托卡馬克內(nèi)窺機械臂人機交互系統(tǒng)設計與軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、托卡馬克裝置是能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應的超導核聚變反應堆,是受控核聚變研究走向實用的關鍵一步,也是實現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。由于受高溫、高真空和強輻射的環(huán)境影響,為保護人員的安全,托卡馬克裝置的維護必須采用機器人作業(yè),但是要實現(xiàn)完全自主的機器人,以目前的技術還無法實現(xiàn),因此研究有人參與的具備一定智能的人機交互系統(tǒng)具有重要的意義,可以幫助人類實現(xiàn)在高溫、高真空、強輻射等極限環(huán)境下的復雜操作。為了能夠實現(xiàn)對托卡馬克腔第一壁的高效檢測,

2、需要為托卡馬克內(nèi)窺機器人設計一套人機交互系統(tǒng),確保在安全完成檢測任務的同時,減少人員的操作負擔,提高工作效率。
　　本文圍繞托卡馬克內(nèi)窺機械臂人機交互系統(tǒng)的設計問題,提出了一套從任務規(guī)劃到仿真,再到任務下發(fā)的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計引入了三維仿真技術與視頻監(jiān)控,實現(xiàn)了對內(nèi)窺機械臂的遠程監(jiān)控。同時,利用虛擬仿真平臺實現(xiàn)了任務預測仿真功能,可以在離線的模式下,實時仿真規(guī)劃的任務,以提前預知規(guī)劃結果,大大提高了系統(tǒng)的安全性,及時發(fā)現(xiàn)異常情況

3、。不僅如此,為了提高工作效率,針對不同的任務目標,提出了多種操控模式。這樣當需要時間上的優(yōu)化和精確運動時,人機交互系統(tǒng)工作在自動模式下,而當需要高層次的人工監(jiān)督或者高水平的示應性時,系統(tǒng)進入手動操控模式。這樣就能大大減輕操作人員的工作壓力。本文的研究內(nèi)容概述如下:
　　1.針對遠程操作任務的多樣性、工作環(huán)境的復雜性及內(nèi)窺機械臂的機械結構,設計了人機交互系統(tǒng)的系統(tǒng)結構,并完成了系統(tǒng)軟件設計。在人機交互系統(tǒng)中,實現(xiàn)了手動控制與自動控制

4、方式,提高了遠程操控的工作效率。
　　2.建立內(nèi)窺機械臂運動學模型,獲得機器人連桿坐標系和D-H參數(shù),推導出內(nèi)窺機械臂的正運動學,并給出了內(nèi)窺機械臂逆運動學的求解方法。
　　3.針對內(nèi)窺機械臂的機械結構與托卡馬克腔的幾何特征,研究內(nèi)窺機械臂在任務空間與關節(jié)空間的連續(xù)軌跡規(guī)劃,為了提高工作效率與減少抖動,提出了一種時間與平滑度最優(yōu)的軌跡規(guī)劃算法。
　　4.基于仿真平臺,完成了內(nèi)窺機械臂進入托卡馬克腔和對托卡馬克腔第一壁的