《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》9.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(三)

《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》

12023/3/16第37講

第9章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（三）22023/3/169.4設(shè)計(jì)舉例—機(jī)器人計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

9.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理

9.4.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

9.4.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程

9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制32023/3/161978年，美國(guó)Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。9.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理42023/3/16PUMA560機(jī)器人是一種計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械手，它由六個(gè)關(guān)節(jié)連接的剛性桿件組成，桿件鏈的一端固定在基座上，另一端則可以安裝工具完成一定的操作，如焊接、噴涂和零件裝配作業(yè)。關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生桿件的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。從機(jī)器人的機(jī)械本體來(lái)看，機(jī)器人由手臂、手腕和工具組成并將它設(shè)計(jì)成能伸展到工作范圍內(nèi)的工件上，手臂部件運(yùn)動(dòng)的合成使手腕部件在工件處定位，以便進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳌?.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理52023/3/169.4.1PUMA560機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理下圖所示的PUMA560六關(guān)節(jié)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，手臂部件的運(yùn)動(dòng)是由腰、肩和肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)合成的，是機(jī)器人的定位機(jī)構(gòu)，而手腕部件的運(yùn)動(dòng)則由俯仰、偏轉(zhuǎn)和側(cè)傾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)合成，是機(jī)器人的定向機(jī)構(gòu)。返回62023/3/169.4.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程1.機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題是已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)、各連桿參數(shù)及各關(guān)節(jié)變量，求機(jī)械手末端在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)。若已知q為系統(tǒng)6個(gè)關(guān)節(jié)的角位移向量，X為機(jī)械手末端工具在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)向量，則，

72023/3/169.4.2機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程2.機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器人工作時(shí)，總是在基礎(chǔ)坐標(biāo)系中指定機(jī)械手末端工具的位置和姿態(tài)。為了使機(jī)械手末端工具到達(dá)期望的位置和姿態(tài)，必須驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)由當(dāng)前角位移到達(dá)與末端工具位置和姿態(tài)相應(yīng)的角位移。獲得各關(guān)節(jié)的期望角位置須進(jìn)行機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，即:返回82023/3/169.4.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)可通過(guò)Euler-Lagrange方程來(lái)描述。和分別為系統(tǒng)的6個(gè)關(guān)節(jié)的角位移和角速度向量，為作用于6個(gè)關(guān)節(jié)的外力矩向量。92023/3/169.4.3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程動(dòng)能可表示為進(jìn)而，表示為：返回102023/3/169.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制1.位置控制的基本結(jié)構(gòu)機(jī)器人的位置控制是機(jī)器人最基本的控制任務(wù)。機(jī)器人的位置控制結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，即關(guān)節(jié)空間控制結(jié)構(gòu)和直角坐標(biāo)空間控制結(jié)構(gòu)，分別如圖a)和圖b)所示。112023/3/162.PUMA560機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制若定義關(guān)節(jié)角位置誤差為并采用PD反饋控制，則關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為122023/3/16PUMA500機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制132023/3/162.PUMA560機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制142023/3/162.PUMA560機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制

系統(tǒng)上層LSI-11/02計(jì)算機(jī)主要有兩個(gè)作用：

首先，系統(tǒng)與用戶的在線交互作用和機(jī)器人操作的任務(wù)協(xié)調(diào)；

其次，與6503微處理器進(jìn)行子任務(wù)協(xié)調(diào)。而處于系統(tǒng)低層的是關(guān)節(jié)控制器，每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)控制器，由數(shù)字伺服板、模擬伺服板和功率放大器組成。

9.4.4機(jī)器人手臂的獨(dú)立關(guān)節(jié)位置伺服控制152023/3/162.PUMA560機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置伺服控制

6503微處理器是機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制的核心。每一個(gè)6503微處理器與其EPROM和DAC位于數(shù)字伺服板上，它與LSI-11/02計(jì)算機(jī)間的通信是通過(guò)一個(gè)接口板進(jìn)行的。接口板再和一個(gè)16位的并行接口板(DRV-11)相連，后者向(或從)LSI-11/02的總線發(fā)送(或接收)數(shù)據(jù)。

6503微處理器計(jì)算出關(guān)節(jié)誤差信號(hào)，并把它傳送給模擬伺服板。模擬伺服板上有為每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)設(shè)計(jì)的電流反饋。每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制都有兩個(gè)伺服環(huán)。內(nèi)環(huán)由模擬器件和補(bǔ)償