基于ethercat总线的托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统设计

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1、上海交通大学硕士学位论文基于EtherCAT总线的托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统设计硕士研究生：毛子明学号：1120209056导师：袁建军（副教授）申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位：机械与动力工程学院答辩日期：2015年2月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterDesignofRemoteHandlingControlSystemforTokamakin-vess

2、elrobotbasedonEtherCATCandidate：MaoZimingStudentID:1120209056Supervisor：Prof.YUANJianjunAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefense：Feb,2015Degree-Conferring-Institut

3、ion：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学硕士学位论文基于EtherCAT总线的托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统设计摘要托卡马克装置是能产生大规模核聚变反应的反应堆，是受控核聚变研究走向实用的关键一步，也是实现能源可持续发展的重要手段之一。而第一壁是托卡马克装置中的重要部件。由于托卡马克装置的高温、高辐射，人工完成对第一壁的观测往往存在危险性。本课题的研究内容是托卡马克内窥机械臂遥操作控制系统的设计，使用机器人技术来替代人进行工作。本文首先介绍了托卡马克机器人国内外的研

4、究现状。根据内窥机械臂的任务要求设计了相应的控制系统方案，根据交互性和实时性的要求采用了Modbus/TCP和EtherCAT两层通信。其中，Modbus/TCP用于上位机和下位机的通信，EtherCAT则用于下位机和驱动器间的通信。其次，本文对内窥机械臂做了简单介绍，建立了相应的运动学模型，获得机械臂D-H参数，完成了正逆运动学方程的求解，并推导了关节空间与驱动空间的转换关系。针对第一壁的观测任务，实现了在任务空间与关节空间的连续轨迹规划，并提出了基于第一壁变换率的轨迹优化算法。IV上海交通大学硕

5、士学位论文最后，为了完成机械臂单次作业流程及对第一壁的高效率的观测，本文设计了机械臂的多种工作模式，完成了上下位机程序的编写，并通过实验对程序及扫描任务进行了测试。实验结果表明，系统能稳定可靠地工作，并实现了多种工作模式。在对第一壁模型的扫描任务中，对第一壁上的大多数位置都能实现清晰度成像。关键词：内窥机械臂，遥操作，轨迹规划，轨迹优化V上海交通大学硕士学位论文DesignofRemoteHandlingControlSystemforTokamakin-vesselrobotbasedonEthe

6、rCATABSTRACTTokamakdevice,areactionwhichcanproducelarge-scalefusion,isnotonlythekeytoputcontrollednuclearfusionintouse,butalsoamainapproachtorealizesustainableenergydevelopment.Thefirstwall,asoneofthemostimportantcomponentsofTokamak,isinspectedmanually

7、.It’sdangerousbecauseofhightemperatureandvacuumandstrongradiationexistinginTokamak.ThispaperproposesthedesignofremotehandlingsystemforTokamakin-vesselrobotbasedonEtherCAT,whichaimstoreplacehuman’soperation.Atfirst,thispaperintroducestheresearchanddevel

8、opmentonremotehandlingsystemofnuclearrobot,anddesignsthecontrolsystemarchitectureaccordingtothein-vesselrobot’stask.Modbus/TCPandEtherCATcommunicationisadaptedtomeettheneedofreal-timeandinteraction.Besides,Modbus/TCPisusedtorealizetheco