托卡馬克內(nèi)窺機(jī)械臂人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃研究.pdf

1、托卡馬克裝置是能產(chǎn)生大規(guī)模核聚變反應(yīng)的超導(dǎo)核聚變反應(yīng)堆,是受控核聚變研究走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵一步,也是實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。由于受高溫、高真空和強(qiáng)輻射的環(huán)境影響,為保護(hù)人員的安全,托卡馬克裝置的維護(hù)必須采用機(jī)器人作業(yè),但是要實(shí)現(xiàn)完全自主的機(jī)器人,以目前的技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn),因此研究有人參與的具備一定智能的人機(jī)交互系統(tǒng)具有重要的意義,可以幫助人類實(shí)現(xiàn)在高溫、高真空、強(qiáng)輻射等極限環(huán)境下的復(fù)雜操作。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)托卡馬克腔第一壁的高效檢測(cè),

2、需要為托卡馬克內(nèi)窺機(jī)器人設(shè)計(jì)一套人機(jī)交互系統(tǒng),確保在安全完成檢測(cè)任務(wù)的同時(shí),減少人員的操作負(fù)擔(dān),提高工作效率。
　　本文圍繞托卡馬克內(nèi)窺機(jī)械臂人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題,提出了一套從任務(wù)規(guī)劃到仿真,再到任務(wù)下發(fā)的完整系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入了三維仿真技術(shù)與視頻監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)窺機(jī)械臂的遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí),利用虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了任務(wù)預(yù)測(cè)仿真功能,可以在離線的模式下,實(shí)時(shí)仿真規(guī)劃的任務(wù),以提前預(yù)知規(guī)劃結(jié)果,大大提高了系統(tǒng)的安全性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況

3、。不僅如此,為了提高工作效率,針對(duì)不同的任務(wù)目標(biāo),提出了多種操控模式。這樣當(dāng)需要時(shí)間上的優(yōu)化和精確運(yùn)動(dòng)時(shí),人機(jī)交互系統(tǒng)工作在自動(dòng)模式下,而當(dāng)需要高層次的人工監(jiān)督或者高水平的示應(yīng)性時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)操控模式。這樣就能大大減輕操作人員的工作壓力。本文的研究內(nèi)容概述如下:
　　1.針對(duì)遠(yuǎn)程操作任務(wù)的多樣性、工作環(huán)境的復(fù)雜性及內(nèi)窺機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了人機(jī)交互系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),并完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。在人機(jī)交互系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制與自動(dòng)控制

4、方式,提高了遠(yuǎn)程操控的工作效率。
　　2.建立內(nèi)窺機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,獲得機(jī)器人連桿坐標(biāo)系和D-H參數(shù),推導(dǎo)出內(nèi)窺機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué),并給出了內(nèi)窺機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解方法。
　　3.針對(duì)內(nèi)窺機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)與托卡馬克腔的幾何特征,研究內(nèi)窺機(jī)械臂在任務(wù)空間與關(guān)節(jié)空間的連續(xù)軌跡規(guī)劃,為了提高工作效率與減少抖動(dòng),提出了一種時(shí)間與平滑度最優(yōu)的軌跡規(guī)劃算法。
　　4.基于仿真平臺(tái),完成了內(nèi)窺機(jī)械臂進(jìn)入托卡馬克腔和對(duì)托卡馬克腔第一壁的