)   

 

Its  solution  is x  [x1 ,x 2 , ,x n ]T ,  that  is,  J k 

iteration  method  of  the  least‐square  method  is  described  as follows [36, 37]:    (1) Choose initial value  x0 ;  (2) Execute iteration based on the formula (4); 

I I I I I I       or  2 3  0, 3 1  0, 1 2  0 ,  that is,  I 2  I1  I 3   I1 I2 I3

  Select  I 3  3I0 ,I1  2I 0 ,I 2  I 0   (satisfying I 3  I1  I 2 ),  a  5, b  10,c  3.8   (satisfying a  0, b  0,c  0   and  0  a  (b  c) ),  the  strange  attractor  of  the  system  is  as  shown in Fig. 1 and the Lyapunov exponent as in Fig. 2.  As the figures show, this system is chaotic. 

 

 

www.intechopen.com

x k 1  x k  ( JTk J k )1 JTk f( x k )

(k  0,1,2,)     (4) 

where  f( x k )  is the value of  f( x ) at the point x k  and  Jk is  the Jacobi matrix of  f( x ) at the point x k . Generally,  JTk Jk is  the symmetrical positive semi‐definite matrix; its inverse  matrix  ( JTk Jk )1   also  exists,  but  the  value  of  determinant  det( JTk J k ) is very small, and the pathological phenomenon  is serious.     Many  scholars  have  proposed  improved  algorithms  to  solve the above problem. The most famous is the damped  least‐square  method  (L‐M  algorithm).  C.X.  Zhan  presented a new method which is more effective than the  L‐M  algorithm  based  on  this  algorithm,  and  whose  convergence  rate  is  faster.  Adopting  this  method,  the  basic idea is expressed as follows:     Let Ek  J kT J k ,  and  Ek can  be  divided  into  Ek  LTkDkLk   ( Lk is  the  lower  triangular  matrix;  Dk is  the  diagonal  matrix).  The  formula  (4)  can  then  be  rewritten  as LkDkLTκ ( x k 1  x k )   JTk f( x k ) .  Then,  the  damping  is  placed on  Dk , and the formula (5) is derived as follows:   

Figure 1. Strange attractor of system 

f( x k ) .  The  x k

Lk (Dk  I)LTκ ( x k 1  x k )   JTk f( x k )             (5) 

where I   is  an  n‐order  identity  matrix  and  k  0 is  the  damping factor; the selection algorithm and convergence  iteration are described in [38]. 

Youxin Luo, Qiyuan Liu, Xiaoyi Che and Lingfang Li: Damped Least-Square Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism

5

4. The damped least‐square method based   on chaotic anti‐control of rigid motion  

According  to  the  condition  of  the  rod  length,  the  following equations can be obtained: 

The common system is transformed into the chaos system  through  chaotic  anti‐control,  and  chaotic  sequences  are  produced by using a chaos system to obtain all solutions  of the mechanism equations expressed with the vector  x *   in  the  chaotic  anti‐control  method  of  mechanism  synthesis. All solutions  x *  of nonlinear equations can be  obtained using the damped least‐square method based on  chaotic anti‐control of rigid motion. The solving steps are  as follows:    (1)  Selecting  the  system  parameters  according  to  Eq.  (2)  and  its  generating  conditions,  we  can  construct  hyper‐ chaos sets  x0 (i, j)  ( i  1,2, ,n , where  n  is the number of  variables;  j  1,2, ,N ,  where  N ,  the  length  of  hyper‐ chaos sets, is adjusted according to test circumstances);  (2) Suppose that the interval of variable  x(i)  is  [a(i), b(i)]   and chaotic set  x0 (i, j)  is mapped to the variable interval  in  order  to  generate  x(i, j) ,  the  j th  initial  value  of  x(i) .  Go to step (3) if no mapping operation is to be conducted.  (3)  Take  x(i, j)   as  the  initial  value  of  the  damped  least‐ square method. All the solutions  x *  can be obtained after  N   iterations  of  Eq.  (5)  using  the  damped  least‐square  method. 

