托卡马克柔性内窥机械臂刚柔耦合动力学建模与仿真

发布时间：2020-05-17 03:07

【摘要】：托卡马克柔性内窥机械臂是针对托卡马克第一壁检测和维修任务设计开发的具有特殊串联结构的机械臂。为了完成第一壁大范围高精度的检测任务,该机械臂使用轻质的材料建造并具有大跨度、单连杆、自支撑的特点,是典型的柔性细长机械臂。具有类似结构的机械臂在运动时往往会表现出柔性大变形与大范围刚体运动相耦合的特性。柔性变形的存在不仅会影响末端定位的精度,导致机械臂与腔内部件发生碰撞的可能;同时由于用于检测的相机安装于机械臂末端,因柔性引起的振动还会导致末端相机在检测任务过程中无法返回清晰的图像进而影响检测工作的效率。传统的基于运动学或多刚体动力学的建模与控制理论已经无法满足机械臂安全高效运行的实际需求,因此建立机械臂刚柔耦合的动力学模型对机械臂的安全控制具有重要的意义。考虑到刚柔耦合动力学模型需要兼顾精度与计算效率,本文采用绝对节点坐标方法建立了机械臂刚柔耦合的动力学方程。针对托卡马克柔性内窥机械臂特殊的弧形伸缩结构,提出了一种基于绝对节点坐标方法的空心矩形截面曲梁单元。该单元基于Euler-Bernoulli梁假设,避开了梁截面变形带来的复杂的闭锁问题,使用格林应变求得了单元非线性的弹性力,可以应用于大变形、大位移和大转动的系统的动力学建模。然后,基于该单元建立了机械臂刚柔耦合的动力学模型。针对机械臂安全控制的要求,开发了实时的动力学求解程序。基于绝对节点坐标方法的动力学方程采用非增量迭代的方法得到数值解,针对各单元动力学方程在建立时互不相关的特点,采用基于GPU的并行处理算法将总动力学方程求解的周期降低到毫秒级。为了便于验证控制算法的控制效果,基于所建立的动力学求解程序结合现有的遥操作平台中的虚拟仿真模块,构建了完整的动力学虚拟仿真系统。该系统实现了机械臂控制信息的实时获取及运动状态的实时计算与显示。不仅为操作人员提供了直观的视觉反馈信息,提高了遥操作的安全性与可靠性。同时也提供了验证控制算法的各种接口,为机械臂末端位姿的准确控制和抑振工作打下了良好的基础。最后,通过静力学与动力学的仿真和分析,验证了该模型对托卡马克柔性内窥机械臂的适用性和正确性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24

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