面向托卡马克的维护机械臂作业研究

摘要

核聚变能作为一种原料来源丰富、反应后清洁无污染的新能源，被普遍认为是解决当今能源危机的重要出路。为推进核聚变反应堆工程技术的商业化，世界多国联合开展了国际热核聚变实验反应堆计划（ITER）。随着计划的实施，针对磁约束核聚变反应堆（托卡马克）的维护机器人逐渐成为研究热点。本文对具有广泛适应性，能在托卡马克中进行检测、除尘、抓取、零部件拆卸与安装作业的维护机械臂展开研究，主要内容如下：
　　本文首先对维护机械臂进行运动学分析。维护机械臂由双操作臂和大尺度机械臂组成，根据任务需求分析了二者结构的合理性。对双操作臂利用D-H参数法进行运动学建模并求解正运动学，利用反变换法求取逆运动学解析解，通过微分变换法推导双操作臂的雅克比矩阵。对大尺度机械臂进行正运动学分析。之后通过蒙特卡洛法求取双操作臂工作空间以及大尺度机械臂在环境限制条件下的实际工作空间，证明二者均符合指标要求。其次对于双臂协调作业问题，研究了松协调和紧协调作业下双操作臂的约束关系，推导了位姿约束和速度约束。建立了笛卡尔空间下双操作臂协调运动的轨迹规划算法，利用多项式插值保证了关节位速度和加速度的平滑。编写Matlab程序通过双臂协调搬运任务仿真对算法进行测试，结果表明双臂顺利完成任务且轨迹平滑，有效避免了刚柔性冲击，验证了约束关系及轨迹规划算法的正确性。最后在ADAMS中建立了仿真环境，再现了双臂协调运动过程。围绕面向托卡马克作业的维护机械臂远程操控需求，利用Unity3D引擎设计了基于虚拟现实的人机交互系统。从系统总体框架、运行原理，模型组织方式及主要功能模块实现方法等多方面进行了研究，构建了基于虚实双模型的虚拟场景，利用基于层的包围盒方法实现了针对真空室环境的实时碰撞检测，设计了符合项目需求的人机交互界面，最终设计出具有运动仿真、仿真过程复现、场景漫游、主从交互、网络通信等功能的人机交互系统。最后搭建试验平台对人机交互系统分别进行了离线仿真和在线测试，验证了技术方案的可行性。

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英文摘要

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第1章 绪论

1.1课题背景及研究意义

1.2托卡马克维护机械臂研究现状

1.3主要研究内容

第2章 维护机械臂运动学分析

2.1引言

2.2维护机械臂结构分析

2.3双操作臂运动学建模与分析

2.4大尺度机械臂运动学建模与分析

2.5本章小结

第3章 双操作臂协调作业分析与轨迹规划

3.1引言

3.2双操作臂协调作业约束关系分析

3.3双操作臂轨迹规划

3.4双操作臂协调运动仿真

3.5本章小结

第4章 托卡马克维护机械臂人机交互系统设计

4.1引言

4.2维护机械臂人机交互系统总体方案

4.3虚拟场景建模

4.4碰撞检测

4.5人机交互

4.6本章小结

第5章 维护机械臂人机交互系统实验

5.1引言

5.2离线仿真测试

5.3在线测试

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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