面向运动控制器的千兆以太网通信模块的设计与实现

针对传统通信方式无法满足运动控制器对传输速度和实时性要求的问题,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的千兆以太网实现方案。结合UDP/IP协议中数据帧的封装和解析过程,对MAC层、IP层以及UDP层进行一体化设计,开发了一款低成本的千兆以太网通信模块。经仿真和硬件测试,该模块的主频最高可达179.76 MHz,数据帧接收与发送之间的间隔仅为444 ns,且存储器资源使用量不到1%,满足千兆以太网的传输速率及实时性要求。除正常的以太网通信功能外,该模块还实现了数据帧的清除和重发功能以及对通信模块的IP和MAC地址进行动态配置,为实现运动控制器的以太网通信提供了低成本的解决方案。

工业集装箱生产线码垛机器人运动单元轨迹控制

传统的控制方法没有充分考虑工业集装箱生产线码垛机器人运动过程中,连杆间的复杂关系和运动误差积累等因素,导致机器人的轨迹控制中出现冲突,只能以延迟平衡点等待时间的模式完成轨迹控制,缺少对平衡点的灵活调整过程。因此,提出一种工业集装箱生产线机器人轨迹控制方法。采用密码散列函数建立机器人运动的数学模型,计算四个连杆的坐标乘积并设定矩阵,求得各个连杆在标准状态下加速度和位姿,查找当下位姿与目标位姿间的最低误差并转换为条件函数。计算机器人在不同工况下到达目标点的位姿和关节角速度变化,设定一个超限范围并求解在范围内的机器人与平衡点间差值,按照制约关系实现适当调整。采用粒子群优化算法在轨迹范围内查找目标点,将位置与加速度等值实现模态拟合,得到一个最终的控制阈值,按照阈值实现合理控制。实验证明该方法控制精准度高,轨迹角度和距离的控制效果好。

基于PLC的切割机运动轨迹控制系统的设计

在实际应用中,很多切割机不能满足加工精度要求,精度高的切割机又十分紧缺,因此发展高精度的切割机很有必要。另一方面,很多切割机自动化水平不高,尤其是手动操作的切割机在操作时很不方便。故采用可编程终端、PLC、运动控制单元、伺服驱动系统等成熟的控制部件构建切割机运动轨迹控制系统。详细设计此系统的各个模块单元,介绍各个部件之间的数据通信和软件设计步骤,并以一个简单的例子说明了其操作过程。采用此运动系统能使加工工件的质量、机床的自动化程度、可操作性都得到大幅度的提高。

剪板机数控系统设计

详细介绍了一种由运动控制模块、PLC、触摸屏等设备构成的剪板机数控改造设计方案。提出了PLC、运动控制模块、驱动器应用的内、外部操作相结合的混合模式。实践表明采用该改造方案投资少、改造周期短,经改造后的数控剪板机加工精度高、可靠性好。是一种值得推广的简单易行的剪板机数控改造方案。

控制受限航天器无角速度反馈姿态控制

重点研究了控制受限和角速度不可测情况下航天器姿态快速跟踪问题。首先定义了四元数辅助系统,并设计了包含实际误差四元数和观测误差四元数的双曲正切函数的非线性控制律;然后,证明了系统的稳定性以及控制量的有界性;最后通过数字仿真与已有的方法进行比较研究,说明该方法能大大提高卫星姿态跟踪精度和响应速度。

蠕动式机器蛇的研究与开发

通过对自然界中蛇的骨架结构和运动机理进行分析,提出了一种新型的机器蛇执行单元结构,可根据不同的运动模式,实现不同的连接方式,同时采用了模块化的控制系统,实现了结构上的互换。并在此基础上建立了机器蛇的运动学模型,规划了机器蛇的蠕动步态,实现了机器蛇向前向后的蠕动运动,并且通过试验证明其机械结构和运动模型的可行性。

直线电机抽油机研制

研制成功了直线电机抽油机。原有的抽油机是将电能转变为旋转运动,再通过机械方式转变为直线往复运动,机械效率低。直线电机抽油机是通过变频控制,直接将电能转变为直线往复运动,不但提高了机械效率,而且能够实现抽汲参数的无级调整,可根据抽油工艺的需要调整悬点运动规律,具备智能化控制和远程监控的有利条件。

