Peter I. Corke - Pumaservo - The Unimation Puma servo system.rar (Peter I. Corke - Pumaservo - The Unimation Puma servo system)

The Unimation Pumaservo systemMTM-226Peter I. CorkeJuly 1994CSIRO Division of Manufacturing TechnologyLocked bag 9, Preston,AUSTRALIA. 3072pic@mlb.dmt.csiro.auContents1 Introduction1.1 Nomenclature : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :2 Digital control architecture2.1 The Arm Interface Board (AIB) : : : : : : :2.1.1 Commands : : : : : : : : : : : : : : :2.1.2 SELECT7 mode operation : : : : : : :2.1.3 Major data paths : : : : : : : : : : : :2.1.4 The digital servo backplane : : : : : :2.1.5 Analog to digital converter : : : : : :2.1.6 Communications bus timing : : : : : :2.2 Digital Servo Card Operation : : : : : : : : :2.2.1 The hardware : : : : : : : : : : : : : :2.2.2 Interrupts : : : : : : : : : : : : : : : :2.2.3 Control register (CR) : : : : : : : : :2.2.4 Read multiplexer : : : : : : : : : : : :2.2.5 Encoder interface : : : : : : : : : : : :2.2.6 Digital to analog converter : : : : : :2.2.7 AIB data I/O : : : : : : : : : : : : : :2.3 Digital servo board rmware : : : : : : : : : :2.3.1 Position control strategy : : : : : : : :2.3.2 Interrupt front-end : : : : : : : : : : :2.3.3 Host command handling : : : : : : : :2.3.4 Joint status word : : : : : : : : : : : :2.3.5 Timing : : : : : : : : : : : : : : : : :2.3.6 Host synchronization : : : : : : : : : :2.3.7 6503 RAM locations : : : : : : : : : :2.3.8 Discrepancies : : : : : : : : : : : : : :2.3.9 Reassembly of axis processor rmware3 Axis electromechanical dynamics:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::3.1 Friction : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :3.2 Motor : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :3.2.1 Inertia : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :3.2.2 Torque constant : : : : : : : : : : : : : : :3.2.3 Armature impedance : : : : : : : : : : : : :3.3 Current loop : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :3.4 Combined motor and current-loop dynamics : : : :3.4.1 Current and torque limits : : : : : : : : : :3.4.2 Back EMF and amplier voltage saturation2::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::679991111121314151515151616171818181920212122232323252527293030313234343.4.3 MATLAB simulation : : : :3.5 Velocity loop : : : : : : : : : : : :3.6 Position loop : : : : : : : : : : : :3.6.1 Host current control mode :3.6.2 LSB servo mode : : : : : :3.6.3 Servo jitter : : : : : : : : :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::363639414142A The Puma 560 manipulator43B Encoder calibrationC Communications protocol4547D Backplane connector notation51A.1 Kinematic parameters : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 43A.2 Gear ratios : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44A.3 Encoders : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 44C.1 Initialization : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : 503List of Figures1.1 Structure of Unimation Puma Mark I servo system.

: : : : : : : : : : : : : : : :1.2 Controller backplane card layout for Mark I controller : : : : : : : : : : : : : : :2.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.113.13.23.33.43.53.63.73.83.93.103.113.123.133.143.153.163.173.183.19D.1Signals to and from the arm interface board. : : : : : :Host command word format : : : : : : : : : : : : : : : :Major data paths in the AIB. : : : : : : : : : : : : : : :Timing details for vector mode reading. : : : : : : : : :Timing details for vector mode writing.

: : : : : : : : :Timing details of REQA handshake line : : : : : : : : : :Axis processor memory map. : : : : : : : : : : : : : : :Position control algorithm. : : : : : : : : : : : : : : : : :Interrupt and main-line code. : : : : : : : : : : : : : : :Transposed command bits as seen by the axis processorTiming details of axis processor rmware.