 

L2i  [RQib  P  Qia ]T [RQib  P  Qia ]               (6) 

 

L21  P TP                                       (7) 

5. Mathematical modelling of forward displacement   The structure diagram of the general 6‐6‐type 3‐D parallel  mechanism  is  shown  in  Fig.  3.  In  this  mechanism,  the  upper  plane  is  connected  to  the  lower  by  six  branched  chains  with  ball  joints  and  sliding  pairs.  The  fixed  coordinate  system  O1x1y1z1   and  the  moving  one  O2 x 2 y 2 z 2  are established respectively as in Fig. 3, where  the  coordinates  of  Ai and  Bi   are  Qia (a xi ,a yi ,a zi )   and  Qib (bxi ,b yi ,bzi ) ,  respectively,  and  the  length  of  Ai Bi   is  Li (i  1,2, ,6) .  The  spatial  position  of  the  upper  plane  relative  to  the  lower  can  then  be  determined  as  long  as  the  rotation  transformation  matrix  R and  the  translation  vector  P(x, y,z)   from  O2 x 2 y 2 z 2   to  O1x1y1z1   are  obtained. 

(i  2,3, ,6)

where l x R  l y   lz

mx

my mz

nx   ny     nz 

After substituting Eq.(3) into Eq.(2) and expanding Eq.(2),  we can obtain the equation as:  2 2 T T T T T   L1  L i  QibQib  Qia Qia  2P RQib  2Qia P  2QibRQia  0 (8) 

(i  2, 3, ,6)

where R  is the unit orthogonal matrix. The following  equations can then be obtained.  l 2x  l 2y  l z2  1                                   (9) 

           

m 2x  m 2y  m 2z  1                             (10) 

l x m x  l y m y  l z m z  0                        (11)  n x  l y m z  l z m y                             (12) 

n y  l z m x  l x m z                             (13)  n z  l x m y  l y m x                             (14) 

Through  Eqs.  (12‐14),  n x ,  n y   and  n z   can  be  obtained.  Eqs.  (6‐11)  are  therefore  the  key  and  most  difficult  point  of  the  forward  displacement  in  the  general  6‐6‐type  3‐D  parallel  mechanism  [32];  they  are  also  the  objective  mathematical  models  in  this  paper.  The  nine  unknown  variables  are  l x , l y , l z , m x , m y , m z , x, y    and  z,  which are written as  x  [l x ,l y ,l z ,m x ,m y ,m z ,x, y,z]T .  6. Numerical example 

  Figure 3. Structure diagram of the general 6‐6‐type 3‐D parallel  mechanism  6

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 186:2013

In  Fig.  3,  the  coordinates  of  point  Ai     in  a  static  coordinate  system  x1y1z1 are  A1 (0,0,0) ,  A 2 (2,0,0) ,  A 3 (4,1,0) ,  A 4 (5,3,1) , A 5 (3,5, 1) , A 6 ( 1,2,2) ,  and  the  coordinates  of  point  Bi   in  dynamic  coordinate  system x 2 y 2 z 2   are  B1 (0,0,0) , B2 (1,0,0) ,  B3 (2,1,0) , B4 (4,3,2) ,  B5 (3,4, 1) ,  B6 ( 2, 1,3) .  l1  11 ,  l 2  12 ,  l 3  13 ,  l 4  15 ,  l 5  14 , l6  10 .  The  mechanism’s  total  position  forward solutions is found as follows.     Put  the  data  into F( x ) ,  obtain  chaos  series  from  Eq.  (2)  and  take  it  as  the  damped  least‐square  method’s  initial  www.intechopen.com

value  x 0 .  Then  run  the  program  and  the  answers  will  come out automatically: there are four independent real  solutions,  as  shown  in  Table  1.    The  corresponding  initial  values  of  the  four  real  solutions  are  shown  in  Table 2, and the corresponding Euler angles of the four  real solutions are shown in Table 3. It takes only 14.65s.  If  we  adopt  the  Euler  method  to  solve  the  similar  problem, it will take 327.5 s on the same computer with  an  Intel  Core™2  Quad  CPU  [email protected],  2.39GHz  and  2.00GB  memory.  The  results  are  shown  in  Table  3,  which  is  the  same  as  Table  1  in  [33].  The  process  takes  3.8s  using  the  quaternion  and  hyper‐chaotic  damped  least‐square method, which is shown in Table 4 and can  be changed to resemble Table 3.     If  we  use  a  Hénon  hyper‐chaotic  system  to  produce  hyper‐chaotic  sequences,  it  will  take  8.5s  to  find  all  solutions  based  on  the  hyper‐chaotic  least‐square  method  [36,  37].  The  results  are  shown  in  Tables    5,  6  and  7.    Tables  1  and  3  are  in  fact  the  same  as  Tables  5  and  7,  the  only  difference  being  in  the  order  of  solutions  and  corresponding  initial  values. Different  nonlinear  equations  behave  differently.  Different  methods  establishing  nonlinear  equations  for  the  forward  displacement  problem  can  obtain  different  variable  numbers  and  different  solving  speeds  of  nonlinear  equations.  Selecting  appropriate  methods  to  build  nonlinear  equations  around  the  mechanism  problem,  as  well  as  selecting  appropriate  chaotic  or  hyper‐chaotic  sequences,  can  help  solve  the  nonlinear  equations fast.    x(1)   x(2)   x(3)   x(4)   x(5)   No  1  2  3  4 