激光珩磨专用机床的运动控制研究

以发动机气缸/活塞环摩擦副为具体研究对象,研制了一种新型激光珩磨设备。由于发动机汽缸套载重大,且形状不规则,故设备采用激光头既旋转又直线运动的运动方案。该设备在移动轴和转轴中分别安装有高精度光栅尺和高精度增量旋转编码器以提高运动控制系统的精度。为了使微凹腔沿圆周均匀分布,采用了小数分频原理,能够实现任意小数分频。通过对运动控制卡与自制的调Q控制卡的软件编程,实现了运动控制系统与激光系统的协同控制,用以在气缸表面加工出特定的微观形貌。加工方法采用的是"单脉冲同点间隔多次"的激光微加工新方法。利用该方法能够方便地加工出微观或宏观的形貌且能显著地减少激光加工所带来的负面热效应。

基于51单片机小球控制系统的设计与实现

针对全国电子设计竞赛(J)题通过控制摆杆的高低来实现小球滚动,并根据摆杆与水平平面的夹角和小球在槽内的位置来控制小球在光滑的U型槽内完成各种要求的往复运动的要求。本设计以STC89C52单片机为主控核心,结合角度传感器、光电对管、直流减速电机、LED、蜂鸣器及LCM1602液晶屏构成一套完整的小球滚动控制系统。通过LCM1602液晶屏显示往复运动、位置、周期、偏差4组数据的时间及角度,通过16个LED实时显示小球的运行轨迹,通过实验表明该系统符合设计要求。

基于脑电和惯性同步分析的神经动力学耦合研究

运动控制是神经、运动和感觉功能的多方面协调及信息交互作用过程,探究运动系统中运动⁃生理信息间的关联关系对于理解人体运动控制机制具有重要意义。为此,本文通过对脑电信号(Electroencephalogram,EEG)和惯性信息中的加速度信号(Acceleration,ACC)进行相干分析,探究上肢静息态和任务态时EEG和ACC信号间的因果关系及演变规律。首先,通过对7名受试者的EEG和ACC信号进行预处理,去除信号中的干扰成分;进一步,分别计算在静息态、任务态(动态力、静态力)下的EEG和ACC信号间的相干性结果,并通过显著相干的阈值指标来计算显著性面积进而实现量化分析。结果显示,在动态力下的EEG⁃ACC相干显著性面积大于静态力下的值,静态力下的显著性面积大于静息态下的值;且分别在左、右侧上肢运动时,EEG的C3、C4通道与ACC间的显著性面积也呈现出在对侧运动脑区显著。研究结果表明,EEG和ACC信号间的同步特征在上肢运动的静息态、任务态(动态力、静态力)下有显著特征,这有助于深入理解神经⁃运动控制机制,为运动功能评估提供新的定量指标,进而为运动功能障碍疾病的早期诊断提供理论依据。

自由飞行空间机器人电联试实验平台的研制

为检验自由飞行空间机器人（FFSR）系统各个部件电接口传递信息的正确性及系统在轨执行任务的能力,采用数值模拟方法,通过软硬件结合的方式建立了FFSR电联试实验平台。该平台主要由主控计算机、主机系统、虚拟关节、虚拟视觉等4个功能模块组成。在此平台基础上建立了基于视觉反馈的机械臂运动控制算法和电机三环控制模型。该平台可用于对实际FFSR系统的数值仿真。对电联试实验平台的测试结果表明,该平台能够很好地完成对实际机器人系统通讯能力的模拟测试及系统控制算法的仿真验证。

基于运动分解的嘴部肌肉建模仿真

现有虚拟嘴部肌肉建模多采用传统的Water肌肉分类方法,运动控制较为独立,缺乏对运动间相关性的研究。提出了一种基于运动分解的嘴部肌肉建模及控制方法。首先根据解剖结构及肌肉运动特征,将嘴部自身运动分解为凸唇、翘唇和开合三个基本运动单元;其次现有模型中括约肌运动方式是向中心收缩或扩散,难以表现凸翘等嘴部运动,为此提出了弧状肌模型,并通过控制三个运动参数,结合其它嘴周围肌组合出不同的嘴部运动。实验表明,新方法能够较真实地仿真出嘴部的多种自然运动,控制较为便捷。

