面向EAST第一壁石墨瓦快速更換的遙操作機(jī)器人柔順控制系統(tǒng)研究.pdf

1、遙操作維護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)前磁約束聚變裝置必不可少的關(guān)鍵子系統(tǒng)，這是由于托卡馬克聚變堆內(nèi)部存在較強(qiáng)輻射，其維護(hù)操作不能直接由人工近距離完成。針對(duì)EAST托卡馬克裝置，由于受巨大而復(fù)雜的熱負(fù)荷、電磁載荷作用，第一壁部件在裝置運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂紋、表面形貌變化、結(jié)構(gòu)破壞等失效形式，輕則影響高質(zhì)量等離子體的獲得，重則會(huì)導(dǎo)致等離子體放電根本無(wú)法進(jìn)行或影響裝置運(yùn)行安全。為保證高參數(shù)等離子體放電所需的第一壁條件，必須對(duì)損傷小部件進(jìn)行更換與維護(hù)。中科院等離子

2、體所科研人員在法國(guó)CEA-AIA機(jī)械臂的基礎(chǔ)上升級(jí)改造，設(shè)計(jì)了滿足EAST裝置維護(hù)需求的EAMA(EAST ArticulatedMaintenance Arm)機(jī)械臂，使其不僅能夠在放電間隙（高真空10-5Pa，高溫80℃）進(jìn)入真空室內(nèi)部實(shí)現(xiàn)觀測(cè)任務(wù)，更重要的是能夠完成對(duì)第一壁破損石墨瓦的更換操作。這涉及到石墨瓦固定螺栓拆裝過(guò)程中的柔順控制問(wèn)題，基于這點(diǎn)，本課題在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外機(jī)器人柔順控制研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，根據(jù)EAMA機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3、和石墨瓦固定方式，提出了面向EAST第一壁石墨瓦更換的機(jī)器人柔順控制系統(tǒng)，并對(duì)其中的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冗余自由度柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以及視覺(jué)和力反饋控制相結(jié)合的石墨瓦柔順拆卸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　本課題來(lái)源于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)計(jì)劃專項(xiàng)“EAST內(nèi)部部件實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和快速更換關(guān)鍵技術(shù)”(No.2014GB101000)，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.充分調(diào)研和分析國(guó)內(nèi)外遙操作維護(hù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀和

4、最新進(jìn)展。針對(duì)EAST裝置遙操作維護(hù)系統(tǒng)的功能要求和設(shè)計(jì)約束條件，提出了基于EAMA機(jī)械臂的EAST遙操作機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合EAST第一壁石墨瓦的更換需求，引出了柔順控制在遙操作維護(hù)過(guò)程中的重要性。通過(guò)進(jìn)一步調(diào)研分析機(jī)器人柔順控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)考慮EAMA機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)柔性，提出了基于視覺(jué)和力反饋的混合柔順控制系統(tǒng)，并對(duì)涉及到的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和冗余自由度柔性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。
　

5、　2.在法國(guó)CEA-AIA機(jī)械臂基礎(chǔ)上，研究并設(shè)計(jì)基于EAMA機(jī)械臂的EAST遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)研究EAMA機(jī)械臂模塊化關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括U型夾形式的連接結(jié)構(gòu)、基于索輪機(jī)構(gòu)的偏航驅(qū)動(dòng)、基于平行四邊形機(jī)構(gòu)的俯仰驅(qū)動(dòng)以及基于齒輪齒條的Shuttle推進(jìn)機(jī)構(gòu)等;在控制系統(tǒng)方面，研究虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)在EAST遙操作機(jī)器入分布式控制系統(tǒng)中的應(yīng)用;在硬件結(jié)構(gòu)方面，研究基于CAN總線的EAST遙操作機(jī)器人硬件系統(tǒng)架構(gòu)。
　　

6、3.研究面向石墨瓦快速更換的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究采用偏心軸與波紋管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封的模塊化關(guān)節(jié)和基于繩索結(jié)構(gòu)的兩指手爪設(shè)計(jì)以及具備視覺(jué)定位和力反饋功能的末端感知模塊設(shè)計(jì)?？紤]到末端感知模塊在烘烤過(guò)程中的安全防護(hù)問(wèn)題，還研究了一種非接觸式主動(dòng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了冷卻系統(tǒng)控制方案，并采用熱分析的方式進(jìn)行驗(yàn)證，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)對(duì)末端執(zhí)行器的基本功能進(jìn)行驗(yàn)證。
　　4.研究與EAST遙操作機(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方案、EAMA機(jī)

7、械臂柔性模型構(gòu)建以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)伺服控制器等在石墨瓦更換柔性控制研究中的運(yùn)動(dòng)控制基本問(wèn)題。重點(diǎn)研究基于等效剛度的機(jī)械臂柔性幾何模型，并借助實(shí)驗(yàn)給出關(guān)節(jié)等效剛度的計(jì)算方法，該幾何模型構(gòu)建用于補(bǔ)償機(jī)械臂關(guān)節(jié)由于自身重量以及負(fù)載造成的末端柔性變形，進(jìn)而提高虛擬仿真環(huán)境中機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的準(zhǔn)確性。另外還重點(diǎn)研究基于三閉環(huán)控制器的關(guān)節(jié)位置伺服控制系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。
　　5.研究基于視覺(jué)和力反饋的混合柔順控制技

8、術(shù)，首先給出視覺(jué)和力反饋系統(tǒng)中必要的硬件配置，接著研究單目視覺(jué)定位中的若干關(guān)鍵技術(shù)，包括圖像特征提取、攝像機(jī)標(biāo)定、攝像機(jī)-機(jī)器人標(biāo)定、位姿估計(jì)等理論和技術(shù)知識(shí);針對(duì)石墨瓦拆卸過(guò)程中涉及到的“插軸入孔”這一關(guān)鍵問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)基元理論的力反饋運(yùn)動(dòng)控制技術(shù);考慮到視覺(jué)定位不可避免的存在一定誤差，還提出了基于力反饋的位置不確定性搜索方法。
　　6.搭建以UR5機(jī)器人為主體的拆瓦實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)石墨瓦更換柔順控制系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。