【摘要】：托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂是針對托卡馬克第一壁檢測和維修任務(wù)設(shè)計開發(fā)的具有特殊串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂。為了完成第一壁大范圍高精度的檢測任務(wù),該機(jī)械臂使用輕質(zhì)的材料建造并具有大跨度、單連桿、自支撐的特點,是典型的柔性細(xì)長機(jī)械臂。具有類似結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂在運動時往往會表現(xiàn)出柔性大變形與大范圍剛體運動相耦合的特性。柔性變形的存在不僅會影響末端定位的精度,導(dǎo)致機(jī)械臂與腔內(nèi)部件發(fā)生碰撞的可能;同時由于用于檢測的相機(jī)安裝于機(jī)械臂末端,因柔性引起的振動還會導(dǎo)致末端相機(jī)在檢測任務(wù)過程中無法返回清晰的圖像進(jìn)而影響檢測工作的效率。傳統(tǒng)的基于運動學(xué)或多剛體動力學(xué)的建模與控制理論已經(jīng)無法滿足機(jī)械臂安全高效運行的實際需求,因此建立機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭恿W(xué)模型對機(jī)械臂的安全控制具有重要的意義。考慮到剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型需要兼顧精度與計算效率,本文采用絕對節(jié)點坐標(biāo)方法建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭恿W(xué)方程。針對托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂特殊的弧形伸縮結(jié)構(gòu),提出了一種基于絕對節(jié)點坐標(biāo)方法的空心矩形截面曲梁單元。該單元基于Euler-Bernoulli梁假設(shè),避開了梁截面變形帶來的復(fù)雜的閉鎖問題,使用格林應(yīng)變求得了單元非線性的彈性力,可以應(yīng)用于大變形、大位移和大轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)的動力學(xué)建模。然后,基于該單元建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭恿W(xué)模型。針對機(jī)械臂安全控制的要求,開發(fā)了實時的動力學(xué)求解程序。基于絕對節(jié)點坐標(biāo)方法的動力學(xué)方程采用非增量迭代的方法得到數(shù)值解,針對各單元動力學(xué)方程在建立時互不相關(guān)的特點,采用基于GPU的并行處理算法將總動力學(xué)方程求解的周期降低到毫秒級。為了便于驗證控制算法的控制效果,基于所建立的動力學(xué)求解程序結(jié)合現(xiàn)有的遙操作平臺中的虛擬仿真模塊,構(gòu)建了完整的動力學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了機(jī)械臂控制信息的實時獲取及運動狀態(tài)的實時計算與顯示。不僅為操作人員提供了直觀的視覺反饋信息,提高了遙操作的安全性與可靠性。同時也提供了驗證控制算法的各種接口,為機(jī)械臂末端位姿的準(zhǔn)確控制和抑振工作打下了良好的基礎(chǔ)。最后,通過靜力學(xué)與動力學(xué)的仿真和分析,驗證了該模型對托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的適用性和正確性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TL631.24

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本文編號：2667825