單位代碼
學 號
分 類 號
密 級
畢業(yè)設計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
指導教師
年 3月 20日
利用離線仿真結(jié)果和3D模型變形以實現(xiàn)實時遙控結(jié)構(gòu)變形的方法
摘要
DTP2，一個為了演示和改進遠程操作設備ITER全面的物理測試設備，已經(jīng)在芬蘭建立起來。首個裝備有SCEE的RH設備原型CMM已經(jīng)于2008年10月移交給DTP2。其目的是為了驗證CMM/SCEE原型可以被成功的應用于第二個暗盒的RH的運作。在 F4E 授與 " DTP2 測試設備運行和升級準備 " 結(jié)束的時候，第二個暗盒的 RH 的運行成功地為F4E代表做了證明。
得益于CMM/SCEE機器人的設計，所以當它在3.6米長的控制桿上運載9噸重的第二暗盒時，具有相當大的機械彈性。這也就導致數(shù)據(jù)不精確，并且用于控制系統(tǒng)的3D模型也不能準確的反映CMM/SCEE機器人的變化狀態(tài)。 為了提高其精確度，已經(jīng)發(fā)展出了一種在虛擬環(huán)境中控制其彈性的方法。加載在CMM/SCEE上載荷的作用大小被測量并且最小化到由控制系統(tǒng)軟件執(zhí)行的載荷補償模型上。這種優(yōu)化的方法利用有限元分析，通過3D模型的變形解釋了控制系統(tǒng)機器的結(jié)果變形。 這將促使CMM/SCEE的絕對精度和3D模型的適合性有一個相當大的改進，這對RH應用程序是至關重要的，因為控制裝置的視覺信息是受周圍環(huán)境的限制的。
關鍵詞：國際熱核實驗反應堆 遠程控制 偏濾器測試平臺2 虛擬工程 彈性變形 虛擬現(xiàn)實
1.引言
這篇論文展示了系統(tǒng)控制軟件執(zhí)行的負載補償功能是怎樣改進DTP2控制系統(tǒng)的絕對精度和可視化精度的。同時也找到了一種通過3D模型變形來解釋DTP2的結(jié)構(gòu)變形的新方法，利用有限元分析來導出變化范圍。除此之外，真實的組件變形，2D結(jié)構(gòu)變形會被用于顯示每單位結(jié)構(gòu)負荷的運行評估。
在第二暗盒安裝程序的時候，CMM在電機傳動裝置的協(xié)作下，沿著射線方向行進到維持隧道的頂端。（圖1）。在垂直面上的上升和傾斜運動可以用來憑借向上維持隧道來控制暗盒的方位。當熱運動到達第二暗盒時，由CRO和HRO回轉(zhuǎn)連接的可以用來改變暗盒的方位。
Fig. 1. CMM and SCEE structural representation.
2. DTP2的偏差研究目錄
2.1 CMM/SCEE檢驗
在CMM/SCEE傳遞到DTP2后，系統(tǒng)綜合階段開始啟動，以為實際測試做系統(tǒng)準備。這個測試在工廠啟動實施，在RH控制室中結(jié)束測試運行。[1]
最初用于暗盒運行的的程序是被用來教學的，這與暗盒有持續(xù)性的視覺聯(lián)系。CMM/SCEE良好的重復精度（3mm）保證了運行程序成功重復。然而，由于CMM/SCEE的完全精度不夠準確，導致靜態(tài)的三維模型不能很好的支持運行。三維模型有時候會出現(xiàn)暗盒與DRM沖突的情況，但實際情況是一切運行良好。很明顯，在遠程操作之前，系統(tǒng)的絕對精度需要改進。
2.2 載荷補償
在運行程序的時候，載荷對CMM-SCEE運動鏈的影響會被測量。并且知道位于暗盒尖端的定位誤差最大接近80mm。這些測量數(shù)據(jù)被用來生成載荷補償以改進絕對精度。這種解決方法對于RH維持通道的運行是十分普遍的，但是對于負載補償模型，確實一個基于CRO蓮價值的平臺。由于CMM在將來普遍支持其他終端執(zhí)行器，所以這種方法簡單，易用。具體的查表只應用于在特殊的環(huán)形SCEE軌道中的操作。補償功能還可以明顯改善設備性能。因此，暗盒尖端的最大誤差由80mm下降到了5mm。[1]
載荷補償?shù)膶嵤﹥r值可以參考圖2中的笛卡爾坐標系。根據(jù)暗盒是否加載到HRO上，解決的方法也分為兩個階段?！袄硐朐O備的笛卡爾參考系”（圖2）表達了與軸相連的HRO鏈的位置坐標。因此，HRO鏈僅僅被用在改變縱軸周圍暗盒的方向，并且，之后CRO鏈可以應用于y軸參考數(shù)據(jù)的評估。因此，在熱運動時，負載補償?shù)墓δ芤蕾囉贑RO鏈。
如果在HRO鏈上沒有負載，一個逆運動學解可以直接用于解決聯(lián)合相應的數(shù)值參考。解決方法是使用包括基于簽名修正的CMM / SCEE校準的Denavit-Hartenberg參數(shù)計算。
Fig. 2. Left: load compensation in cartesian space. Right: implementation of load effect to the joint data of the real device.
