基于EtherCAT总线的托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统设计

发布时间：2021-11-24 13:17

　　托卡马克装置是能产生大规模核聚变反应的反应堆,是受控核聚变研究走向实用的关键一步,也是实现能源可持续发展的重要手段之一。而第一壁是托卡马克装置中的重要部件。由于托卡马克装置的高温、高辐射,人工完成对第一壁的观测往往存在危险性。本课题的研究内容是托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统的设计,使用机器人技术来替代人进行工作。本文首先介绍了托卡马克机器人国内外的研究现状。根据内窥机械臂的任务要求设计了相应的控制系统方案,根据交互性和实时性的要求采用了Modbus/TCP和EtherCAT两层通信。其中,Modbus/TCP用于上位机和下位机的通信,EtherCAT则用于下位机和驱动器间的通信。其次,本文对内窥机械臂做了简单介绍,建立了相应的运动学模型,获得机械臂D-H参数,完成了正逆运动学方程的求解,并推导了关节空间与驱动空间的转换关系。针对第一壁的观测任务,实现了在任务空间与关节空间的连续轨迹规划,并提出了基于第一壁变换率的轨迹优化算法。最后,为了完成机械臂单次作业流程及对第一壁的高效率的观测,本文设计了机械臂的多种工作模式,完成了上下位机程序的编写,并通过实验对程序及扫描任务进行了测试。实验结... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：104 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 课题研究背景及意义
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 AIA远程维护系统
        1.3.2 JET远程维护系统
        1.3.3 BTP远程维护系统
    1.4 本文的研究内容及结构安排
第二章 机械臂控制系统的方案设计
    2.1 任务分析
    2.2 控制系统方案简介
    2.3 控制系统硬件组成
        2.3.1 伺服驱动器
        2.3.2 下位机
        2.3.3 上位机
        2.3.4 相机
第三章 运动学建模及计算
    3.1 内窥机械臂介绍
    3.2 机械臂的动力学模型
        3.2.1 小臂的运动学建模
        3.2.2 大臂的运动学建模
    3.3 关节空间与驱动空间的转化
        3.3.1 小臂四关节
        3.3.2 大臂三关节
        3.3.3 底座三关节
第四章 托卡马克腔的轨迹规划
    4.1 轨迹规划方法介绍
        4.1.1 任务空间轨迹规划方法
        4.1.2 关节空间轨迹规划方法
    4.2 托卡马克腔的轨迹规划
        4.2.1 任务描述
        4.2.2 轨迹规划
        4.2.3 轨迹优化
    4.3 基于PVT模式的Spline插值
        4.3.1 PVT位置控制模式
        4.3.2 基于PVT模式的Spline插值
        4.3.3 仿真
第五章 软件系统设计
    5.1 控制系统功能设计
    5.2 上位机软件系统设计
        5.2.1 上位机编程环境
        5.2.2 人机交互界面
        5.2.3 程序实现
    5.3 下位机软件系统设计
        5.3.1 下位机编程环境
        5.3.2 下位机配置
        5.3.3 程序实现
    5.4 上下位机通讯
        5.4.1 主站/从站模式
        5.4.2 MODBUS/TCP主站
        5.4.3 MODBUS寄存器功能定义
第六章 仿真与实验
    6.1 仿真
        6.1.1 Sim Mechanics介绍
        6.1.2 Sim Mechanics运动学建模
    6.2 实验
第七章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文



本文编号：3516055