‐0.5958  ‐0.5410  0.0291  ‐0.6539 

0.4756  ‐0.7491  ‐0.8060  0.2181 

0.6472  ‐0.3823  ‐0.5912  0.7245 

‐0.6076  0.6784  0.9820  ‐0.6314 

‐0.7939  ‐0.6574  ‐0.0872  ‐0.6849 

No 

x(6)  

x(7)  

x(8)  

x(9)  

 

1  2  3  4 

0.0240  0.3280  0.1673  ‐0.3637 

0.3682  ‐1.8184  ‐1.1889  0.2301 

5.3866  1.1055  ‐0.3137  3.8573 

9.5838  ‐10.7922  ‐10.9311  10.2989 

       

Table 1. Four examples of real solutions 

No

x1  

1  2  3  4 

0.5116  ‐0.8487  ‐0.1554  0.2768 

No.  1  2  3  4  No.  1  2  3  4 

x4  

x5  

0.3675  0.9636  0.3682  5.3866  0.2703  ‐0.4596  ‐1.8184  1.1055  0.3434  ‐0.7563  ‐1.1889  ‐0.3137  0.5113  ‐0.6170  0.2301  3.8573 

q0  0.2484  ‐0.6578  ‐0.4079  0.3051  g0  ‐7.6883  7.0399  8.9082  ‐8.0901 

x6   9.5838  ‐10.7922  ‐10.9311  10.2989 

q1  0.3337  ‐0.2861  ‐0.2512  0.3302  g1  6.5440  ‐1.1127  2.4680  5.8517 

q2  ‐0.3096  ‐0.1538  0.0703  ‐0.1000  g3  4.1984  4.1411  3.8515  4.4810 

q3  0.8550  0.6796  0.8750  0.8876  g4  1.1998  7.2837  4.5518  1.1085 

Table 4. Four examples of real results based on quaternion  hyper‐chaotic damp least‐square method  No 

x(1)  

x(2)  

x(3)  

x(4)  

x(5)  

1  2  3  4 

‐0.5958  ‐0.5410  0.0291  ‐0.6539 

0.4756  ‐0.7491  ‐0.8060  0.2181 

0.6472  ‐0.3823  ‐0.5912  0.7245 

‐0.6076  0.6784  0.9820  ‐0.6314 

‐0.7939  ‐0.6574  ‐0.0872  ‐0.6849 

No 

x(6)  

x(7)  

x(8)  

x(9)  

 

1  2  3  4 

0.0240  0.3280  0.1673  ‐0.3637 

0.3682  ‐1.8184  ‐1.1889  0.2301 

5.3866  1.1055  ‐0.3137  3.8573 

9.5831  ‐10.7922  ‐10.9312  10.2989 

       

Table 5. Four examples of real solutions based on hyper‐chaotic  least‐square method  No 

x 0 (1)  

x 0 (2)  

x 0 (3)  

x 0 (4)  

x 0 (5)  

1  2  3  4 

0.8907  ‐0.9887  0.8648  ‐0.6304 

0.4907  ‐1.5859  ‐0.9241  1.6168 

0.8058  0.3082  1.8413  1.6201 

0.3264  0.8991  0.7975  1.3458 

0.5499  1.7229  ‐1.3132  ‐0.6667 

No 

x 0 (6)  

x 0 (7)  

x 0 (8)  

x 0 (9)  

 

1  2  3  4 

0.3888  ‐0.7242  1.1049  1.5922 

0.8968  1.0452  0.5071  1.6083 

0.6761  1.4673  ‐0.2291  ‐0.8141 

0.8284  ‐1.7255  ‐1.2570  0.2605 

       

Table 6. Corresponding initial values of the four real solutions  based on hyper‐chaotic least‐square method 

x 0 (1)  

x 0 (2)  

x 0 (3)  

x 0 (4)  

x 0 (5)  