基于运动控制器的全闭环控制系统

利用运动控制器作为上位控制单元,采用交流伺服驱动器和伺服电机作为执行机构,采用光栅尺作为直线位移检测装置,设计出一种新型的全闭环运动控制系统,实现对伺服电机高速、高精度的控制。介绍了控制系统的组成及硬件原理,给出了控制系统软件设计的结构。这种系统既具有实时性和快速性,又方便实用。

基于PLC的纸尿裤包装袋封口控制系统设计

为解决纸尿裤包装袋封口环节人工操作效率不高且劳动强度大的弊端,在分析工艺流程的基础上,搭建以FX5U PLC、运动控制器、伺服驱动单元以及人机界面等关键器件为核心的系统硬件,利用GX Works 3软件编写控制程序,利用EasyBuilder Pro V 6.02软件组态人机界面,设计了一款纸尿裤包装袋封口控制系统,实现了纸尿裤包装袋全自动封口以及人机界面对生产过程的实时监控,提高了生产效率和智能化程度。

压电陶瓷微位移器的动态特性的改善

介绍一种基于数字ＰＩＤ方法，研制出微机控制系统，实现了压电陶瓷微位移器动态性能的改善，并将其用于精密微动平台，实现平台精密快速进给。

飞行模拟器运动平台控制算法研究与分析

首先阐明飞行模拟器的工作原理,根据系统计算机给出的3个轴向过载和3个角加速度,建立模型计算得到模拟座舱的位置坐标和姿态角信息,然后对系统进行分析,设计洗出环节,建立矢量算法数学模型,解算出液压作动筒的变化长度,通过伺服系统驱动和控制飞行模拟器的运动。由于模拟座舱不可能达到真实飞机的过载,引入限幅环节以保证飞行器在机动时的过载感觉。模型设计和算法设计已经通过测试,并且在实际应用中得到验证,可以满足系统需求,具有良好的控制效果。

一种新型变曲率柔性关节微创手术机械手设计

针对狭窄工作空间,微创手术机器人受限于机械手末端执行器灵活度不足,导致医生无法有效进行手术操作的问题。本论文提出一种新型变曲率柔性关节微创手术机械手,通过刚柔体同轴嵌联结构,控制外层柔性关节机加工弹簧和内层刚性基杆的耦合长度,实现机械手前端连续变曲率万向弯曲运动。论文阐述了机械手柔性关节设计、动力传递实现方法及使用ANSYS软件完成重要部件仿真分析;构建运动控制模型,并利用MATLAB软件得到末端执行器的工作空间;实验验证微创手术机械手柔性关节变曲率弯曲运动。结果表明狭窄空间下,微创手术机械手实现了连续、有规律的变曲率万向弯曲运动。

热板坯喷印机二维写字机构控制系统

为实现热板坯标识过程的自动化,采用"PC+运动控制板卡+位置伺服系统"设计了热板坯喷印机二维写字机构的控制系统,介绍了系统的硬件结构、实现原理及控制流程。实际应用结果表明,该控制系统的设计是可行的,二维写字机构在生产中运行稳定、可靠,并有效地提高了热板坯喷印机的喷印效果。

双惯性测量单元系统下四轮滑动转向机器人运动控制研究

四轮滑动转向机器人因其运动中存在滑动误差,导致机器人运动轨迹控制困难,而且在不同的地面条件下滑动转向的动力学参数不一样,导致滑动误差的不同,更增加了机器人转向的速度量、角速度量的预测和控制难度。通过使用两个惯性测量单元(IMU)建立四轮滑动转向机器人的速度、角速度计算模型,针对机器人运动中的差动命令对四轮机器人实施闭环控制,动态调整四轮轮速从而使得机器人运行更加精确平稳。实验结果表明使用轮速动态调整策略后机器人轨迹误差更小,轨迹更精确。

运输工况模拟器的控制系统仿真及设计

研制了用于模拟运输工况的运动模拟平台的控制系统。充分利用Adams强大的动力学计算能力及Matlab／Simulink方便的建模环境，进行了联合控制仿真。简要介绍了基于EtherCAT超高速工业以太网的控制系统特点，并选择带有EtherCAT接口的德国倍福公司的自动化产品搭建实际控制系统，设计了其软件系统。