面向EAST第一壁石墨瓦快速更换的遥操作机器人柔顺控制系统研究

摘要

遥操作维护系统是当前磁约束聚变装置必不可少的关键子系统，这是由于托卡马克聚变堆内部存在较强辐射，其维护操作不能直接由人工近距离完成。针对EAST托卡马克装置，由于受巨大而复杂的热负荷、电磁载荷作用，第一壁部件在装置运行过程中会出现裂纹、表面形貌变化、结构破坏等失效形式，轻则影响高质量等离子体的获得，重则会导致等离子体放电根本无法进行或影响装置运行安全。为保证高参数等离子体放电所需的第一壁条件，必须对损伤小部件进行更换与维护。中科院等离子体所科研人员在法国CEA-AIA机械臂的基础上升级改造，设计了满足EAST装置维护需求的EAMA(EAST ArticulatedMaintenance Arm)机械臂，使其不仅能够在放电间隙（高真空10-5Pa，高温80℃）进入真空室内部实现观测任务，更重要的是能够完成对第一壁破损石墨瓦的更换操作。这涉及到石墨瓦固定螺栓拆装过程中的柔顺控制问题，基于这点，本课题在充分调研国内外机器人柔顺控制研究现状基础上，根据EAMA机械臂的结构特点和石墨瓦固定方式，提出了面向EAST第一壁石墨瓦更换的机器人柔顺控制系统，并对其中的末端执行器结构设计、冗余自由度柔性机器人运动控制技术以及视觉和力反馈控制相结合的石墨瓦柔顺拆卸技术等关键技术进行了研究。
　　本课题来源于国际热核聚变实验堆(ITER)计划专项“EAST内部部件实时检测、分析和快速更换关键技术”(No.2014GB101000)，主要研究内容如下:
　　1.充分调研和分析国内外遥操作维护系统关键技术研究现状和最新进展。针对EAST装置遥操作维护系统的功能要求和设计约束条件，提出了基于EAMA机械臂的EAST遥操作机器人系统设计方案。在此基础上，结合EAST第一壁石墨瓦的更换需求，引出了柔顺控制在遥操作维护过程中的重要性。通过进一步调研分析机器人柔顺控制技术的研究现状，同时考虑EAMA机械臂的结构柔性，提出了基于视觉和力反馈的混合柔顺控制系统，并对涉及到的末端执行器结构设计和冗余自由度柔性机器人运动控制技术等关键技术进行了简要介绍。
　　2.在法国CEA-AIA机械臂基础上，研究并设计基于EAMA机械臂的EAST遥操作机器人系统。在结构设计方面，重点研究EAMA机械臂模块化关节结构设计，包括U型夹形式的连接结构、基于索轮机构的偏航驱动、基于平行四边形机构的俯仰驱动以及基于齿轮齿条的Shuttle推进机构等;在控制系统方面，研究虚拟现实仿真技术在EAST遥操作机器入分布式控制系统中的应用;在硬件结构方面，研究基于CAN总线的EAST遥操作机器人硬件系统架构。
　　3.研究面向石墨瓦快速更换的末端执行器设计，重点研究采用偏心轴与波纹管进行旋转动密封的模块化关节和基于绳索结构的两指手爪设计以及具备视觉定位和力反馈功能的末端感知模块设计。考虑到末端感知模块在烘烤过程中的安全防护问题，还研究了一种非接触式主动冷却系统设计，提出了冷却系统控制方案，并采用热分析的方式进行验证，最后结合实验对末端执行器的基本功能进行验证。
　　4.研究与EAST遥操作机器人相关的运动学模型、逆运动学求解方案、EAMA机械臂柔性模型构建以及机械臂关节伺服控制器等在石墨瓦更换柔性控制研究中的运动控制基本问题。重点研究基于等效刚度的机械臂柔性几何模型，并借助实验给出关节等效刚度的计算方法，该几何模型构建用于补偿机械臂关节由于自身重量以及负载造成的末端柔性变形，进而提高虚拟仿真环境中机械臂运动学建模的准确性。另外还重点研究基于三闭环控制器的关节位置伺服控制系统，并通过实验对伺服运动控制系统设计方案进行验证。
　　5.研究基于视觉和力反馈的混合柔顺控制技术，首先给出视觉和力反馈系统中必要的硬件配置，接着研究单目视觉定位中的若干关键技术，包括图像特征提取、摄像机标定、摄像机-机器人标定、位姿估计等理论和技术知识;针对石墨瓦拆卸过程中涉及到的“插轴入孔”这一关键问题，提出了基于动态运动基元理论的力反馈运动控制技术;考虑到视觉定位不可避免的存在一定误差，还提出了基于力反馈的位置不确定性搜索方法。
　　6.搭建以UR5机器人为主体的拆瓦实验平台，通过实验对石墨瓦更换柔顺控制系统进行验证。结果表明该柔顺控制系统具有良好的力反馈控制能力，能够实时根据装配力进行反馈调整，并且可以通过运动学习不断减少插入拆卸时间，而基于不确定性位置搜索策略有效的避免了因为位姿估计等误差的影响，提升了操作的成功性，但在可承受范围内延长了操作的时间。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国际上主要的托卡马克装置遥操作技术研究现状

