適用于核聚變反應(yīng)艙的多關(guān)節(jié)機(jī)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(wèn)題的清潔能源。作為一種可實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，托卡馬克對(duì)于研究核聚變反應(yīng)中實(shí)際發(fā)生的物理現(xiàn)象進(jìn)而掌握實(shí)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(qiáng)輻射、高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)以及高真空的特點(diǎn)，位于其中的零部件在核聚變過(guò)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(cuò)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(hù)期間維護(hù)人員也不宜進(jìn)入反應(yīng)艙內(nèi)部直接對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行操作

2、。因此，亟需研制一種遙操縱機(jī)器人系統(tǒng)，在艙外通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的操控完成對(duì)艙內(nèi)部件的觀測(cè)、檢查、拆卸、裝配、回收、運(yùn)送和修復(fù)等操作任務(wù)。在上述背景下，本文針對(duì)適用于核聚變環(huán)境的遙操縱機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行研究，希望通過(guò)核環(huán)境遙操縱機(jī)器人工程樣機(jī)的研制為研發(fā)高質(zhì)量的遙操縱機(jī)器人系統(tǒng)、加速核聚變能的實(shí)用化進(jìn)程奠定基礎(chǔ)。
　　論文的主要研究工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首先從對(duì)核環(huán)境遙操縱機(jī)器人的嚴(yán)苛要求出發(fā)，對(duì)適用于核環(huán)境的遙操縱機(jī)器人的總體方案進(jìn)

3、行了設(shè)計(jì)，確定機(jī)器人主體采用長(zhǎng)懸臂鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械臂的構(gòu)型進(jìn)行了研究。針對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂末端重力引起的形變問(wèn)題，借助于整體結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的結(jié)果，設(shè)計(jì)了重力補(bǔ)償模塊。針對(duì)抗輻射光纖彎曲半徑大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了專用的光纖收放裝置。
　　然后從多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)任務(wù)的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)多關(guān)節(jié)遙操縱機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，將多關(guān)節(jié)遙操縱機(jī)械臂的工作過(guò)程細(xì)分為進(jìn)出反應(yīng)艙、大尺度觀測(cè)和自由觀測(cè)三個(gè)部分。分別利用D-H方

4、法和改進(jìn)的D-H方法建立了多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的坐標(biāo)系，分析推導(dǎo)了其正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并根據(jù)具體的工作過(guò)程，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了求解。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)值分析方法求解多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間，并利用Matlab對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
　　再次，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究。通過(guò)靜力學(xué)計(jì)算推導(dǎo)出各個(gè)關(guān)節(jié)和連桿的內(nèi)力，繼而得到其靜力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，校核關(guān)鍵部件的靜力學(xué)性能，驗(yàn)證其安全性和可靠性。更進(jìn)一步，

5、運(yùn)用有限元分析方法對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行了靜力學(xué)仿真和振動(dòng)模態(tài)分析，從而為振動(dòng)控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。此外，建立了各機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，并利用拉格朗日方程建立了多關(guān)節(jié)機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。最后，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行了軌跡規(guī)劃研究，通過(guò)Adams虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械臂進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，研究了其在典型作業(yè)路徑下的動(dòng)力學(xué)性能。
　　最后，建立了多關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)械臂分成不同的部分。在綜合考