托卡马克遥操作内窥机械臂结构设计

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1、申请上海交通大学硕士学位论文托卡马克遥操作内窥机械臂结构设计学校：上海交通大学院系：机械与动力工程学院班级：B1202092学号：1120209046硕士生：杜亮工程领域：机械电子工程：导师张伟军（副教授）上海交通大学机械与动力工程学院2014年12月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterTOKAMAKREMOTECONTROLIN-VESSELINSPECTIONMANIPULATORSTRUCTUREDESIGNAuthor:LiangDuSpecialty:M

2、echatronicsEngineeringAdvisor:Prof.WeijunZhangInstituteofMechanicalEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,ChinaDecember,2014上海交通大学硕士学位论文摘要托卡马克遥操作内窥机械臂结构设计摘要托卡马克是一种进行受控核聚实验研究的装置，其内部的环形真空室利用磁约束方法聚集高温等离子体用以进行极端环境下的实验工作。该环形真空室内壁由使用特殊耐受材料制成的砖块全面覆盖而形成与实验用高温等离子体直接接触的第一壁结构。第一壁砖块在实验中会因高能

3、粒子的不断冲击而受到破坏，必须进行定期的表面检测以确保实验安全。本文针对环形托卡马克腔内壁维护工作需求提出了一台十自由度遥操作内窥机械臂的解决方案。柔性内窥机械臂利用自身特殊设计的移动平台、大臂单元、小臂单元以及末端双目视觉单元的四部分结构实现对于环形托卡马克腔内部复杂第一壁的扫描工作。内窥机械臂的设计从环形腔内部大范围覆盖的能力，腔内高温、真空、强辐射工作环境的适应性，以及机械臂从腔外储存空间通过环形腔狭窄操作窗口进入腔内工作的能力等方面出发，此外兼顾扫描工作的效率与可靠性因素。作为套筒式自铺轨道的大臂结构是内窥臂的核心部分，其刚度性能对于机械臂最终的扫描工作进行

4、有重要影响。套筒式结构中面向高温、真空条件下润滑考虑的聚四氟乙烯夹层与大臂刚度表现有直接关系，研究该夹层的设计参数对于提高大臂刚度表的具体影响方向意义重大。最后，通过原始比例的托卡马克环形腔模型对内窥臂的十自由度运动协调以及实际进腔能力进行了验证，从而进一步优化内窥臂设计方案。关键词：托卡马克内窥机械臂刚度I上海交通大学硕士学位论文AbstractTOKAMAKREMOTECONTROLIN-VESSELINSPECTIONMANIPULATORSTRUCTUREDESIGNABSTRACTTokamakistheexperimentdeviceforcontrol

5、lednuclearfusionresearch,inwhichhighenergyplasmaisconstrainedbytoroidalmagneticfieldforheatingtoreactiontemperature.ToroidalvacuumvesselinsideTokamakisformedbythefirstwallmadeupbyspecialmaterialtiles,directlyexposedtohighenergyparticles.Thesefirstwalltilesmaygetdamagedduringhighenergyp

6、lasmaexperiment,thereforeaperiodicalexaminationoffirstwallisnecessarytoensuresafety.ThispaperproposesatenDOFremotecontrolin-vesselinspectionmanipulatorforTokomak’storoidalfirstwallmaintenancework.Theflexiblemanipulatorusesitsspecialfour-partstructureofmovableplatform,spreadingbigarm,in

7、spectionsmallarmandendeffector(binocularvisonmodule)toperformcomplicateinspectionworkoffirstwalltiles.Thedesignofinspectionmanipulatormainlydealswithlargetoroidalspacecoverage,hightemperaturehighvacuumhighradiationinvesselenvironmentadaptation,narrowentranceformanipulator,aswellasins