面向托卡马克腔第一壁维护之遥操作机械臂机构设计及分析

《面向托卡马克腔第一壁维护之遥操作机械臂机构设计及分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、面向托卡马克腔第一壁维护之遥操作机械臂机构设计及分析第一章绪论1.1课题本学位论文课题于科技部国际热核聚变(ITER)计划专项磁约束聚变堆若干相关工程技术研究－MCF装备的智能维护和远程操控技术研究，课题编号2011GB113005。本文所研究的面向托卡马克腔第一壁维护的遥操作机械臂机构设计及分析是该项目的重要组成部分。因托卡马克装置内外表面积和体积较大原因，内壁一般采用分块制造再装配工艺设计方法。以EAST为例，其大小一般为0.25m2(50cm50cm)左右，重达数十公斤。为防止辐射和发生泄漏事故，要求的焊接和装配精度为±2mm或更高

2、[8]。ITER运转起来之后，内壁温度高达120－200°C，热能密度启动时可达5M6内六角螺丝的拧紧；根据不同的作业要求，机械臂末端可以快速方便地更换小型操作工具，如电动螺丝刀、机械手爪等；以上作业均通过主从式遥操作的方式完成，为此操作人员在主操作端要能够得到足够的视觉信息和力觉反馈。由于腔内几何约束复杂，作业任务多样化，依靠自主导航和控制的方法较难实现对托卡马克腔第一壁的远程维护。带有力反馈的主从控制（MASTER－SLAVE）方式目前已广泛应用于核领域各个部门，在微创手术、海底打捞、宇宙空间的航天器部件检修等方面也有很多应用。因为从动臂能

3、够很好的复现主动臂的动作，这种方式与自主控制的方式比较，操作速度更快，作业效率高而且能适应多种作业任务[25]。对于ITER托卡马克这种尚处于实验验证阶段的装置来说，可能运行过程中会出现常规故障之外的意外损伤[26]，那么主从式遥操作的方式能够更好地执行维修任务。第三章遥操作机械臂构型与机构参数设计..........163.1遥操作机械臂机构设计原则..........163.2机械臂构型方案选择..........173.2.1自由度选择与手腕结构形式..........173.2.2手臂结构型式..........183.2.3方案比较和选择..

4、........193.3机械臂工作空间分析与机构参数设计..........213.4本章小结..........39第四章机械臂三维设计与分析..........414.1设计指标..........414.2初步传动方案设计..........414.3各关节传动选型..........434.4关节模块精确设计..........484.5遥操作机械臂定位精度分析..........544.6本章小结..........55第五章机械臂运动学仿真..........565.1运动学仿真的意义..........565.2仿真环境建立......

5、....575.3机械臂进入腔体的运动学仿真..........595.4对第一壁作业的运动学仿真..........605.5本章小结...........62第五章机械臂运动学仿真5.1运动学仿真的意义首先运动学仿真可以直观的验证机构设计的合理性。工作空间和避障能力是本文设计遥操作机械臂机构时参照的两个重要指标，进行机械臂进出腔体的运动学仿真，以及对托卡马克腔第一壁的遥操作作业仿真，借助于仿真平台的碰撞检测等功能[46]，能够快速反映出问题，为结构参数的优化设计提供直观的数据。其次，3D虚拟环境构建本身是面向ITER托卡马克装置远程维护系统的重要环

6、节。在托卡马克腔内，由于第一壁的复杂几何特征，以及托卡马克运行的恶劣条件，能安装在腔内的摄像头数量是很有限的[47][48]，操作员主要依靠安装在遥操作手上的摄像头辅助操作，但是能提供的视觉信息还是远远不足；由于腔内空间狭小，作业复杂，遥操作时会遇到某个部件被另一个部件遮挡住的情况[49]。而虚拟仿真环境中，用户能够任意旋转或者缩放视角，能选择隐藏或显示某个模型，所以建立与实际环境一一对应并且实时更新的仿真平台对于托卡马克腔内的遥操作帮助极大。再者，离线模式的3D仿真平台可以给操作员提供训练机会，以及事先验证机械臂的运动规划，生成可用于实际控制的作业序

7、列[50][51]。对遥操作机械臂的运动学仿真实验，可以为构建整体遥维护系统的虚拟仿真平台打下基础。结论本文围绕面向托卡马克腔第一壁维护的遥操作机械臂机构设计进行讨论。针对托卡马克腔第一壁维护作业的特点，进行了维护机械臂的构型设计、机构参数设计和三维结构设计。本文的主要工作如下：（1）分析了面向托卡马克腔维护的机械臂的研究意义，然后对远程维护系统的实验原理样机的构成和工作原理进行了介绍，指出原理样机的特点，从而提出了基于此实验平台的具体可行的遥操作实验任务和主从式遥操作总体方案。（2）根据托卡马克腔第一壁的几何特征、工作空间，以及具体维护作业任务对于机

8、械臂机构设计的要求，确定了6自由度遥操作机械臂的构型方案，关节配置。（3）采用D-H法建立遥操