重载冗余机械臂运动学力学分析与路径规划

《重载冗余机械臂运动学力学分析与路径规划》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的背景及来源当今世界，化石等能源的严重短缺以及其在使用过程中给环境带来的污染问题是困扰人类社会持续稳定发展的关键问题之一。化石能源和核裂变能源仅是人类几千年文明史中几百年为主的一时间窗口。核聚变能具有资源无限、清洁安全的特点，它是人类最为理想的能源之一，也是目前为止人类了解到的可以从根本上解决人类能源短缺及污染问题的最有效的途径之一。假如能够使可控热核聚变堆长期稳定的有效运行，由1升海水可以提供的能量约等于300多升汽油提供的能量，且不会造成任何污染问题。然而，核聚变装置具有强辐射、高温、强磁场

2、以及高真空等特点，核聚变装置内部部件会受到放射性和有毒物质的污染，即使在装置的维护期间维护人员也不能或不宜直接对相关部件进行维护操作，且其反应堆内的构件复杂、体重型大，所要求的组装、拆卸与维修的定位精度也高，因此，必须采用机器人和遥控操作技术来完成这些作业。国际热核聚变实验反应堆(InternationalThermonuclearExperimentalReactor，简称ITER)，它是目前世界最大的多边国际科技合作项目之一，对人类受控热核聚[1]变研究从理论实验走向大规模实用具有重大意义。2006年，我国正式加入ITER计划，开始展开大量的理

3、论研究和实验。目前，国际上大多采用“托卡马克”途径对等离子体进行磁约束来实现可控热核聚变反应。托克马克装置又被叫做环流器，它是一个由环形且封闭的磁场组成的“磁笼”，就像是一个中空的面包圈，其内部为环境为高温真空，等离子体通过磁场约束在环形腔内。“托卡马克”装置结构如图1-1所示。图1-1托卡马克装置示意图在ITER中所要进行的遥操作维护作业中，除了需要对托卡马克真空室内-1-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文包层、偏滤器两种主体部件要定期维护以外，还有其他各种类型各种频率的操作维护，遍布托卡马克真空室、中子束系统以及热室，因此需要研究一种能够[

4、2,3]适应这种应用需求的遥操作机械臂。多功能维护操作臂系统，综合考虑操作臂系统的工作任务和环境，其主体采用重载机械臂附加灵巧的双操作臂，并配备有多功能维护末端工具。系统及环境如图1-2所示。图1-2多功能维护机械臂遥操作系统及其环境其中重载机械臂作为多功能维护操作臂系统的主要组成部分，它采用冗余自由度串联臂结构，可以避免一般机械臂存在的运动灵活性差、避障能力不足、关节超出限制和动力性能不足等缺陷，从而，能够更好地适应ITER托卡马克装置工作环境。因此，研究一种具有重载能力、运动空间大、运动灵活的重载冗余机械臂有利于实现整个功能维护操作臂的作用，同

5、时对于推进ITER托卡马克装置科学性验证进程具有重要的意义。本课题来源于ITER计划专项课题“多功能大尺度重载维护机械臂遥操作系统关键技术”，课题编号2012GB102004。本文所研究的是系统中的重载冗余机械臂的相关分析。1.2核工业机械臂的研究现状1.2.1国外研究现状40年代末期，美国的阿贡实验室首先研究与开发成功了全世界第一台机械手(MSM)，该机械手为机械式主从方式，有力感，被命名为M1型机械手，进一步发展成了M8型机械手。较为典型的机械式主从机械手，一般由人力操控主机械手，并通过钢丝绳(或钢带)来完成力的传输，从而带动机械手从手的运-2

6、-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文动，该机械式从手具有7个自由度。随着核工业发展的需要，很多国家研制成功了真正意义上的远距离控制的伺服机械手。以SAMSIN型（美国）、MA23一SD型（法国）以及EMSM系列（德国）电随动机械手为主要代表，这类机械手在操作能力上较机械式有了很大的提高，可以突破7个自由度的限制，具有更多的独立自由度。另外，机械手的整体操作灵巧性有了很大的提升。1985年，针对托卡马克真空室内的检测作业，一个国际设计组研发出了TFTR维修操作机械手，将它用于TFTR(美国普林斯顿等离子物理实验室托卡马克核聚变试验堆)和JET(库

7、尔哈姆实验室欧洲联合环装置)的氘—氚燃料(DT)预备性试验运行。从此，揭开了核工业应用遥控机械手搬运放射性材料的新历程。该维修操作机械手可伸达整个TFTR真空室，受工作空间限制，机械手只有一个手臂，该手臂在各个方向都能够伸展到真空环的180°处，同时可以承载125kg垂直负载和50kg侧向负载，且能够在每小时5rein的放射性环境中工作。该机械手的固定臂安装在托架上，它可以直接伸过前室以及环形真空室接口。固定臂前端连有4个铰链杆组成的关节臂，可以收缩折叠后放置于前室。当其在工作中展开时，可以伸达整个TFTR环形真空室。为了增强机械手工作的灵活性，在

8、其最前端装有一对灵巧主从臂，用来完成特定的修理和维修任务。另外，美国橡树岭的国家研究室在核聚变装置的远距离操作设备的应用问