核聚变堆包层维护作业规划及操作力控制研究
目录
摘要 ....................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................... II 第1章绪论 . (1)
1.1 课题来源及研究的背景和意义 (1)
1.1.1 课题来源 (1)
1.1.2 课题研究的背景和意义 (1)
1.2 国内外研究现状和发展趋势 (2)
1.2.1 国内外核工业机器人研究现状 (2)
1.2.2 机械臂轨迹规划简述 (7)
1.2.3 机械臂柔顺控制简述 (7)
1.2.4 国内外文献综述简析 (9)
1.3 本文的主要研究内容 (10)
第2章包层维护系统 (12)
2.1 引言 (12)
2.2 包层维护系统 (12)
2.2.1 轨道展开系统 (13)
2.2.2 移动机械臂系统 (16)
2.2.3 模块回收系统 (19)
2.3 移动机械臂运动学建模 (19)
2.4 移动机械臂动力学建模 (25)
2.5 本章小结 (27)
第3章包层维护系统作业规划研究 (28)
3.1 引言 (28)
3.2 导轨构建规划 (28)
3.2.1 轨道及轨道拼接机构 (28)
3.2.2 轨道展开流程 (30)
3.3 移动机械臂作业规划 (32)
3.3.1 移动机械臂轨迹规划研究 (32)
3.3.2 移动机械臂轨迹优化 (37)
3.4 本章小结 (43)
第4章重载操作机械臂力控制研究 (44)
4.1 引言 (44)
4.2 机械臂操作过程力感知系统设计 (44)
4.2.1 机械臂测力方案确定 (44)
4.2.2 末端抓手传感器结构设计与分析 (46)
4.3 操作臂力柔顺控制研究 (47)
4.3.1 基于力传感器的末端抓取定位策略 (47)
4.3.2 移动机械臂阻抗控制建模与分析 (48)
4.3.3 移动机械臂阻抗控制的仿真 (50)
4.4 本章小结 (53)
第5章包层维护作业仿真与实验 (54)
5.1 引言 (54)
5.2 包层维护系统仿真验证 (54)
5.2.1 轨道展开仿真实验 (54)
5.2.2 移动机械臂作业规划仿真实验 (55)
5.3 包层维护系统控制与实验 (58)
5.3.1 包层维护系统总体控制方案 (58)
5.3.2 包层维护系统软件环境搭建 (58)
5.3.3 实验调试环节 (61)
5.4 本章小结 (64)
结论 (65)
参考文献 (66)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (70)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (71)
致谢 (72)
第 1 章绪论
1.1课题来源及研究的背景和意义
1.1.1课题来源
本课题来源于国家磁约束核聚变能发展研究专项“包层遥操作维护系统关键技术研究”，项目编号No.2012GB102003。
1.1.2课题研究的背景和意义
随着人口数量不断增加，经济与社会快速发展，全球能源消耗持续增长，能源短缺问题日益突出。作为一种新能源，聚变能具有储量丰富、放射性危害小、安全性高等优点，是目前已知的最终解决人类能源问题的重要途径之一。
本课题所针对的核聚变堆包层模块处于托卡马克核聚变装置的真空室内壁上，直接面向等离子区，其主要作用是提供高热载荷屏蔽防护，以及DT核聚变反应中子反应材料。聚变反应堆中氘与氚的聚变反应会产生穿透性很强的中子，在真空室环境中强中子将与真空室内壁材料产生核反应，使材料的物理性能和力学性能逐渐退化失效，最终导致部件或材料丧失使用功能。因此包层第一壁在恶劣的工作条件下容易损坏，需要对包层进行定期维护。第一壁的保护材料对人体有害，辐射剂量超过人体的健康标准、氚的使用需要严格的污染保护措施等问题，使得工作人员不能直接与之接触操作，因此采用机械臂通过遥操作的方式进行操作维护成为包层维护作业的唯一解决方案。
包层模块每片重量达0.5t，要求维护机械臂具有较强的负载能力；包层模块的维护操作需要通过托卡马克窗口通道进行，受限于托卡马克真空室复杂的几何形状，同时，每个包层模块的安装精度在1mm以内，要求机械臂具有非常高的行位控制精度和末端定位精度；包层模块处于真空室内，并具有强辐照环境，要求机械臂对真空、高辐射、高温等环境具有良好的适应性；由于作业空间十分狭窄，要求机械臂具有非常高的灵巧性和运动平稳性。
综合这些因素，需要开发一个能够满足在强辐照环境、复杂工作环境下运动，实现重载、高精度、高可靠性，能够灵活实现包层拆卸、更换、传送的遥操作机械臂系统。从而对于实现包层维护作业，验证托卡马克装置科学性具有重要意义，同时也是我们研究面临亟待解决的关键问题之一。本课题重点解决的问题是包层维护过程中机械臂的轨迹规划及优化、机械臂末端力感知系统的