No.

x1  

1  2  3  4 

0.9883  0.9081  0.9945  ‐17.4691 

0.9295  0.7647  0.9672  ‐19.0200 

0.4095  0.7968  0.5406  ‐20.3337 

0.0003  0.8166  0.9633  ‐15.0719 

0.5409  ‐0.6585  ‐0.7518  6.1160 

1  2  3  4 

0.5116  ‐0.8487  ‐0.1554  0.2768 

No 

x 0 (6)  

x 0 (7)  

x 0 (8)  

x 0 (9)  

 

1  2  3  4 

0.2077  0.3271  0.4212  ‐3.3138 

0.2193  ‐0.5817  ‐0.6733  7.4800 

0.3258  0.1474  ‐0.0107  ‐24.1797 

0.0959  ‐0.8109  ‐1.0000  19.3022 

       

www.intechopen.com

x3  

Table 3. Corresponding Euler angles of the four real solutions 

No 

Table 2. Corresponding initial values of the four real solutions 

x2  

x2  

x3  

x4  

x5  

0.3675  0.9636  0.3682  5.3866  0.2703  ‐0.4596  ‐1.8184  1.1055  0.3434  ‐0.7563  ‐1.1889  ‐0.3137  0.5113  ‐0.6170  0.2301  3.8573 

x6   9.5838  ‐10.7922  ‐10.9311  10.2989 

Table 7. Corresponding Euler angles of the four real solutions  based on hyper‐chaotic least‐square method 

7. Conclusions  The  nonlinear  equations  with  nine  variables  on  forward  displacement  in  the  general  6‐6‐type  parallel  mechanism 

Youxin Luo, Qiyuan Liu, Xiaoyi Che and Lingfang Li: Damped Least-Square Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism

7

were built up through the rotation transformation matrix  R , translation vector  P  and the constraint conditions of  the  rod  length.  The  damped  least‐square  method  based  on  chaotic  anti‐control  for  solving  forward  displacement  in the general 6‐6‐type parallel mechanism was proposed.  The  Euler  equations  for  motion  of  a  rigid  body  with  principle  axes  at  the  centre  of  mass  were  converted  to  a  chaotic  system  by  using  chaos  anti‐control,  and  chaotic  sequences  were  produced.  Combining  the  characteristics  of  the  chaotic  sequence  with  the  damped  least‐square  method,  all  the  real  solutions  of  forward  displacement  were obtained and the calculation steps were given. This  method  solves  the  problem  of  achieving  convergence  in  the  Newton  and  quasi‐Newton  methods  based  on  chaos  and super‐chaos. The numerical example verifies that the  method  proposed  in  this  paper  is  correct  and  effective.  Running  within  the  range  of  real  numbers,  this  method  provides  a  new  approach  for  solving  forward  displacement  in  parallel  mechanisms  and  other  strongly  nonlinear equations.  8. Acknowledgments  This  research  is  supported  by  the  National  Natural  Science  Foundation  of  P.R.  China  (No:51075144),  the  grant  of  the  12th  Five‐Year  Plan  for  the  key  discipline  programme  (Mechanical  Design  and  Theory)  in  Hunan  province  (XJF2011[76])  and  the Hunan  Provincial  Natural Science Foundation of China (No:13JJ8023).   9. Reference  [1]  F.A.  Wen,  C.G.  Liang,  Q.Z.  Liao  (1999)  The  forward  displacement  analysis  of  parallel  robotic  mechanisms,  China  Mechanical  Engineering,  10(9),  pp.1011‐101.  [2]  C.Y.  Lu,  Y.L.  Xiong  (1999)  A  Closed‐Form  Forward  Kinematics  of  6‐6  Stewart  In‐Parallel  Mechanisms,  Journal  of  Huazhong  University  of  Science  and  Technology, 27(7), pp.36‐38.  [3]  H.  Zou,  Q.Y.  Wang,  X.L.  Yu  et  al.  (2000)  Pose  Error  Analysis  of  the  Stewart  Platform,  Journal  of  Northeastern  University  (Natural  Science),  21(3),  pp.301‐304.  [4]  Y.X.  Su,  B.Y.  Duan  Baoyan  (2000)  The  Kinematics  Accuracy  Analysis  of  Six  DOF  Stewart,  Journal  of  Xidian University, 27(4) , pp.401‐403.  [5] X.X. Li (2005) 100 Interdisciplinary science puzzles of  the 21st century, China Science Press, Beijing.  [6]  W.T.  Wu  (2000)  Mathematics  and  Mechanization,  China Science Press, Beijing.  [7]  M.  Husty  (1996)  An  Algorithm  for  Solving  the  Direct  Kinematics  of  General  Stewart‐Gough  Platforms,  Mechanism and Machine Theory, 31(4), pp.365‐380.  [8]  S.V.  Screenivasan,  K.J.  Waldron  (1994)  Closed‐form  Direct Displacement Analysis of 6‐6 Stewart Platform,  Mechanism and Machine Theory, 21(2), pp.117‐121. 

