PUMA560機(jī)器人的硬件改進(jìn)和計(jì)算轉(zhuǎn)矩的控制外文文獻(xiàn)翻譯

附錄1PUMA560機(jī)器人的硬件改進(jìn)和計(jì)算轉(zhuǎn)矩的控制更新用于教育事業(yè)的工業(yè)控制器英國(guó)Reading大學(xué)的自動(dòng)控制系有一臺(tái)Puma560教學(xué)機(jī)器人，由于原來(lái)的硬件控制部分和人機(jī)界面有所欠缺，因此此文就控制部分的改進(jìn)作了闡述。本論文描述了兩個(gè)自動(dòng)化系的研究生的研究結(jié)果，這個(gè)課題涉及了基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的機(jī)器人操作臂的人機(jī)界面和計(jì)算轉(zhuǎn)矩的控制設(shè)計(jì)。Puma560機(jī)器人是一個(gè)六自由度的機(jī)器人操作臂，由六個(gè)直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)位置由編碼器和電位計(jì)測(cè)定。三個(gè)大功率的電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)腰部關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，而三個(gè)較小功率的電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)腕關(guān)節(jié)位置和方位。Puma560機(jī)器人有一個(gè)寬廣的可達(dá)空間和較大的加速度，加速度大的超出人的想象。Puma560機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷是用于工業(yè)裝配和操作控制，目前大多用于科研院所作為研究的目的來(lái)應(yīng)用?，F(xiàn)在機(jī)器人操作臂本身仍然有高的強(qiáng)度和動(dòng)力，然而原來(lái)的UnimationMarkⅡ控制器已經(jīng)過(guò)時(shí)并且急需替代。隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，出現(xiàn)了能夠運(yùn)行MATLAB/SIMULINK軟件的個(gè)人計(jì)算機(jī)，并且還存在有其它的功能,例如實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備、快速成型、以及用于控制機(jī)器人操作臂的高級(jí)在線測(cè)試?；跈C(jī)器人控制“工具箱”的SIMULINK軟件可以控制Puma560機(jī)器人操作臂，但是它不具備控制計(jì)算轉(zhuǎn)矩的功能，正因?yàn)榇耍疚闹攸c(diǎn)介紹這一技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容。Puma560機(jī)器人的改進(jìn)和接口部分為了利用個(gè)人計(jì)算機(jī)來(lái)控制Puma560機(jī)器人操作臂，我們特意去掉了原來(lái)的LSI/11計(jì)算機(jī)、EEPROM存儲(chǔ)器芯片、CMOS芯片、ad/ac接口、數(shù)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樣，原來(lái)的功率放大器以及電流、轉(zhuǎn)矩控制器在新設(shè)計(jì)的控制結(jié)構(gòu)體系中仍然存在。Puma560機(jī)器人控制部分的硬件結(jié)構(gòu)如圖一所描述。專用的TRC041改進(jìn)卡代替原來(lái)的芯片安裝在MarkⅡ控制器的背面?？刂破魃系腡RC041芯片通過(guò)專用的電纜與Q8數(shù)據(jù)采集器相連接,而Q8數(shù)據(jù)采集器又與個(gè)人計(jì)算機(jī)上的PCI接口相連接。奔騰4,2.4GHz的個(gè)人計(jì)算機(jī)在Windows2000操作系統(tǒng)下運(yùn)行,用于控制機(jī)器人操作臂的精確運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩通過(guò)MarkⅡ控制器來(lái)控制，并且與由個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)Q8數(shù)據(jù)采集器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)字電壓相比較。Q8數(shù)據(jù)采集器從TRC041芯片上接收到編碼器和電位計(jì)上的信號(hào)。電位計(jì)上的信號(hào)用來(lái)校準(zhǔn)和標(biāo)定最近接收到的標(biāo)志信號(hào)，然后校準(zhǔn)編碼器上的讀數(shù)用來(lái)決定關(guān)節(jié)的位置和方位?？刂破髟O(shè)計(jì)利用控制計(jì)算轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作臂的控制，這一項(xiàng)技術(shù)多用于非線形的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制中，用來(lái)去掉操作臂控制的非線形、也方便內(nèi)部控制和定值的獲得。關(guān)節(jié)位置通過(guò)微分積分調(diào)節(jié)器控制計(jì)算轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而來(lái)控個(gè)人計(jì)算機(jī)Windows2000MATLA6.5/Simulink5.0Wincon402PUMA560操作臂改進(jìn)的UNIMATE控制器PCI總線Q8數(shù)據(jù)采集器TRC041網(wǎng)卡設(shè)置圖1硬件結(jié)構(gòu)專用的TRC041改進(jìn)卡安裝在MarkⅡ控制器上，控制器上的TRC041改進(jìn)卡和Q8數(shù)據(jù)采集器通過(guò)專用的電纜線來(lái)連接。奔騰4,2.4GH的個(gè)人計(jì)算機(jī)在Windows2000操作系統(tǒng)下運(yùn)行，同時(shí)應(yīng)用MATLAB/SIMULINK以及Wincon應(yīng)用軟件來(lái)控制機(jī)器人操作臂。