9.3 计算机控制系统设计与实现(三).ppt

国家级精品课程计算机控制技术,主讲教师：于海生 教授,青岛大学,第37讲第9章 计算机控制系统设计与实现（三）,9.4 设计举例 机器人计算机控制系统,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理,9.4.2 机器人运动学方程,9.4.3 机器人动力学方程,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,1978年，美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。PUMA至今仍然工作在工厂第一线。,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理,PUMA560机器人是一种计算机控制的机械手，它由六个关节连接的刚性杆件组成，杆件链的一端固定在基座上，另一端则可以安装工具完成一定的操作，如焊接、喷涂和零件装配作业。关节的运动产生杆件的相应运动。从机器人的机械本体来看，机器人由手臂、手腕和工具组成并将它设计成能伸展到工作范围内的工件上，手臂部件运动的合成使手腕部件在工件处定位，以便进行适当的操作。,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理,9.4.1 PUMA560机器人的结构原理,下图所示的PUMA560六关节机器人来说，手臂部件的运动是由腰、肩和肘关节的运动合成的，是机器人的定位机构，而手腕部件的运动则由俯仰、偏转和侧倾关节的运动合成，是机器人的定向机构。,9.4.2 机器人运动学方程,1.机器人正运动学 机器人正运动学问题是已知机器人各关节、各连杆参数及各关节变量，求机械手末端在基础坐标系中的位置和姿态。若已知q为系统6个关节的角位移向量，X为机械手末端工具在基础坐标系中的位置和姿态向量，则,，,9.4.2 机器人运动学方程,2.机器人逆运动学 机器人工作时，总是在基础坐标系中指定机械手末端工具的位置和姿态。为了使机械手末端工具到达期望的位置和姿态，必须驱动机器人各关节由当前角位移到达与末端工具位置和姿态相应的角位移。获得各关节的期望角位置须进行机器人逆运动学求解，即:,9.4.3 机器人动力学方程,机器人动力学可通过Euler-Lagrange方程 来描述。和 分别为系统的6个关节的角位移和角速度向量，为作用于6个关节的外力矩向量。,9.4.3 机器人动力学方程,动能可表示为,进而，表示为：,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,1.位置控制的基本结构 机器人的位置控制是机器人最基本的控制任务。机器人的位置控制结构主要有两种形式，即关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构，分别如图a)和图b)所示。,2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,若定义关节角位置误差为,并采用PD反馈控制，则关节驱动力矩为,PUMA500机器人的关节位置伺服控制,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制 系统上层LSI-11/02计算机主要有两个作用：首先，系统与用户的在线交互作用和机器人操作的任务协调；其次，与6503微处理器进行子任务协调。而处于系统低层的是关节控制器，每个关节有一个控制器，由数字伺服板、模拟伺服板和功率放大器组成。,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,2.PUMA560机器人的关节位置伺服控制 6503微处理器是机器人关节运动控制的核心。每一个6503微处理器与其EPROM和DAC位于数字伺服板上，它与LSI-11/02计算机间的通信是通过一个接口板进行的。接口板再和一个16位的并行接口板(DRV-11)相连，后者向(或从)LSI-11/02的总线发送(或接收)数据。6503微处理器计算出关节误差信号，并把它传送给模拟伺服板。模拟伺服板上有为每个关节电机设计的电流反馈。每个关节的运动控制都有两个伺服环。内环由模拟器件和补偿器组成。外环提供位置误差信息，并由6503微处理器每0.875ms更新一次。,9.4.4 机器人手臂的独立关节位置伺服控制,本讲课程结束！,