PUMA560机器人的硬件改进和计算转矩的控制外文文献翻译.docVIP

附录1 PUMA560机器人的硬件改进和计算转矩的控制 更新用于教育事业的工业控制器 英国Reading大学的自动控制系有一台Puma 560教学机器人，由于原来的硬件控制部分和人机界面有所欠缺，因此此文就控制部分的改进作了阐述。本论文描述了两个自动化系的研究生的研究结果，这个课题涉及了基于个人计算机的机器人操作臂的人机界面和计算转矩的控制设计。 Puma 560机器人是一个六自由度的机器人操作臂，由六个直流伺服电机驱动，关节位置由编码器和电位计测定。三个大功率的电机用于驱动腰部关节，肩关节和肘关节，而三个较小功率的电机用于驱动腕关节位置和方位。Puma 560机器人有一个宽广的可达空间和较大的加速度，加速度大的超出人的想象。Puma 560机器人设计的初衷是用于工业装配和操作控制，目前大多用于科研院所作为研究的目的来应用。现在机器人操作臂本身仍然有高的强度和动力，然而原来的Unimation Mark Ⅱ控制器已经过时并且急需替代。随着现代科技的快速发展，出现了能够运行MATLAB/SIMULINK软件的个人计算机，并且还存在有其它的功能,例如实时监控设备、快速成型、以及用于控制机器人操作臂的高级在线测试。基于机器人控制 “工具箱”的SIMULINK软件可以控制Puma 560机器人操作臂，但是它不具备控制计算转矩的功能，正因为此，本文重点介绍这一技术的相关内容。 Puma 560机器人的改进和接口部分 为了利用个人计算机来控制Puma 560机器人操作臂，我们特意去掉了原来的LSI/11计算机、EEPROM存储器芯片、CMOS芯片、ad/ac接口、数字伺服控制板、以及操作臂接口卡。正如操作臂接口卡中所描述的一样，原来的功率放大器以及电流、转矩控制器在新设计的控制结构体系中仍然存在。Puma 560机器人控制部分的硬件结构如图一所描述。 专用的TRC041改进卡代替原来的芯片安装在Mark Ⅱ控制器的背面。控制器上的TRC041芯片通过专用的电缆与Q8数据采集器相连接,而Q8数据采集器又与个人计算机上的PCI接口相连接。 奔腾4, 2.4GHz的个人计算机在Windows 2000操作系统下运行,用于控制机器人操作臂的精确运动。伺服电机的转矩通过Mark Ⅱ控制器来控制，并且与由个人计算机通过Q8数据采集器发送过来的数字电压相比较。Q8数据采集器从TRC041芯片上接收到编码器和电位计上的信号。 电位计上的信号用来校准和标定最近接收到的标志信号，然后校准编码器上的读数用来决定关节的位置和方位。 控制器设计 利用控制计算转矩来实现机器人操作臂的控制，这一项技术多用于非线形的动态系统的控制中，用来去掉操作臂控制的非线形、也方便内部控制和定值的获得。关节位置通过微分积分调节器控制计算转矩，进而来控 个人计算机 Windows 2000 MATLA 6.5/Simulink5.0 Wincon 402 PUMA560操作臂 改进的UNIMATE控制器 PCI总线 Q8数据采集器 TRC041网卡设置 图1 硬件结构 专用的TRC041改进卡安装在MarkⅡ控制器上，控制器上的TRC041改进卡和Q8数据采集器通过专用的电缆线来连接。奔腾4,2.4GH的个人计算机在Windows2000操作系统下运行，同时应用MATLAB/SIMULINK以及Wincon应用软件来控制机器人操作臂。 制关节位置，计算转矩控制器计算必须的参考转矩值，参考转矩值的计算公式如下： ι＝M(q)(q＋Ke`＋Ke＋Kε)＋N(q,q`) （A－1） 在这里ι∈R6是一个矢量，是指关节转矩的参考值；q∈R6也是一个矢量，一般是指关节变量；M(q)是转动惯量矩阵；N(q,q`)代表非线性的术语，例如向心力和震动的影响，以及摩擦和重力（万有引力）的影响；e(t)=qd(t)-q(t)是跟踪误差；qd(t)∈R6是理想的轨迹值；ε∈R6是总的跟踪误差；并且Kp、 Ki和 Kv是微分，积分调节器在各个关节的参数设定值的矩阵真值表。因为公式（１）是一个在时间上连续，即动态参数的公式在应用的初期通常应在数字计算机中利用。 假定这个动态的模型应用的相当恰当和精确，这个设计将对机器人操作臂提供有效的控制，幸运的是这种Puma 560机器人操作臂的动态性正如其所描述的一样，满足这种设计要求。相对的动态性和Denavit-Hatenburg操作臂所应用的参数是基于[4][5]，参考文献中所描述的一样。PID调节器参数的获取可参考文献[4]。 软件部分设计 软件结构的实现是基于在Windows 2000下运行的SIMULINKLAB和SIMULINK软件来实现的。SIMULINK软件使控制算法的快速设计得