面向托卡马克腔内维护作业的自铺轨道式机械臂宏动平台刚度优化及动态构型控制

Tokamak is the supporting device of magnetic confined field nuclear fusion process. How to handle many complicated, heavy and delicate plant systems and components with high accuracy in a super large workspace is a big challenge for robotic maintenance operations. In this proposal, a new concept of macro maintenance platform which can be assembled and de-assembled by many self-deployment articulated rails, named rail-self-deployment manipulators, is presented to increase the global stiffness and the natural frequency for dexterous force controlled tasks. By optimization of dynamic configuration, supporting structure, servo control, motion transmission, docking mechanism of rail-self-deployment manipulators, the mapping between global stiffness and configuration & structural parameters of macro maintenance platform will be investigated. To achieve high compliance of reconfiguration of macro maintenance platform, the dynamic model, feed-forward compensation and robust adaptive control algorithm are important issues to be solved. The optimal configuration transition sequences and on-line tuning of parameters of control algorithm will be investigated to realize the compliance of docking process. This research will provide the theoretical support for design of robotic systems for maintenance operation for nuclear industry.

托卡马克腔（Tokamak）是磁约束核聚变的承载装置， 其高温、高真空的恶劣环境要求其功能件的维护作业采用机器人遥控完成。本研究面向托卡马克腔超大工作空间维护作业的高定位精度、高刚度和柔顺性需要，研究由多个机械臂通过自铺轨道并自装配形成稳定的支撑结构(宏动平台)以增加维护作业中力控制所需要的固有频率及承载刚度；末端精密作业机械手则可在宏动平台上专注于灵巧的六维力/位操作。针对宏动平台的不同构型，运用分布式结构参数优化理论，探索自铺轨道式机械臂的构型、承载结构、驱动控制、传动方式、对接机理与平台刚度的映射规律，优化宏动平台的构型和结构参数；建立宏动平台构型重构过程的动力学模型，探索采用动力学前馈补偿和鲁棒自适应控制算法理论实现动态构型控制过程的柔顺性并推导最优构型变迁序列以及控制参数的动态匹配方法。本研究可为我国自主研发核聚变特种机器人提供科学理论依据和技术创新源泉。

托卡马克腔（Tokamak）是磁约束核聚变的承载装置， 其高温、高真空的恶劣环境要求其功能件的维护作业采用机器人遥控完成。本研究面向托卡马克腔超大工作空间维护作业的高定位精度、高刚度和柔顺性需要，.研究了面向托卡马克腔内维护作业的10自由度自铺轨道式机械臂构型和机构设计，并在国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项的支持下完成了自铺轨道式机械臂的制造，实现了机械臂进出托卡马克腔窗口、在腔内展开以及机械臂在腔内第一壁维护探测作业等多种构型变换的运动控制；2.研究了10自由度自铺轨道式机械臂的操作性能优化，包括尺寸优化、驱动器件位置及形式、特种结构等；3.研究了自铺轨道式机械臂的绝对定位精度分析方法，分析了由多级自铺轨道机械臂的刚度变形和间隙造成的绝对定位精度并进行了测试，提出了提高机械臂绝对定位精度的方法并开展了试验研究；4.研究了基于EtherCAT总线的自铺轨道机械臂的控制系统，实现了机械臂收缩、展开以及维护作业三种情况下的构型调整方法；5.研究了为进入托卡马克腔所必需的高温、高真空环境对机械臂结构的修正设计，并在机械臂上设计了内部及外部冷却结构实现了高温环境下的运行；设计了高真空环境下的机械臂关节结构实现机械臂的运动。本项目所研究的自铺轨道式机械臂可直接应用于托卡马克腔的探测作业，具有重要的应用价值；本项目所提出的提高轨道刚度优化和精度补偿方法，提高了自铺轨道式机械臂的操作性能，扩大了应用范围；本项目所提出的适用于高温和真空环境的机械臂特种结构设计，为最终机器人进入核聚变装置应用提供了借鉴和参考。本研究可为我国自主研发核聚变特种机器人提供科学理论依据和技术创新源泉。