具有体外转心的3DOF末端重载操作器设计与实验研究

摘要

由七个国家合作的ITER项目旨在通过研究核聚变作为解决人类能源短缺的终极手段，我国也是该项目的成员国。在ITER聚变堆建造和维护过程中需要多种机械手，用于第一壁薄层模块装拆的重载机械手是其中的一种。该重型机械手前端装有三自由度操作器，用来实现包层模块的姿态调整。，在国家 ITER专项课题(2012GB102003)和国家自然科学基金项目(51275284)的支持下，本文主要进行了以下研究：
　　1）通过对重载操作器的结构特点进行分析，通过分组可约的构型设计方法，提出了多种构型方案，通过对设计要求进行分析，得到操作器的最优构型，提出了使用弧形导轨实现体外转心的模式。
　　2）通过尺寸约束方法求取弧形导轨的尺寸，为三维模型的建立提供先行条件，并完成了重载操作器的模型设计。
　　3）对重载操作器进行了强度分析和模态分析，确保操作器的结构强度满足使用要求，以及操作器不会工作在共振频率范围之内；对机构的关节速度性能进行了分析，得到速度雅可比矩阵条件数在空间
　　的分布；此外对机构的关节空间力矩特性以及基于电机能力的空间负载特性进行了建模和分析，为后续的路径规划提供依据。
　　4）通过样机实验得到关节在特定运动过程中的力矩变化，和空间力矩特性进行了对比，验证了关节空间力矩特性的正确性。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容和结构

第二章 基于分组可约的末端重载操作器构型设计

2.1 末端重载操作器设计要求

2.2 基于分组的末端重载操作器的构型设计

2.3 末端重载操作器的构型优选

2.4 本章小结

第三章 末端重载操作器机构与结构设计

3.1 末端重载操作器弧形导轨的选型

3.2 末端重载操作器驱动方式分析

3.3 末端重载操作器的三维设计

3.4 本章小结

第四章 末端重载操作器性能分析

4.1 末端重载操作器结构强度分析

4.2 末端重载操作器的模态分析

4.3 末端重载操作器速度分析

4.4 末端重载操作器的空间关节力矩分布特性分析

4.5 基于电机驱动能力的工作空间承载性能图谱分析

4.6 本章小结

第五章 末端重载操作器的样机研制与实验

5.1 末端重载操作器零部件的选型

5.2 末端重载操作器的样机实验环境搭建

5.3 末端重载操作器样机的实验

5.4 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 本文的主要工作和创新点

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的学术成果