制關(guān)節(jié)位置，計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器計(jì)算必須的參考轉(zhuǎn)矩值，參考轉(zhuǎn)矩值的計(jì)算公式如下：ι＝M(q)(q＋Ke`＋Ke＋Kε)＋N(q,q`)（A－1）在這里ι∈R6是一個(gè)矢量，是指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的參考值；q∈R6也是一個(gè)矢量，一般是指關(guān)節(jié)變量；M(q)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣；N(q,q`)代表非線性的術(shù)語(yǔ)，例如向心力和震動(dòng)的影響，以及摩擦和重力（萬(wàn)有引力）的影響；e(t)=qd(t)-q(t)是跟蹤誤差；qd(t)∈R6是理想的軌跡值；ε∈R6是總的跟蹤誤差；并且Kp、Ki和Kv是微分，積分調(diào)節(jié)器在各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)設(shè)定值的矩陣真值表。因?yàn)楣剑ǎ保┦且粋€(gè)在時(shí)間上連續(xù)，即動(dòng)態(tài)參數(shù)的公式在應(yīng)用的初期通常應(yīng)在數(shù)字計(jì)算機(jī)中利用。假定這個(gè)動(dòng)態(tài)的模型應(yīng)用的相當(dāng)恰當(dāng)和精確，這個(gè)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)器人操作臂提供有效的控制，幸運(yùn)的是這種Puma560機(jī)器人操作臂的動(dòng)態(tài)性正如其所描述的一樣，滿足這種設(shè)計(jì)要求。相對(duì)的動(dòng)態(tài)性和Denavit-Hatenburg操作臂所應(yīng)用的參數(shù)是基于[4][5]，參考文獻(xiàn)中所描述的一樣。PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的獲取可參考文獻(xiàn)[4]。軟件部分設(shè)計(jì)軟件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是基于在Windows2000下運(yùn)行的SIMULINKLAB和SIMULINK軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SIMULINK軟件使控制算法的快速設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，并且允許利用C代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)特殊的功能，并稱之為S功能。除此之外，Wincon4.1[6]用來(lái)實(shí)時(shí)執(zhí)行已經(jīng)編譯的C代碼，這些C代碼是來(lái)自于SIMULINK軟件項(xiàng)目下的實(shí)時(shí)監(jiān)控處得來(lái)的，并且通過(guò)它來(lái)與Q8數(shù)據(jù)采集器通信。圖2利用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制并在SIMULINK軟件下實(shí)現(xiàn)控制利用PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制并在SIMULINK軟件下實(shí)現(xiàn)控制。已知當(dāng)前的關(guān)節(jié)位置和過(guò)去的關(guān)節(jié)位置通過(guò)調(diào)節(jié)器計(jì)算當(dāng)前的關(guān)節(jié)速度。飽和反饋用來(lái)防止積分器出錯(cuò)，采樣間隔是1ms。軌跡生成軌跡的生成也即是關(guān)節(jié)的運(yùn)行路線的生成，是通過(guò)MATLAB代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)時(shí)控制器運(yùn)行的時(shí)候通過(guò)關(guān)節(jié)點(diǎn)理想軌跡的離線計(jì)算可以充分利用處理器，提高處理器的利用效率。第五個(gè)命令是用來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)沿著指定的路線運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)角的矩陣變換。這個(gè)矩陣一旦被計(jì)算出來(lái)，這個(gè)變換矩陣就被用來(lái)作為控制器的表格來(lái)實(shí)現(xiàn)理想關(guān)節(jié)角的插值?？刂破鞯膶?shí)現(xiàn)PID計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器利用SIMULINK軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，它的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。由公式（1）給定的計(jì)算轉(zhuǎn)矩的控制準(zhǔn)則有一部分寫成C代碼作為SIMULINK軟件的S功能。專門的SIMULINK軟件模塊與Q8數(shù)據(jù)采集器連接在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法的計(jì)算，并且將計(jì)算轉(zhuǎn)矩的參考值傳送到MarkⅡ控制器。假定這個(gè)動(dòng)態(tài)的模型應(yīng)用的相當(dāng)恰當(dāng)和精確，這個(gè)設(shè)計(jì)將對(duì)機(jī)器人操作臂提供有效的控制，幸運(yùn)的是這種Puma560機(jī)器人操作臂的動(dòng)態(tài)性正如其所描述的一樣，滿足這種設(shè)計(jì)要求。相對(duì)的動(dòng)態(tài)性和Denavit-Hatenburg操作臂所應(yīng)用的參數(shù)是基于[4][5]參考文獻(xiàn)中所描述的一樣。PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的獲取可參考文獻(xiàn)[4]。用戶界面基于MATLAB的用戶使用界面允許使用者通過(guò)改變由軌跡生成器生成的代碼參數(shù)來(lái)詳細(xì)的了解目標(biāo)軌跡和用戶界面。用戶使用界面如圖三所示。這個(gè)機(jī)器人操作的用戶使用界面十分友好，關(guān)節(jié)空間的軌跡可以被儲(chǔ)存，也可以被重新裝載。末端執(zhí)行器在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置和方位可以利用定義在文獻(xiàn)[7]中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)得到。