【摘要】：托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂是針對(duì)托卡馬克第一壁檢測(cè)和維修任務(wù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的具有特殊串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂。為了完成第一壁大范圍高精度的檢測(cè)任務(wù),該機(jī)械臂使用輕質(zhì)的材料建造并具有大跨度、單連桿、自支撐的特點(diǎn),是典型的柔性細(xì)長(zhǎng)機(jī)械臂。具有類似結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)往往會(huì)表現(xiàn)出柔性大變形與大范圍剛體運(yùn)動(dòng)相耦合的特性。柔性變形的存在不僅會(huì)影響末端定位的精度,導(dǎo)致機(jī)械臂與腔內(nèi)部件發(fā)生碰撞的可能;同時(shí)由于用于檢測(cè)的相機(jī)安裝于機(jī)械臂末端,因柔性引起的振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致末端相機(jī)在檢測(cè)任務(wù)過(guò)程中無(wú)法返回清晰的圖像進(jìn)而影響檢測(cè)工作的效率。傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)或多剛體動(dòng)力學(xué)的建模與控制理論已經(jīng)無(wú)法滿足機(jī)械臂安全高效運(yùn)行的實(shí)際需求,因此建立機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)械臂的安全控制具有重要的意義�？紤]到剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型需要兼顧精度與計(jì)算效率,本文采用絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)方程。針對(duì)托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂特殊的弧形伸縮結(jié)構(gòu),提出了一種基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法的空心矩形截面曲梁?jiǎn)卧�。該單元基于Euler-Bernoulli梁假設(shè),避開(kāi)了梁截面變形帶來(lái)的復(fù)雜的閉鎖問(wèn)題,使用格林應(yīng)變求得了單元非線性的彈性力,可以應(yīng)用于大變形、大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模。然后,基于該單元建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型。針對(duì)機(jī)械臂安全控制的要求,開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)的動(dòng)力學(xué)求解程序。基于絕對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法的動(dòng)力學(xué)方程采用非增量迭代的方法得到數(shù)值解,針對(duì)各單元?jiǎng)恿W(xué)方程在建立時(shí)互不相關(guān)的特點(diǎn),采用基于GPU的并行處理算法將總動(dòng)力學(xué)方程求解的周期降低到毫秒級(jí)。為了便于驗(yàn)證控制算法的控制效果,基于所建立的動(dòng)力學(xué)求解程序結(jié)合現(xiàn)有的遙操作平臺(tái)中的虛擬仿真模塊,構(gòu)建了完整的動(dòng)力學(xué)虛擬仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂控制信息的實(shí)時(shí)獲取及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算與顯示。不僅為操作人員提供了直觀的視覺(jué)反饋信息,提高了遙操作的安全性與可靠性。同時(shí)也提供了驗(yàn)證控制算法的各種接口,為機(jī)械臂末端位姿的準(zhǔn)確控制和抑振工作打下了良好的基礎(chǔ)。最后,通過(guò)靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)的仿真和分析,驗(yàn)證了該模型對(duì)托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂的適用性和正確性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL631.24

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