8

Int J Adv Robotic Sy, 2013, Vol. 10, 186:2013

[9]  M.J.  Liu,  C.X.  Li  (2000)  Analytical  Direct  Kinematic  Solution  of  a  3‐6  Stewart  Platform  Manipulator,  Journal of Shanghai Jiaotong University, 34(3), pp.423‐ 424.  [10]  X.G.  Huang,  Q.Z.  Liao,  S.M.  Wei,  Y.F.  Zhuang  et  al.  (2008)    Forward  Kinematics  of  General  6‐6  Stewart  Mechanisms Based on Groebner‐Sylvester Approach,  Journal  of  Xiʹan  Jiaotong  University,  42(3)  ,  pp.301‐ 303.  [11] Innocenti C.(2001) Forward kinematics in polynomial  form of the general Stewart platform, ASME Journal  of Mechanical Design,123(2),pp.254‐260.  [12] M.L. Husty (1996) An algorithm for solving the direct  kinematics  of  general  Stewart–Gough  platform,  Mech. Mach. Theory, 31, pp. 365–380.  [13] T.Y. Lee, J.K. Shim (2001) Forward kinematics of the  general  6‐6  Stewart  platform  using  algebraic  elimination, Mech. Mach. Theory, 36, pp.1073‐1085.   [14]  P.  Nanua,  K.J.  Waldron,  V.  Murthy  (1990)  Direct  kinematic  solution  of  a  Stewart/platform,  IEEE  Trans on Rob. Autom., 6, pp.438‐444.  [15]  J.Y.  Zhang,  S.F.  Shen  (1996)  Computational  Mechanics, National Defense Industry Press, Beijing.  [16] Z.  Huang, L.F.  Kong, Y.F.  Fang (1997)  Parallel robot  mechanisms  and  their  control,  China  Machine  Press, Beijing.  [17]  A.X.  Liu,  T.L.  Yang  (1996)  Finding  All  Solutions  to  Forward  Displacement  Analysis  Problem  of  6‐SPS  Parallel  Robot  Mechanism,  Mechanical  Science  and  Technology, 15(7), pp.543‐546.  [18]  Y.X.  Luo,  D.Z.  Li  (2003)  Finding  all  Solutions  to  Forward  Displacement  Analysis  Problem  of  6‐SPS  Parallel  Robot  Mechanism  with  Chaos‐iteration  Method, Journal Engineering Design, 10(2), pp.70‐74.  [19] C.C. Nguyen, Z.L. Zhou (1991) Efficient Computation  of  Forward  Kinematics  and  Jacob  Jan  Matrix  of  a  Stewart  Platform‐based  Manipulator,  IEEE  Service  Center, pp.869‐874.  [20]  K.A.C.  Cheok,  J.L.  Overhou,  R.R.  Beeck  (1993)  Exact  Methods  for  Determining  the  Kinematics  of  a  Stewart  Platform  using  Additional  Displacement  Sensor, Journal of Robot. Systems, 10(5), pp.689‐700.  [21]  C.G.  Liang,  H.  Rong  (1991)  Forward  Kinematics  Analysis of the Stewart Platform Robot Arm, Journal  of Mechanical Engineering, 27(2), pp.26‐30.  [22]  W.  Lin,  M.  Griffs,  J.  Duffy  (1992)  Closed‐form  Forward  Displacement  Analysis  of  the  4‐5  in  Parallel  Platforms,  Proc.  ASME  Des.  Tech.  Cont.,  45,  pp.521‐ 527.  [23]  C.D.  Zhang,  M.  Song  (1992)  Forward  Position  Analysis  of  Nearly  General  Stewart  Platforms,  Proc.  ASME  Conf.  on  Rob.  Spatial  Mechanisms  and  Mechanical Systems, 45, pp.81‐84.  [24] K.J. Lu (2003) 3D Searching for the Position Solution  to  the  Parallel  Robot,  Manufacture  Information  Engineering of China, 32(5), pp.107‐109. 

