本文關(guān)鍵詞：適用于核聚變反應(yīng)艙的多關(guān)節(jié)機械臂關(guān)鍵技術(shù)研究

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【摘要】：核聚變能是一種可以根本解決人類能源問題的清潔能源。作為一種可實現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)的實驗裝置,托卡馬克對于研究核聚變反應(yīng)中實際發(fā)生的物理現(xiàn)象進而掌握實用化的核聚變能技術(shù)具有重要意義。然而,核聚變艙內(nèi)部具有強輻射、高溫、強磁場以及高真空的特點,位于其中的零部件在核聚變過程中容易損壞。此外,核聚變艙內(nèi)部設(shè)備眾多,各種管道錯綜復(fù)雜,工作空間狹小,再加上艙內(nèi)部件被污染的可能性較大,即使在設(shè)備維護期間維護人員也不宜進入反應(yīng)艙內(nèi)部直接對相關(guān)部件進行操作。因此,亟需研制一種遙操縱機器人系統(tǒng),在艙外通過對機械臂的操控完成對艙內(nèi)部件的觀測、檢查、拆卸、裝配、回收、運送和修復(fù)等操作任務(wù)。在上述背景下,本文針對適用于核聚變環(huán)境的遙操縱機器人系統(tǒng)進行研究,希望通過核環(huán)境遙操縱機器人工程樣機的研制為研發(fā)高質(zhì)量的遙操縱機器人系統(tǒng)、加速核聚變能的實用化進程奠定基礎(chǔ)。論文的主要研究工作與創(chuàng)新點如下：首先從對核環(huán)境遙操縱機器人的嚴苛要求出發(fā),對適用于核環(huán)境的遙操縱機器人的總體方案進行了設(shè)計,確定機器人主體采用長懸臂鉸鏈式結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,對機械臂的構(gòu)型進行了研究。針對多關(guān)節(jié)機械臂末端重力引起的形變問題,借助于整體結(jié)構(gòu)力學分析的結(jié)果,設(shè)計了重力補償模塊。針對抗輻射光纖彎曲半徑大的問題,設(shè)計了專用的光纖收放裝置。然后從多關(guān)節(jié)機械臂的結(jié)構(gòu)特點和作業(yè)任務(wù)的實際需求出發(fā),對多關(guān)節(jié)遙操縱機械臂的運動學控制問題進行了研究,將多關(guān)節(jié)遙操縱機械臂的工作過程細分為進出反應(yīng)艙、大尺度觀測和自由觀測三個部分。分別利用D-H方法和改進的D-H方法建立了多關(guān)節(jié)機械臂的坐標系,分析推導(dǎo)了其正運動學方程,并根據(jù)具體的工作過程,對多關(guān)節(jié)機械臂的逆運動學問題進行了求解。在此基礎(chǔ)上,運用數(shù)值分析方法求解多關(guān)節(jié)機械臂的運動空間,并利用Matlab對多關(guān)節(jié)機械臂進行了運動學仿真。再次,對多關(guān)節(jié)機械臂的靜力學和動力學問題進行了研究。通過靜力學計算推導(dǎo)出各個關(guān)節(jié)和連桿的內(nèi)力,繼而得到其靜力學模型。在此基礎(chǔ)上,校核關(guān)鍵部件的靜力學性能,驗證其安全性和可靠性。更進一步,運用有限元分析方法對多關(guān)節(jié)機械臂進行了靜力學仿真和振動模態(tài)分析,從而為振動控制和優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。此外,建立了各機械臂的動力學模型,并利用拉格朗日方程建立了多關(guān)節(jié)機械臂系統(tǒng)的動力學模型。最后,對多關(guān)節(jié)機械臂進行了軌跡規(guī)劃研究,通過Adams虛擬樣機技術(shù)對多關(guān)節(jié)機械臂進行了動力學仿真,研究了其在典型作業(yè)路徑下的動力學性能。最后,建立了多關(guān)節(jié)機械臂的柔性模型。首先根據(jù)結(jié)構(gòu)和受力性質(zhì)的不同,將多關(guān)節(jié)機械臂分成不同的部分。在綜合考慮各部分變形的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了系統(tǒng)的柔性模型,提出了基于柔性模型的末端位姿矩陣。仿真實驗結(jié)果表明,所述柔性模型可以有效提高多關(guān)節(jié)機械臂的末端定位精度。為了驗證所開展研究的有效性,實際制作了多關(guān)節(jié)機械臂原理樣機。實驗結(jié)果表明,依據(jù)上述總體方案設(shè)計、制作的多關(guān)節(jié)機械臂原理樣機具備良好的運動學、靜力學和動力學特性,在功能上完全能夠滿足設(shè)計要求。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP241

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