基于虚拟现实技术的托卡马克柔性内窥机械臂遥操作系统研究

摘要

随着现代工业社会的发展,人类所面临的能源问题越来越严峻。可控的核聚变反应作为一种较清洁的能源越来越备受人们关注,而可控核聚变反应实现的重要前提条件之一便是对其核反应堆进行有效的维护。
　　由于核反应堆腔体内部高温高辐射以及高真空的特征,其维护工作无法由人类直接进行,因此遥操作技术在其日常维护中是必不可少的。由于核反应堆腔体的密闭性,且其内部无法任意安装监控相机,因此若用传统的遥操作系统进行维护,则遥操作过程中,操作人员无法直接地获取维护装置的姿态信息及其与腔体的相对位置信息,操作困难,效率低下,且最重要的是操作过程中很难避免维护装置与腔体发生碰撞而造成腔内环境污染和损坏。因此如何提供有效的视觉反馈信息,对提高核反应堆遥操作维护系统的效率和安全性具有重要意义。
　　本文针对托卡马克柔性内窥机械臂维护装置,设计并实现了基于虚拟现实技术的托卡马克柔性内窥机械臂遥操作系统。系统通过利用虚拟现实技术对托卡马克腔体进行三维重构显示,并通过对柔性内窥机械臂进行了运动学、动力学和柔性建模,在虚拟环境中实现了对机械臂的运动仿真。通过虚拟现实技术,遥操作人员可以实时地、任意视角地和立体地对机械臂的位姿状态进行观察,极大地减轻了遥操作人员的操作负担,改善体验性,提高了遥操作系统的效率和安全性。
　　本文的研究内容概述如下:
　　1.设计并实现了基于虚拟现实技术的遥操作系统,该遥操作系统具有在线和离线两种工作状态,并根据实际任务需求设计了相应的遥操作模式。
　　2.在建立机械臂运动模型后,为了实现对机械臂的仿真和控制,针对机械臂大跨度运动时会产生柔性变形的问题,对机械臂进行了柔性动力学建模。
　　3.针对柔性内窥机械臂遥操作过程中与托卡马克腔体的不可碰撞性要求,实现了对机械臂和腔体间最短距离的实时计算和显示。基于明可夫斯基和的概念,分析了两单纯形凸体间的最短距离,并通过迭代可以得出两任意形状凸体间的最短距离。
　　4.为提高人机交互系统的沉浸性和体验性,在人机交互系统中实现了基于主动快门式立体显示方法的三维场景立体显示,并实现了基于三维鼠标的三维场景控制功能。
　　5.根据真实图像信息并结合机械臂的位置反馈信息,通过图形图像叠加技术,实现了将虚拟环境中腔体第一壁信息更新为真实图像信息的功能,便于后期观察检测。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 相关技术特点及研究现状

1.3虚拟现实遥操作系统的关键技术

1.4本文研究内容和组织架构

第二章 基于虚拟现实技术的遥操作系统总体方案设计

2.1系统总体构成

2.2系统控制模式

2.3系统操作方式

2.4系统工作流程

2.5本章小结

第三章 虚拟现实仿真系统构建

3.1几何模型的建模

3.2运动学模型

3.3柔性动力学模型

3.4虚拟仿真环境生成与管理

3.5仿真显示实时性测试

3.6本章小结

第四章 人机交互系统实现

4.1人机交互界面

4.2立体显示

4.3多视角反馈

4.4安全预警功能

4.5第一壁场景复现功能

4.6本章小结

结论与展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士期间参加的科研项目

攻读硕士期间发表的学术论文