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

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)社會的發(fā)展,人類所面臨的能源問題越來越嚴(yán)峻?？煽氐暮司圩兎磻?yīng)作為一種較清潔的能源越來越備受人們關(guān)注,而可控核聚變反應(yīng)實現(xiàn)的重要前提條件之一便是對其核反應(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)工作無法由人類直接進(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),則遙操作過程中,操作人員無法直接地獲

2、取維護(hù)裝置的姿態(tài)信息及其與腔體的相對位置信息,操作困難,效率低下,且最重要的是操作過程中很難避免維護(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反饋信息,對提高核反應(yīng)堆遙操作維護(hù)系統(tǒng)的效率和安全性具有重要意義。
　　本文針對托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂維護(hù)裝置,設(shè)計并實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對托卡馬克腔體進(jìn)行三維重構(gòu)顯示,并通過對柔性內(nèi)窺機(jī)械臂進(jìn)行了運動學(xué)、

3、動力學(xué)和柔性建模,在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了對機(jī)械臂的運動仿真。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù),遙操作人員可以實時地、任意視角地和立體地對機(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),改善體驗性,提高了遙操作系統(tǒng)的效率和安全性。
　　本文的研究內(nèi)容概述如下:
　　1.設(shè)計并實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實技術(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)實際任務(wù)需求設(shè)計了相應(yīng)的遙操作模式。
　　2.在建立機(jī)械臂運動模型后,為了

4、實現(xiàn)對機(jī)械臂的仿真和控制,針對機(jī)械臂大跨度運動時會產(chǎn)生柔性變形的問題,對機(jī)械臂進(jìn)行了柔性動力學(xué)建模。
　　3.針對柔性內(nèi)窺機(jī)械臂遙操作過程中與托卡馬克腔體的不可碰撞性要求,實現(xiàn)了對機(jī)械臂和腔體間最短距離的實時計算和顯示?；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)的沉浸性和體驗性,在人機(jī)交互系統(tǒng)中實現(xiàn)了基于主動快門式立體顯示方法的三維場景立