核聚变堆包层维护作业规划及操作力控制研究

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1、硕士学位论文核聚变堆包层维护作业规划及操作力控制研究RESEARCHONOPERATIONPLANINGANDFORCECONTROLOFBLANKETMAINTANENCEINSIDEFUSIONVACUUMVESSEL郭兰明哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.3学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工学硕士学位论文核聚变堆包层维护作业规划及操作力控制研究硕士研究生：郭兰明导师：朱延河教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.3U.D.C:6

2、81DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONOPERATIONPLANINGANDFORCECONTROLOFBLANKETMAINTANENCEINSIDEFUSIONVACUUMVESSELCandidate：LanmingGuoSupervisor：Prof.YanheZhuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateo

3、fDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要位于热核反应实验堆真空室内壁上的包层材料由400多块独立的包层模块组成，每块质量约为0.5吨，定位精度为±1mm。由于聚变反应导致真空室内的环境极其恶劣，在受限制的空间内包层模块的检测与维修必须通过遥操作执行。针对这一问题而开发的自组装导轨移动机械臂系统主要由轨道搬运机构、轨道运输机构、轨道支撑机构、轨道展开机构、轨道拼接工具、移动操作臂、包层转运机构以及相关的辅助模块组成。该系统通过将分段的轨道单元搬运、运输

4、至真空室内部，展开对接成圆弧轨道，供机械臂沿轨道移动或绕轨道转动完成包层维修工作。本文在详细介绍自组装导轨机械臂系统的基础上，将进一步展开对包层维护系统方案以及移动机械臂作业规划的研究，总结并展示轨道展开过程中的关键技术、轨道单元的对接形式，以及对接流程。根据D-H参数法建立自组装导轨移动机械臂的运动学模型，求解移动操作臂的逆运动学方程。针对移动操作臂包层维护任务的特性，完成移动操作臂运动学分析，研究移动机械臂包层模块抓取阶段的轨迹规划问题，并且根据朗格朗日方程，建立了移动移动操作臂的动力学模型，分析移动操作臂的动力学特性，采用遗传算法对移动机械臂进行轨迹优化处理，设计更合适的轨迹。另外，包

5、层模块的抓取安放过程中，为实现机械臂末端抓手的精确抓取定位，设计出面向包层抓取的机械臂测力方案，构建末端力感知系统。研究基于力传感器的机械臂末端控制定位策略，建立移动机械臂包层抓取阻抗模型，根据末端抓手力感知系统的反馈信息，调整各关节角度，进而调整末端抓手的位置以及姿态，实现包层模块的抓取任务。最后，基于虚拟机器人实验平台搭建自组装导轨移动机械臂的仿真模型，开展轨道对接展开以及移动操作臂包层维护任务的仿真模拟，验证包层维护系统作业规划的可行性。并搭建自组装导轨移动机械臂系统的控制系统，编写上位机以及下位机控制程序，对移动机械臂包层维护过程进行运动控制进行实际的实验验证。关键词：包层维护系统；

6、轨道展开；机械臂作业规划；操作力控制I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTheblanketmountedonthevacuumvessel(VV)ofthenuclearfusiondeviceiscomposedof400modules.Themaintenanceoperationofblanketmoduleishighlyrestrictedbythecomplexconstructionofvacuumvesselandhastobecarriedoutremotelyduetothehighradiationlevel.Theblanketmoduleweighs5

7、00kgandthemostcriticalissueoftheremotehandlingtaskistoremoveorreplacetheheavymodulewithhighpositioningaccuracyof1mm.Towardstheproject,aSelf-AssembleRailBasedVehicleManipulatorhasbeendevelopedbyatelescopeman