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.pdf

1、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

2、。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

3、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

4、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，

5、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