關(guān)節(jié)到達(dá)笛卡爾坐標(biāo)系中某一特定位置和方位的關(guān)節(jié)角由文獻(xiàn)[8]中給定的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)求解。實(shí)驗(yàn)調(diào)試在模擬環(huán)境中完成測(cè)試，并且達(dá)到有效性的要求后，也應(yīng)該調(diào)試一下實(shí)際的機(jī)器人操作臂的應(yīng)用情況。很多測(cè)試指標(biāo)都用來(lái)評(píng)估控制器的性能?？刂破髡{(diào)試的結(jié)果表明此控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有很好的使用性能，對(duì)于不同的軌跡參考值均能達(dá)到小的跟蹤誤差，并且這些誤差在要求的范圍之內(nèi)。為了達(dá)到跟蹤誤差的高性能和高精度，在此設(shè)計(jì)中采用了飛投運(yùn)動(dòng)的原理。飛投指的是漁民投擲魚線到河中的某一位置。這一涉及到飛投的行為存在以下幾種狀態(tài)，向前投擲，向前的運(yùn)動(dòng)，腕部關(guān)節(jié)的抖動(dòng)，以及投擲運(yùn)動(dòng)的完成。PUMA560機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)通過(guò)提供一個(gè)預(yù)先設(shè)定的關(guān)節(jié)軌跡到控制器上，然后大體上來(lái)模仿投擲運(yùn)動(dòng)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)軌跡的控制。參考軌跡包括正弦曲線信號(hào)的合適的相位，量值，以及應(yīng)用在關(guān)節(jié)二、三、五上的頻率。運(yùn)動(dòng)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了由人來(lái)完成的投擲運(yùn)動(dòng)的效果。PUMA560機(jī)器人操作臂實(shí)驗(yàn)的關(guān)節(jié)軌跡的數(shù)值如圖四所示，這個(gè)界面里包括了投擲運(yùn)動(dòng)的三個(gè)循環(huán)周期。實(shí)驗(yàn)用的視頻是AVI格式的，你可以在文獻(xiàn)[10]里下載。圖3應(yīng)用界面該界面顯示了當(dāng)前的關(guān)節(jié)角度和末端執(zhí)行器的笛卡爾坐標(biāo)位置。在關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)編輯器提供有效的關(guān)節(jié)角度，利用其可以設(shè)定理想關(guān)節(jié)角度。它也顯示了末端執(zhí)行器的理想笛卡爾坐標(biāo)位置。該應(yīng)用界面也可以存儲(chǔ)當(dāng)前位置和裝載以前存儲(chǔ)的位置。教學(xué)過(guò)程研究這個(gè)課題的學(xué)生獲得了改進(jìn)工業(yè)機(jī)器人操作臂的能力和接口部分的設(shè)計(jì)。這個(gè)課題包括閱讀和解釋即熟練掌握相關(guān)科技文獻(xiàn)上的相關(guān)知識(shí)，移去UNIMATE控制器上的多余的芯片，根據(jù)使用指南插入改進(jìn)后的芯片選擇和購(gòu)買電纜和終端，以及接口電源，伺服系統(tǒng)，編碼器，以及電位計(jì)和數(shù)據(jù)采集器。學(xué)生也學(xué)習(xí)了計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制的原理，并且將其熟練的應(yīng)用到了PUMA560機(jī)器人操作臂的運(yùn)動(dòng)控制當(dāng)中。運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)還涉及到計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制方程的模型代碼，在這里計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制方程是通過(guò)C語(yǔ)言編制的SIMULINK軟件的S功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的；運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)還包括作為校準(zhǔn)的SIMULINK系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，比例微分積分調(diào)節(jié)器控制，軌跡生成，以及外部信號(hào)接口。機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)發(fā)由于該課題是在2002-2003學(xué)年完成的，機(jī)器人和基于接口技術(shù)的新的個(gè)人計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的開(kāi)發(fā)已經(jīng)由另外的兩個(gè)再讀研究生來(lái)完成，這次歷時(shí)四年。這兩次計(jì)算轉(zhuǎn)矩的控制開(kāi)發(fā)都是用在內(nèi)環(huán)上。這次研究的主要內(nèi)容是：⑴PUMA機(jī)器人操作臂的力控制。這個(gè)內(nèi)容涉及到操作臂的末端執(zhí)行器的六個(gè)力傳感器以及和計(jì)算機(jī)的接口部分的設(shè)計(jì)，也包括在SIMULINK下對(duì)控制器的控制。⑵實(shí)現(xiàn)PUMA機(jī)器人操作臂的隨意控制。這個(gè)內(nèi)容包括利用專用的控制器替換在2002-2003年使用的比例微分積分調(diào)節(jié)器控制的控制。在基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，未來(lái)的研究主題因該是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)控制PUMA機(jī)器人操作臂。一些機(jī)器人控制的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)可以提供給學(xué)生二手的資料，以便了解機(jī)器人控制的相關(guān)知識(shí)，也可以利用它來(lái)評(píng)估不同的控制器設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，包括0重力加速度、計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制、阻抗控制、以及導(dǎo)納控制等。