基于虛擬現(xiàn)實技術的托卡馬克柔性內窺機械臂遙操作系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)社會的發(fā)展,人類所面臨的能源問題越來越嚴峻。可控的核聚變反應作為一種較清潔的能源越來越備受人們關注,而可控核聚變反應實現(xiàn)的重要前提條件之一便是對其核反應堆進行有效的維護。
　　由于核反應堆腔體內部高溫高輻射以及高真空的特征,其維護工作無法由人類直接進行,因此遙操作技術在其日常維護中是必不可少的。由于核反應堆腔體的密閉性,且其內部無法任意安裝監(jiān)控相機,因此若用傳統(tǒng)的遙操作系統(tǒng)進行維護,則遙操作過程中,操作人員無法直接地獲

2、取維護裝置的姿態(tài)信息及其與腔體的相對位置信息,操作困難,效率低下,且最重要的是操作過程中很難避免維護裝置與腔體發(fā)生碰撞而造成腔內環(huán)境污染和損壞。因此如何提供有效的視覺反饋信息,對提高核反應堆遙操作維護系統(tǒng)的效率和安全性具有重要意義。
　　本文針對托卡馬克柔性內窺機械臂維護裝置,設計并實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實技術的托卡馬克柔性內窺機械臂遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)通過利用虛擬現(xiàn)實技術對托卡馬克腔體進行三維重構顯示,并通過對柔性內窺機械臂進行了運動學、

3、動力學和柔性建模,在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)了對機械臂的運動仿真。通過虛擬現(xiàn)實技術,遙操作人員可以實時地、任意視角地和立體地對機械臂的位姿狀態(tài)進行觀察,極大地減輕了遙操作人員的操作負擔,改善體驗性,提高了遙操作系統(tǒng)的效率和安全性。
　　本文的研究內容概述如下:
　　1.設計并實現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實技術的遙操作系統(tǒng),該遙操作系統(tǒng)具有在線和離線兩種工作狀態(tài),并根據(jù)實際任務需求設計了相應的遙操作模式。
　　2.在建立機械臂運動模型后,為了

4、實現(xiàn)對機械臂的仿真和控制,針對機械臂大跨度運動時會產生柔性變形的問題,對機械臂進行了柔性動力學建模。
　　3.針對柔性內窺機械臂遙操作過程中與托卡馬克腔體的不可碰撞性要求,實現(xiàn)了對機械臂和腔體間最短距離的實時計算和顯示?；诿骺煞蛩够偷母拍?分析了兩單純形凸體間的最短距離,并通過迭代可以得出兩任意形狀凸體間的最短距離。
　　4.為提高人機交互系統(tǒng)的沉浸性和體驗性,在人機交互系統(tǒng)中實現(xiàn)了基于主動快門式立體顯示方法的三維場景立