: : : : : : : ::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::Typical friction versus speed characteristic. : : : : : : : : : : : :Measured motor current versus joint velocity for joint 2 : : : : :Block diagram of motor mechanical dynamics : : : : : : : : : : :Schematic of motor electrical model. : : : : : : : : : : : : : : : :Block diagram of motor current loop : : : : : : : : : : : : : : : :Measured joint 6 current loop frequency response : : : : : : : : :Measured joint 6 motor and current loop transfer function. : : :Measured maximum current step response for joint 6.

: : : : : :SIMULINK model MOTOR : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :SIMULINK model LMOTOR : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Velocity loop block diagram. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Measured joint 6 velocity loop transfer function : : : : : : : : : :SIMULINK model VLOOP : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Unimation servo position control mode. : : : : : : : : : : : : : :Block diagram of Unimation position control loop.

: : : : : : : :Root-locus diagram of position loop with no integral action. : : :Root-locus diagram of position loop with integral action enabled.SIMULINK model POSLOOP : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Unimation servo current control mode. : : : : : : : : : : : : : : :Board connector labeling details : : : : : : : : : : : : : : : : : :4:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::6710101213141416192020222527282932323335373737383839394141424252List of Tables1.1 Frequently used symbols : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :8::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::Measured friction parameters.

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Motor inertia values : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Measured motor torque constants. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Measured and manufacturer's values of armature resistance. : : : : : : : : : : : :Measured current loop gain and maximum current.

: : : : : : : : : : : : : : : : :Motor torque limits. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Comparison of experimental and estimated velocity limits due to amplier voltagesaturation. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Measured step-response gains of velocity loop. : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Kinematic constants for Puma 560. in degrees, A and D are in mm. : : : : : :Puma 560 gear ratios : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Puma 560 joint encoder resolution.

: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :Letters/numbering convention used for backplane connectors : : : : : : : : : : :111717182223242.12.22.32.42.52.62.73.13.23.33.43.53.63.73.8A.1A.2A.3D.1Details of SELECT7 mode operation.Axis processor commands. : : : : : : :Axis processor control register : : : : :Digital servo board I/O addresses : : :Joint status word. : : : : : : : : : : :Setpoint timing control.

: : : : : : : :Axis processor rmware memory map.5272930313334364043444451Chapter 1IntroductionThis report describes in some detail the servo system of the Unimation Puma robot, a commonlaboratory and industrial robot. The Unimation controller has a classical hierarchical structureas shown in Figure 1.1. The host, in the factory conguration an LSI-11/2 running the VALrobot language, communicates with the Arm Interface Board (AIB) over a bidirectional parallelbus.The AIB in turn communicates with six digital servo boards over a custom wired DECdouble-height backplane, see Figure 1.2. These boards execute commands (such as positionsetpoint setting, reading current encoder values, and miscellaneous parameter setting) as wellas implementing the position control loop. They connect through the backplane to the analogservo boards which implement nested velocity and current control loops.

The older Mark Icontroller uses two boards per axis: one digital and one analog. In newer Mark II controllers,Host computerDRV−11 parallelArm InterfaceBoardcustom backplaneDigital axis servo boardscustom backplaneAnalog axis servo boardsPower amplifiers(linear)Arm cable boardMMMMMMMotorsFigure 1.1: Structure of Unimation Puma Mark I servo system.6VAL host computer39404142434445J1J2J3J4J5J648DLV−11Jquadserial portboard5051525354J1J2J3J4J5J65758Analog servo boardsDigital servo boardsClockterminatorboardUnimateArmInterfaceboardLSI−11/02CPU49Paddle boards,current demandto driversArmcableboardDRV−11paralleli/o boardFigure 1.2: Controller backplane card layout for Mark I controller (viewed from front of backplane).the digital and analog boards have been combined into a single servo board per axis.The AIB connects directly to a DEC DRV-11A parallel port board, which in the factoryconguration is driven by the LSI-11/2.

However any parallel port conforming to the cablingand electrical conventions of the DRV-11A may be connected to the AIB, and this is the basisof many `foreign' controllers in research laboratories that use Unimation Puma robots [13,21].Many details, particularly those relating to the rmware functionality, vary greatly betweenmachines. Details here relate to rmware revision 6, which corresponds with VAL-I revision 12,release circa 1981.Chapter 2 describes the operation of the digital servo boards, including hardware andrmware.