這篇論文描述了PUMA560機(jī)器人操作臂的改進(jìn)，與個(gè)人計(jì)算機(jī)的接口，基于MATLAB軌跡生成和友好的用戶界面的軟件的開(kāi)發(fā)，在SIMULINK下比例微分積分調(diào)節(jié)器控制的實(shí)現(xiàn)。這個(gè)項(xiàng)目是利用先進(jìn)的技術(shù)將在技術(shù)上落后但機(jī)械結(jié)構(gòu)上仍還完善的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)臺(tái)變廢為寶的恰當(dāng)?shù)睦C，能夠使使用者在低成本的基礎(chǔ)上利用基于SIMULINK和MATLAB開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的、柔性的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人操作臂的實(shí)驗(yàn)研究。附錄2HardwareRetrofitandComputedTorqueControlofaPuma560RobotUpdatinganindustrialmanipulatorforeducationaluseTheDepartmentofCyberneticsattheUniversityofReadingU.K.had,foranumberofyears,afunctionalPUMA560manipulatorrobotwithitsoriginalcontrolhardwareandhumaninterfaces.Thisarticledescribestheresultsofathird-yearprojectbytwoundergraduatestudentsintheCyberneticsDepartment.TheprojectconsistedofinterfacingtherobotarmwithaPCanddevelopingsoftwareforthereal-timeimplementationofacomputedtorquecontrolscheme.ThePUMA560isasix-degree-of-freedomroboticmanipulatorthatusessixdcservomotorsforjointcontrol.Jointpositionsaremeasuredusingencodersandpotentiometers.Threelargemotorsprovidecontrolofthewaist,shoulder,andelbow,whilethreesmallermotorspositiontheorientationofthewrist.ThePUMA560hasalargereachandcanachieveimpressiveacceleration.Originallydesignedforassemblyandmanipulationtasks,thePUMAarmisnowwidelyadoptedbyacademicinstitutionsforresearchpurposes.Whiletherobotarmitselfisstillrelativelyrobust,theoriginalUnimationMarkIIcontrollerwasoutdatedandinneedofreplacement.TheuseofaPCrunningMAT-LAB/SIMULINKandassociatedreal-timetoolsfacilitatestheprototyping,development,andon-linetestingofadvancedschemesforcontrollingthemanipulator.ASIMULINK-basedrobotictoolkitforcontrollingthePUMA560manipulator,butwhichexcludesthecomputedtorquecontroltechniqueemployedinthisarticle,isreportedin[1].RetrofittingandInterfacingthePUMA560RobotTocontrolthePUMAarmusingaPC,weremovedtheoriginalLASI/11computer,EEPROMboards,andarminterfacecard.Theoriginalpoweramplifiersandcurrent/torquecontrollersremaininthecontrolarchitecture,asdoesthearmcablecard.ThehardwareconfigurationisillustratedinFigure1.Special-purposeTRC041retrofitcards[2]reinstalledinthebackplaneoftheMarkIIcontroller,replacingtheoriginalboards.Custom-madecablesareusedtointerfacetheTRC041cardsandaQ8dataacquisitionboard[3],whichisconnectedtothePCIinterfaceofthePC.AnIntelPentium4.2.4GHzPCrunningtheWindows2000operatingsystemisusedtocontrolthearm.ServotorquesarecontrolledbytheMarkIIcontroller,withreferencevaluessentasPersonalComputerWindows2000MATLAB6.5/Simulink5.0Wincon402PPUMA560ManipulatorRetrofittedUNIMATEControllerPCIBUSQ8DataAcquisitionBoardTRC041CableCardSetFigure1.Hardwareconfiguration.SpecialTRC041retrofitcardswereinstalledintheMarkIIcontroller.TheTRC041cardsinthecontrollerandaQ8dataacquisitionboardwereinterfacedusingcustom-madecables.AnIntelPentium42.4GHzPCrunningtheWindows2000operatingsystem,togetherwithMATLAB/SLMULINKandWincon,areusedtocontrolthearm.analogvoltagesfromthePCthroughtheQ8board.TheQ8boardreceivesencoderandpotentiometersignalsfromtheTRC041.Readingsfromthepotentiometersareusedtocalibratetheencoderstothenearestindexpurse.Thecalibratedencoderreadingsarethenusedtodeterminethejointpositions.ControllerDesignControlofthearmisperformedusingcomputedtorquecontrol[4].Thistechniqueusesanonlineardynamicmodelofthesystemtoremovethenonlinearitiesofthemanipulator,facilitatingexternalcontrolwithfixedgains.Jointpositionsarecontrolledbymeansofaproportionalintegral-derivative(PID)computedtorquecontroller,whichcalculatesthesixrequiredreferencetorquevaluesbymeansofι＝M(q)(q＋Ke`＋Ke＋Kε)＋N(q,q`)（A－1）Whereι∈R6isavectorofjointtorquereferences;q∈R6isavectorofgeneralizedjointvariables;M(q)istheinertiamatrix;N(q,q`)representsnonlinearterms,includingCoriolis/centripetaleffects,friction,andgravity;e(t)=qd(t)-q(t)isthetrackingerror,qd(t)∈R6isthedesiredtrajectory;ε∈R6istheintegralofthetrackingerror;andKp,KiandKvarediagonalmatriceswiththeproportional,derivative,andintegralgainsforeachjoint,respectively.Since(1)isacontinuous-timeformulation,asufficientlyshortsamplingperiodshouldbeusedinadigitalcomputer-basedimplementation.Providedthedynamicmodelemployedisreasonablyaccurate,thisschemeprovideseffectivecontrolofthearm.Fortunately,thedynamicsofthePUMA560manipulatorarewellknownandreported.TheinversedynamicsandDenavit-Hatenburgarmparametersemployedarebasedonthosereportedin[4][5].ThePIDcontrollergainsemployedarereportedin[4].SoftwareDesignTheimplementedsoftwarearchitectureisbasedonMATLABandSIMULINKrunningunderWindows2000.SIMULINKenablesrapiddesignofcontrolalgorithmsandallowsspecificfunctionstobeimplementedinCcodeasS-functions.Inaddition,WinCon4.[6]isusedforreal-timeexecutionofthecompiledC-codegeneratedbytheRealTimeWorkshopformtheSIMULINKdiagram,andtocommunicatewiththeQ8board.TrajectoryGenerationTrajectorygeneration,whichisperformedinjointspace,wasimplementedinMATLABcode.Theoff-linecalculationofpointsonthedesiredtrajectoryreducestheoverheadontheprocessorwhilethereal-timecontrollerisrunning.Afifth-orderpolynomialisusedtocalculateamatrixofjointanglesalongthespecifiedtrajectory.Oncecalculated,thismatrixisusedasalook-uptabletointerpolatethedesiredjointanglesforthecontroller.Figure2.SIMULIKimplementationofthePIDcomputedtorquecontrolschemeFigure2.SIMULIKimplementationofthePIDcomputedtorquecontrolscheme.Jointvelocitiesarecomputedusingafilteredderivativethecurrentandpastjointpositions.Asaturationfeedbackschemeisusedtopreventintegratorwindup.Thesampleintervalis1ms.ControllerImplementationThePIDcomputedtorquecontrollerwasimplementedinSIMULINKasshowninFigure2.Thecomputedtorquecontrollawgivenby(1)waspartlywritteninCasaSIMULINKS-function.SpecialSIMULINKblocksinterfacewiththeQ8boardtobringmeasurementsintothecontrolalgorithmandtosendtorquereferencestotheMarkIIcontroller.Resultsshowthattheimplementedcontrolschemehasgoodperformance,achievingsmalltrackingerrorsfordifferentreferencetrajectories.GraphicalUserInterfaceAMATLAB-basedgraphical-userinterface(GUI)allowstheusertospecifythedesiredtrajectorybychangingtheparametersusedbythetrajectorygenerationcode.TheGUL,showninFigure3,isdesignedforuser-friendlyoperationoftherobot,enablingjoint-spacetrajectoriestobestoredandreloaded.TheCartesianpositionandorientationoftheendeffectorareobtainedusingtheforwardkinematicequationsdefinedin[7].Thejointanglesrequiredtoreachaspecifiedcartesianpositionandorientationarecalculatedusingtheinversekinematicsgivenin[8].ExperimentsAfterinitialtestingandvalidationoftheimplementedcontrollerinasimulatedenvironment,real-timeexperimentswiththeactualmanipulatorwerecarriedout.Severaltestsweremadetoassesstheperformanceoftheimplementedcontroller.Theresultsshowthattheimplementedcontrolschemehasgoodperformance,achievingsmalltrackingerrorsfordifferentreferencetrajectories.Toillustratethetrackingperformanceoftheimplementedcontrolscheme,ademonstrationwasdesignedbasedontheactionoffly-casting[9].Flycastingisusedbyfishermentocastoffthefishinglinetoapositionintheriver.Theactionsinvolvedinflycastingaretheforwardcast,theforwardmotion,theflickofthewristjoint,andcompletionofthecast.TheCartesianpositionoftheend-effectorisdisplayedtogetherwiththecurrentjointangles.Desiredjointanglesaresetusingeditboxesthatprovidevalidationofthejointanglewithrespecttothearmlimitations.Itisalsopossibletospecifythedesiredcartesianstorepositionsandloadpreviouslysavedpositions.TheflycastingmotionwasapproximatelymodeledusingthePUMAmanipulatorbysupplyingapredefinedjointrajectorytothecontroller.Thereferencetrajectoryconsistsofsinusoidalsignalswithappropriatephase,magnitude,andfrequencyappliedtojoints2,3,and5.Theresultingmotionresemblestheflycastingactionperformedbyahuman.ExperimentaljointtrajectoriesofthePUMAmanipulatorareshowninFigure4,whichincludesthreecycledoftheflycastingmotion.AvideooftheexperimentinAVIformatcanbedownloadedfrom[10].Figure3.Thegraphicaluserinterface.ThePedagogicalProcessThestudentsinvolvedinthisprojectgainedexperienceinretrofittingandinterfacinganindustrialmanipulatorrobot.Thisexperienceincludedreadingandinterpretingtechnicaldocumentation,removingboardfromtheUNIMATEcontroller,insertingtheretrofitboardsaccordingtothemanufacturer’sinstructions,specifyingandpurchasingcablesandterminalsandinterfacingpower-up,servoencoder,andpotentiometersignalswithadataacquisitionboard.Thestudentsalsolearnedthetheoryofcomputedtorquecontrol,andappliedittothePUMA560manipulatorrobot.Theimplementationinvolvedcodingthemodel-basedcomputedtorquecontrolequationsinaSIMULINKS-functionusingtheCprogramminglanguage,aswellasthedesignofaSIMULINKsystemforcalibration,PIDcontrol,trajectorygeneration,andexternalsignalinterfacing.FurtherUseoftheRobotSincethisprojectwascarriedoutduringtheacademicyear2002-2003,therobotanditsnewPC-basedinterfacehavebeenusedfortwoadditionalundergraduateprojects,thistimeatthefourth-yearlevel.Inbothcases,thecomputedtorquecontrolschemedevelopedinthe2002-2003projectwasusedinaninnerloop.Thetopicsoftheseprojectswere:（1）ForcecontrolofthePUMAmanipulatorrobot.Thisprojectinvolvedthecouplingofasix-axisforcesensorwiththeend-effectoro