www.intechopen.com

[25]  S.W.  Fu,  Y.  Yao  (2007)  Four  Dimension  Workspace  Search  Method  for  Six  Degree  of  Freedom  Stewart  Platform,  Journal  of  Harbin  Institute  of  Technology,  39(1), pp.11‐12.  [26]  X.W.  Kong,  Y.Z.  Zheng,  W.J.  Lu  (1998)  Forward  Displacement Analysis of 6‐SPS Parallel Manipulators  Using  Continuation,  Mechanical  Science  and  Technology, 17(6), pp.11‐12, pp.878‐880.  [27]  Y.X.  Luo,  H.X.  Guo  (2007)  Newton  Chaos  Iteration  Method  and  its  Application  to  Mechanism  Kinematics  Synthesis,  Journal  of  Harbin  Institute  of  Technology (New Series ), 14(1) , pp.13‐16.  [28] Y.X. Luo, D.G. Liao (2007) Coupling Chaos Mapping  Newton  Iterative  Method  and  its  Application  to  Mechanism  Accurate  Points  Movement  Synthesis,  Journal of Mechanical Transmission, 31(1), pp.28‐30.  [29] Y.X. Luo, D.G. Liao (2007) Coupling Chaos Mapping  Newton  Iterative  Method  and  its  Application  to  Mechanism  Accurate  Points  Movement  Synthesis,  Journal of Mechanical Transmission, 31(1), pp.28‐30.  [30]  Y.K.  Sui,  W.Z.  Zhao  (2002)  A  Quadratic  Programming  Method  for  Solving  the  NSE  and  its  Application,  Chinese  Journal  of  Computational  Mechanics, 19(2), pp.245‐246.  [31]  Y.X.  Luo  (2008)  Hyper‐chaotic  Mathematical  Programming  Method  and  its  Application  to  Mechanism Synthesis of Parallel Robot, Transactions  of  the  Chinese  Society  for  Agricultural  Machinery,  39(5), pp.133‐136.  [32]  Y.X.  Luo  (2009)  Hyper‐chaotic  Newton‐downhill  Method  and  its  Application  to  Mechanism  Forward 

Kinematics Analysis of Parallel Robot, Lecture Notes  in  Computer  Science,  Intelligent  Robotics  and  Applications  ‐  Second  International  Conference,  ICIRA 2009,v 5928 LNAI, pp.1224‐1229.  [33] Y.X. Luo, Q.Y. Liu, X.Y. Che, B. Zeng (2011) Forward  Displacement  Analysis  of  the  6‐SPS  Stewart  Mechanism based on Quaternion and  Hyper‐chaotic  Damp  Least  Square  Method,  Advanced  Materials  Research, 230‐232, pp.759‐763.  [34]  H.K.  Chen,  C.  Lee  (2004)  Anti‐control  of  chaos  in  rigid body motion. Chaos, Solutions and Fractals, 21,  pp.957‐965.  [35]  Y.X.  Luo  (2008)  The  Research  of  Newton  Iterative  Method based on anti‐control of chaos in rigid body  motion  to  Mechanism  Synthesis,  Journal  of  Mechanical Transmission, 32(1), pp.30‐32.   [36]  Y.X.  Luo,  Z.X  Mou,  B.  He  (2012)  Forward  Displacement Analysis of a Non‐plane Two Coupled  Degree  Nine‐link  Barranov  Truss  Based  on  the  Hyper‐chaotic  Least  Square  Method,  International  Journal of Advanced Robotic Systems, 9(7),pp.1‐6.  [37]  Y.X.  Luo,  Y.  Wei,  Q.Y.  Liu  (2012)  Inverse  displacement  analysis  of  a  general  6R  manipulator  based  on  the  hyper‐chaotic  least  square  method,  International  Journal  of  Advanced  Robotic  Systems,  9(8),pp.1‐6.  [38]  J.Y.  Zhang  (2003)  Mathematical  method  of  mechanics,  Shanghai  Jiaotong  University  Press,  Shanghai.   

 

www.intechopen.com

Youxin Luo, Qiyuan Liu, Xiaoyi Che and Lingfang Li: Damped Least-Square Method Based on Chaos Anti-Control for Solving Forward Displacement of General 6-6-Type Parallel Mechanism

9

Suggest Documents