1．2．2 Tore-Supra装置

1．2．3 ITER装置

1．3 EAST遥操作机器人系统探索

1．4 面向EAST第一壁石墨瓦更换的机器人柔顺控制

1．4．1 机器人柔顺控制综述

1．4．2 面向石墨瓦快速更换的机器人柔顺控制系统关键技术

1．5 论文结构

第二章 EAST遥操作机器人系统组成

2．1 EAST遥操作机器人系统概述

2．2 EAST遥操作机器人结构设计

2．2．1 模块化关节设计指标

2．2．2 模块化关节结构设计

2．2．3 Shuttle结构设计

2．3 EAST遥操作机器人控制系统

2．3．1 虚拟现实仿真系统

2．3．2 控制系统硬件结构

2．4 机器人整体性能优势

2．5 本章小结

第三章 面向石墨瓦快速更换的末端执行器设计

3．1 末端执行器设计要求

3．2 末端执行器总体设计方案

3．2．1 腕关节结构设计

3．2．2 末端感知模块设计

3．2．3 手爪结构设计

3．2．4 遥操作工具设计

3．3 末端执行器冷却系统设计

3．4 末端执行器测试

3．5 本章小结

第四章 EAMA柔顺控制系统中的运动控制技术

4．1 正向运动学

4．1．1 可达空间

4．2 逆运动学

4．2．1 几何法求解

4．2．2 数值法求解

4．2．3 几何法求解逆运动学实验

4．3 EAMA机械臂柔性模型构建

4．3．1 关节柔性模型设计

4．3．2 关节等效刚度计算

4．3．3 关节等效刚度实验

4．3．4 EAMA机械臂柔性模型

4．4 关节伺服控制器设计

4．4．1 直流伺服电机建模

4．4．2 直流伺服三闭环位置控制器设计

4．4．3 单关节伺服控制系统性能分析

4．5 本章小结

第五章 EAMA柔顺控制系统中的视觉和力反馈技术

5．1 引言

5．2 系统配置

5．2．1 视觉系统硬件配置

5．2．2 力反馈系统硬件配置

5．3 基于单目视觉的目标定位技术

5．3．1 摄相机标定

5．3．2 摄相机-机器人标定

5．3．3 目标定位

5．4 位置不确定性搜索

5．5 基于动态运动基元理论的力反馈运动控制

5．5．1 路径示教

5．5．2 DMPs力反馈控制器的设计

5．6 本章小结

第六章 基于视觉和力反馈的石墨瓦拆卸实验研究

6．1．1 拆卸工具及拆卸对象

6．1．2 电磁跟踪仪

6．1．3 UR5机器人

6．2 实验准备

6．2．1 示教拆卸策略

6．2．2 手眼标定

6．3 实验结果

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 今后工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果