基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的托卡馬克柔性?xún)?nèi)窺機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的發(fā)展,人類(lèi)所面臨的能源問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻。可控的核聚變反應(yīng)作為一種較清潔的能源越來(lái)越備受人們關(guān)注,而可控核聚變反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的重要前提條件之一便是對(duì)其核反應(yīng)堆進(jìn)行有效的維護(hù)。
　　由于核反應(yīng)堆腔體內(nèi)部高溫高輻射以及高真空的特征,其維護(hù)工作無(wú)法由人類(lèi)直接進(jìn)行,因此遙操作技術(shù)在其日常維護(hù)中是必不可少的。由于核反應(yīng)堆腔體的密閉性,且其內(nèi)部無(wú)法任意安裝監(jiān)控相機(jī),因此若用傳統(tǒng)的遙操作系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù),則遙操作過(guò)程中,操作人員無(wú)法直接地獲

2、取維護(hù)裝置的姿態(tài)信息及其與腔體的相對(duì)位置信息,操作困難,效率低下,且最重要的是操作過(guò)程中很難避免維護(hù)裝置與腔體發(fā)生碰撞而造成腔內(nèi)環(huán)境污染和損壞。因此如何提供有效的視覺(jué)反饋信息,對(duì)提高核反應(yīng)堆遙操作維護(hù)系統(tǒng)的效率和安全性具有重要意義。
　　本文針對(duì)托卡馬克柔性?xún)?nèi)窺機(jī)械臂維護(hù)裝置,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的托卡馬克柔性?xún)?nèi)窺機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)托卡馬克腔體進(jìn)行三維重構(gòu)顯示,并通過(guò)對(duì)柔性?xún)?nèi)窺機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、

3、動(dòng)力學(xué)和柔性建模,在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),遙操作人員可以實(shí)時(shí)地、任意視角地和立體地對(duì)機(jī)械臂的位姿狀態(tài)進(jìn)行觀察,極大地減輕了遙操作人員的操作負(fù)擔(dān),改善體驗(yàn)性,提高了遙操作系統(tǒng)的效率和安全性。
　　本文的研究?jī)?nèi)容概述如下:
　　1.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的遙操作系統(tǒng),該遙操作系統(tǒng)具有在線和離線兩種工作狀態(tài),并根據(jù)實(shí)際任務(wù)需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的遙操作模式。
　　2.在建立機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模型后,為了

4、實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的仿真和控制,針對(duì)機(jī)械臂大跨度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生柔性變形的問(wèn)題,對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了柔性動(dòng)力學(xué)建模。
　　3.針對(duì)柔性?xún)?nèi)窺機(jī)械臂遙操作過(guò)程中與托卡馬克腔體的不可碰撞性要求,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂和腔體間最短距離的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示?；诿骺煞蛩够偷母拍?分析了兩單純形凸體間的最短距離,并通過(guò)迭代可以得出兩任意形狀凸體間的最短距離。
　　4.為提高人機(jī)交互系統(tǒng)的沉浸性和體驗(yàn)性,在人機(jī)交互系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了基于主動(dòng)快門(mén)式立體顯示方法的三維場(chǎng)景立