面向EAST第一壁石墨瓦快速更換的遙操作機器人柔順控制系統(tǒng)研究.pdf

1、遙操作維護系統(tǒng)是當前磁約束聚變裝置必不可少的關鍵子系統(tǒng)，這是由于托卡馬克聚變堆內部存在較強輻射，其維護操作不能直接由人工近距離完成。針對EAST托卡馬克裝置，由于受巨大而復雜的熱負荷、電磁載荷作用，第一壁部件在裝置運行過程中會出現裂紋、表面形貌變化、結構破壞等失效形式，輕則影響高質量等離子體的獲得，重則會導致等離子體放電根本無法進行或影響裝置運行安全。為保證高參數等離子體放電所需的第一壁條件，必須對損傷小部件進行更換與維護。中科院等離子

2、體所科研人員在法國CEA-AIA機械臂的基礎上升級改造，設計了滿足EAST裝置維護需求的EAMA(EAST ArticulatedMaintenance Arm)機械臂，使其不僅能夠在放電間隙（高真空10-5Pa，高溫80℃）進入真空室內部實現觀測任務，更重要的是能夠完成對第一壁破損石墨瓦的更換操作。這涉及到石墨瓦固定螺栓拆裝過程中的柔順控制問題，基于這點，本課題在充分調研國內外機器人柔順控制研究現狀基礎上，根據EAMA機械臂的結構特點

3、和石墨瓦固定方式，提出了面向EAST第一壁石墨瓦更換的機器人柔順控制系統(tǒng)，并對其中的末端執(zhí)行器結構設計、冗余自由度柔性機器人運動控制技術以及視覺和力反饋控制相結合的石墨瓦柔順拆卸技術等關鍵技術進行了研究。
　　本課題來源于國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃專項“EAST內部部件實時檢測、分析和快速更換關鍵技術”(No.2014GB101000)，主要研究內容如下:
　　1.充分調研和分析國內外遙操作維護系統(tǒng)關鍵技術研究現狀和

4、最新進展。針對EAST裝置遙操作維護系統(tǒng)的功能要求和設計約束條件，提出了基于EAMA機械臂的EAST遙操作機器人系統(tǒng)設計方案。在此基礎上，結合EAST第一壁石墨瓦的更換需求，引出了柔順控制在遙操作維護過程中的重要性。通過進一步調研分析機器人柔順控制技術的研究現狀，同時考慮EAMA機械臂的結構柔性，提出了基于視覺和力反饋的混合柔順控制系統(tǒng)，并對涉及到的末端執(zhí)行器結構設計和冗余自由度柔性機器人運動控制技術等關鍵技術進行了簡要介紹。
　

5、　2.在法國CEA-AIA機械臂基礎上，研究并設計基于EAMA機械臂的EAST遙操作機器人系統(tǒng)。在結構設計方面，重點研究EAMA機械臂模塊化關節(jié)結構設計，包括U型夾形式的連接結構、基于索輪機構的偏航驅動、基于平行四邊形機構的俯仰驅動以及基于齒輪齒條的Shuttle推進機構等;在控制系統(tǒng)方面，研究虛擬現實仿真技術在EAST遙操作機器入分布式控制系統(tǒng)中的應用;在硬件結構方面，研究基于CAN總線的EAST遙操作機器人硬件系統(tǒng)架構。
　　

6、3.研究面向石墨瓦快速更換的末端執(zhí)行器設計，重點研究采用偏心軸與波紋管進行旋轉動密封的模塊化關節(jié)和基于繩索結構的兩指手爪設計以及具備視覺定位和力反饋功能的末端感知模塊設計。考慮到末端感知模塊在烘烤過程中的安全防護問題，還研究了一種非接觸式主動冷卻系統(tǒng)設計，提出了冷卻系統(tǒng)控制方案，并采用熱分析的方式進行驗證，最后結合實驗對末端執(zhí)行器的基本功能進行驗證。
　　4.研究與EAST遙操作機器人相關的運動學模型、逆運動學求解方案、EAMA機

7、械臂柔性模型構建以及機械臂關節(jié)伺服控制器等在石墨瓦更換柔性控制研究中的運動控制基本問題。重點研究基于等效剛度的機械臂柔性幾何模型，并借助實驗給出關節(jié)等效剛度的計算方法，該幾何模型構建用于補償機械臂關節(jié)由于自身重量以及負載造成的末端柔性變形，進而提高虛擬仿真環(huán)境中機械臂運動學建模的準確性。另外還重點研究基于三閉環(huán)控制器的關節(jié)位置伺服控制系統(tǒng)，并通過實驗對伺服運動控制系統(tǒng)設計方案進行驗證。
　　5.研究基于視覺和力反饋的混合柔順控制技

8、術，首先給出視覺和力反饋系統(tǒng)中必要的硬件配置，接著研究單目視覺定位中的若干關鍵技術，包括圖像特征提取、攝像機標定、攝像機-機器人標定、位姿估計等理論和技術知識;針對石墨瓦拆卸過程中涉及到的“插軸入孔”這一關鍵問題，提出了基于動態(tài)運動基元理論的力反饋運動控制技術;考慮到視覺定位不可避免的存在一定誤差，還提出了基于力反饋的位置不確定性搜索方法。
　　6.搭建以UR5機器人為主體的拆瓦實驗平臺，通過實驗對石墨瓦更換柔順控制系統(tǒng)進行驗證。