托卡马克腔柔性内窥机械臂轨迹优化研究

发布时间：2020-06-29 11:44

【摘要】：托卡马克腔柔性内窥机械臂是针对我国核聚变反应腔——先进实验超导托卡马克腔所设计的,用于在托卡马克腔内部复杂恶劣的环境下,对腔内进行巡检和维护的十自由度柔性内窥机械臂。本论文主要研究的是内窥机械臂的变形所造成的末端误差,提出了基于误差模型的轨迹优化算法,以及基于图像处理的视觉反馈实时补偿算法,设计完成后在托卡马克腔1:1的模型上对算法进行了实验验证。本论文首先介绍了国内外现有机械臂轨迹规划的现状,随后介绍了托卡马克腔柔性内窥机械臂的硬件结构以及软件控制系统,利用DH参数法对内窥机械臂进行正运动学和逆运动学建模,在不考虑误差的情况下对机械臂的轨迹进行规划,获得理想状态下的运动轨迹。对机械臂的大臂部分进行了变形分析,分析大臂产生变形的原因,建立由此原因所造成的大臂变形导致的机械臂位姿误差的模型,并根据实验验证结果。以此为基础提出了初步的调整方案,减小机械臂末端的位置误差,随后提出了最优化方法,在某一误差下对机械臂末端位姿的优化。然后,提出了视觉反馈控制的优化方法,设计了针对本机械臂的视觉反馈优化控制原理,分析托卡马克腔内部复杂环境对于视觉单元观测到的图像所造成的影响,针对可能会存在的图像处理的问题,提出详细的图像处理算法,建立视觉反馈优化控制器模型。最后,在基于Robotics Toolbox的Matlab平台对算法进行仿真计算,并且在托卡马克腔1:1的模型上设计实验,对论文中所提到的优化算法进行实验验证,得出论文所提出的轨迹优化算法的有效性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP241;TL631.24
【图文】：

超导托卡马克

第一章绪论200 亿美元，是目前世界上意义最为重要、影响最为深远、耗资最为巨大的国际合作项目之一。与此同时，我国目前也已经成功研发了我国自主研发的核聚变反应腔——先进实验超导托卡马克[2]（Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST）, 如图 1-1 所示，托卡马克腔内部是一个环形真空室，其截面如大写字母D，故也称其为 D 形腔。在 D 形腔内最外层贴有特殊工艺制作的耐受砖块，称为第一壁[3，4]。第一壁可以有效隔离在核聚变反应中产生的高温等离子体[5]，然而随着反应的进行，这些高温等离子体会对砖块造成破损，从而导致砖块失效引起后果，因此需要对第一壁进行定期巡检，并且在发现破损砖块的同时进行操作维护。

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图 1-2 柔性内窥机械臂示意图Fig. 1-2 Flexible In-vessel Robot目前，前两点的要求为基本要求，是保证机械臂工作的前提，并且可以通过合理的运动路径和插值函数可以有效达到目的，第三点才是我们需要认真研究的目标。为了方便后期对已破损的第一壁砖块进行维护和更换，末端的位置精度要求较高，需要有非常高的定位精度，但是由于托卡马克腔内部环境较为复杂，且机械臂在多次运行后，难免出现误差，因此需要研究伺服补偿算法对机械臂末端的位姿进行动态调整。综上所述，本课题的研究是柔性内窥机器人完成巡检任务的关键之一，考虑到托卡马克腔特有的结构与特殊的环境，该课题具有极大的研究价值。

【参考文献】