托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模與仿真.pdf

1、托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂是針對托卡馬克第一壁檢測和維修任務(wù)設(shè)計(jì)開發(fā)的具有特殊串聯(lián)結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂。為了完成第一壁大范圍高精度的檢測任務(wù)，該機(jī)械臂使用輕質(zhì)的材料建造并具有大跨度、單連桿、自支撐的特點(diǎn)，是典型的柔性細(xì)長機(jī)械臂。具有類似結(jié)構(gòu)的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)往往會表現(xiàn)出柔性大變形與大范圍剛體運(yùn)動(dòng)相耦合的特性。柔性變形的存在不僅會影響末端定位的精度，導(dǎo)致機(jī)械臂與腔內(nèi)部件發(fā)生碰撞的可能；同時(shí)由于用于檢測的相機(jī)安裝于機(jī)械臂末端，因柔性引起的振動(dòng)還會導(dǎo)致末端

2、相機(jī)在檢測任務(wù)過程中無法返回清晰的圖像進(jìn)而影響檢測工作的效率。傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)或多剛體動(dòng)力學(xué)的建模與控制理論已經(jīng)無法滿足機(jī)械臂安全高效運(yùn)行的實(shí)際需求，因此建立機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型對機(jī)械臂的安全控制具有重要的意義。
　　本文采用絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)方程。針對托卡馬克柔性內(nèi)窺機(jī)械臂特殊的弧形伸縮結(jié)構(gòu)，提出了一種基于絕對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法的空心矩形截面曲梁單元。該單元基于Euler-Bernoulli梁假設(shè)，避開

3、了梁截面變形帶來的復(fù)雜的閉鎖問題，使用格林應(yīng)變求得了單元非線性的彈性力，可以應(yīng)用于大變形、大位移和大轉(zhuǎn)動(dòng)的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模。然后，基于該單元建立了機(jī)械臂剛?cè)狁詈系膭?dòng)力學(xué)模型。針對機(jī)械臂安全控制的要求，開發(fā)了實(shí)時(shí)的動(dòng)力學(xué)求解程序?；诮^對節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方法的動(dòng)力學(xué)方程采用非增量迭代的方法得到數(shù)值解，針對各單元?jiǎng)恿W(xué)方程在建立時(shí)互不相關(guān)的特點(diǎn)，采用基于GPU的并行處理算法將總動(dòng)力學(xué)方程求解的周期降低到毫秒級。為了便于驗(yàn)證控制算法的控制效果，基于所