托卡马克检测维护机器人压电驱动原理与方法的基础研究

Existing Tokamak detection and maintenance robots generally have problems of large and complex systems, numerous components, difficult control, low precision of end control, and poor motion flexibility. In particular, the performance change of the electromagnetic drive system in the composite nuclear fusion environment of high temperature, high vacuum, and strong magnetic field is difficult to accurately grasp, becoming the main obstacle for the robot system to achieve high precision controllability. Considering the good adaptability of piezoelectric drive in high vacuum and high temperature environment, especially the characteristic of free from magnetic field interference, a piezoelectric driven folding rail carrier robot is proposed in this project, to realize the expansion and assembly of the folding rail and the drive of the carrier robot using the piezoelectric excitation and friction driving principle. It can alleviate the constraints of the Tokamak vacuum indoor environment on the robot drive system. Utilizing the advantages of simple structure and short transmission chain of the piezoelectric drive, the mechanism can be simplified. And using the characteristics of self-locking and fast response of the piezoelectric drive, the working efficiency and the terminal control precision can be improved. The mechanism of the kinematic behavior between the folded rail and the carrier robot on the micromechanical properties of the friction drive interface, and its influence on the end positioning accuracy and system stability of the robot system are investigated. The control method of suppressing system vibration is established, to construct an orbital carrier with simple structure, light weight and stable operation, for supporting the experimental research of magnetic confinement nuclear fusion in China.

现有托卡马克检测维护机器人普遍存在系统庞大复杂、控制难度大、末端控制精度低、运动灵活性差等问题。尤其电磁驱动系统在高温-高真空-强磁场复合核聚变环境下的性能变化难以准确把握，成为机器人系统实现高精度可控的主要障碍。考虑到压电驱动在高真空、高温环境下的良好适应性，尤其不受磁场干扰的特点，本项目提出构建压电驱动的折叠式轨道运载机器人，利用压电激励与摩擦驱动原理实现折叠式轨道的展开、组装和运载机器人的驱动，缓解托卡马克真空室内环境对机器人驱动系统的制约。利用压电驱动结构简单、传动链短的特点，精简机构；利用压电驱动断电自锁、快速响应的特点，提高工作效率和末端控制精度。研究折叠式轨道和运载机器人的动力学、运动学行为对摩擦驱动界面微观力学性质的作用机制以及对系统末端定位精度和稳定性的影响规律，建立抑制系统振动的控制方法，构建结构简单、重量轻、操作平稳的轨道式运载装置，支持我国磁约束核聚变的试验研究。

面向磁约束核聚变装置的检测维护操作需求，现有轨道机器人驱动系统难以承受高温、高真空、强磁场环境所带来的性能退化，甚至失效风险。利用压电驱动技术不受强磁场影响且真空、高温环境适应性好的特点，本项目提出了轨道机器人的压电驱动新原理新方法，包括轨道关节的单相激励压电驱动方法、轨道连接机构的螺纹型压电驱动方法和自行式轨道运载机器人的压电驱动方法。提出了2种新型扭振激励模式，设计了4种新型压电作动器，构建了可折叠/展开的轨道关节、轨道连接机构以及自行式轨道运载机器人，实现了轨道机器人的展开、闭合、连接与锁紧等功能。利用传递矩阵法，推导了扭振激励方法的传递矩阵方程，建立了4种新型压电作动器的机电耦合动力学模型。研制了贴片式和夹心式两种环梁构型的压电作动器，装配了基于夹心式压电作动器驱动的轨道关节机构，实现了驱动与负载的一体化融合设计，解决了悬臂式轨道关节的接触翘曲问题。研制了螺纹型压电电机，采用定动子互换的方式，实现了轨道关节的高可靠、高精度连接与锁紧功能。研制了框架式压电作动器，构建了自行式轨道运载机器人，实现了良好的负载能力和高精度的定位。将四个轨道关节与四个螺纹型轨道连接机构共同组装成了轨道机器人系统，并通过功能验证实验，证明了轨道机器人的展开、折叠、连接与锁紧功能。模拟了核聚变检测维护面临的高温（≤120℃）、高真空（≤10-6Pa）等极端环境，进行了轨道关节、螺纹型连接机构与自行式轨道运载机器人的环境适应性实验研究，证明了压电驱动方法在磁约束核聚变检测维护操作上的可行性。在本项目的资助下，发表期刊论文32篇（SCI收录28篇，EI收录4篇），申请发明专利40项（已授权23项），培养博士生1人、硕士生2人，另有2名硕士生正在本项目的资助下开展课题研究。本项目的研究成果可指导极端环境下有轨式机器人的驱动系统设计，为我国未来小型化磁约束核聚变检测维护操作提供了有效的技术支撑。