當載荷是連接到HRO關節(jié)，在這種情況下，由于笛卡爾參考也會受CMM/SCEE的撓度影響，所以機器人的逆運動學解并不可直接使用。當產(chǎn)生的作用是已知的，正確的評估CRO鏈的價值可以迭代利用負載補償或者定義了并列價值與CRO鏈價值之間的適應性。迭代解和7th多項式都能很好的應用于實踐中。CRO價值鏈被定義后，在x，y，z方向的位置補償和圓周與徑向的定向補償可以做成笛卡爾參考系。由于CMM/SCEE缺乏在yaw方向上移動的能力，所以無法做運動補償。
Fig. 3. Ansys FEM result (DCM lifted from RH interface).
Fig. 4. CATIA FEM result (DCM lifted from RH interface).
2.3 改進遙控裝置的可視化精度
當增加一個鏈接到CMM/SCEE的三維模型上時，暗盒在yaw方向的傾斜是可視化的。這個鏈接已經(jīng)被放置在勾板和暗盒之間。因此，操作者可以看見暗盒傾斜的作用 ，它在垂直方向上最大有效運動距離是10mm。
為了增加可視化精度，當暗盒連接DRM通道內(nèi)部與外部的時候，壓力差超過上升油缸提供的載荷，暗盒的重量也轉(zhuǎn)化都勾板或者DRM通道或者其他別的地方。（圖2）
2.4 偏濾暗盒模型的偏差計算結(jié)果
在真實的運行環(huán)境中，暗盒的三維模型是不能完全反映其模型形狀的。當DCM處理終端感應器并停留在環(huán)形通道上時，它會傾斜。（圖3-5）
DCM的形變分別用分析軟件和CATIA有限元建模工具來計算。這兩種結(jié)果會被比較。如果限定條件比較正確、全面，那么兩種工具的分析結(jié)果是相似的。
在下一階段，有限元分析結(jié)果會被分解。然后勾板的水平和垂直偏轉(zhuǎn)會與DTP2實驗室中真實的DCM測試結(jié)果比較（平臺1）。這種測試裝置是Sokkia NET05高精度三維調(diào)試系統(tǒng)。
Fig. 5. Vertical and horizontal deflections in respect to cassette structures.
在有限元分析結(jié)果和Sokkia NET05測試結(jié)果比較后，得出分析結(jié)論。
2.5 偏濾暗盒的偏差的可視化
根據(jù)機器的適用性和標準性原則設計了DCM。結(jié)果，其壓力總是在建筑材料的比例極限之下，并且具有一定的線彈性。初次測是在胡可定律的線彈性假設下進行的。
因此，有限元分析結(jié)果是可以應用于DCM形變的可視化的。加載裝置的形狀必然會反映到遠程觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中。計算變形的遠程可視化可以在兩種不同的方法下進行。傳統(tǒng)的方法是把一個整體分成碎片，并在這些碎片間建立聯(lián)系[4]。這種方法需要大量的分析工作。鏈接的位置和最大鏈接就是這種分析的結(jié)果?；谶@種分析結(jié)果，它被DCM分為三段鏈，并用兩個回轉(zhuǎn)節(jié)鏈接起來。圖6
本文提到的方法是運用3D變形——3D模型逐漸改變的過程——基于有限元分析結(jié)果去描述形變。形變，或者是3D變形，是物體從一種形狀變?yōu)榱硪环N形狀的過程[2]。這種技術可以直接使用有限元分析結(jié)果而不用麻煩的求的近似值。另外，這種方法能夠運用有限元分析出的每單位范圍內(nèi)的作用結(jié)果（圖7）。這就提供了一個更高層次的應用能力，以適用于那些接受多個外力影響的復雜系統(tǒng)。
Fig. 6. The body of the cassette is divided into three rigid links connected with two rotational joints to approximate mechanical flexibilities.
Fig. 7. Simplified example of 3 links deformed by 9 individual morph targets (forces).
為了改變模型，我們使用直線切削沒變形的三維模型和有限元殘缺模型的高點。如果直線切削的精度不足的話，一個更先進的變形算法是應變場插入法。
運用達索系統(tǒng)可視化工具5.0來觀察變形（圖8）。這種虛擬環(huán)境是由ITER CATIA與有限元模型連接起來，用于創(chuàng)建變形范圍。
這種推薦方法的好處有以下幾點：
運用未加載荷狀態(tài)和變形狀態(tài)間的完全彈性變形，來直接使用有限元結(jié)果在每單位范圍內(nèi)的最大壓力。
更容易利用真實系統(tǒng)中離線和在線的變形結(jié)果。
更加精確的展示復雜系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，并且能完全控制連續(xù)變形的點，而不粗略的接近。
使從復雜系統(tǒng)中分離出單個外力因素引起的變形成為可能。
2.6 控制三維模型的變形
控制三維模型的變形意味著虛擬環(huán)境中的變形必須遵循現(xiàn)實環(huán)境中的變形。變形信息可以依據(jù)提前測量的運行狀態(tài)或者運用液壓系統(tǒng)的壓力來估測外力，因此，運用了現(xiàn)有的傳感器信息。
考慮到機器人的操作，一個更精確的方法可以通過采用應變規(guī)來測量機器人鏈接的實際變形來達到。在實驗室的實驗中，應變規(guī)將被安裝到DCM上。
應變規(guī)的優(yōu)勢：
變形范圍方法的互補性，每一個應力都可以通過專用的應變規(guī)來單獨測量其范圍。
具有即時測量精確應變的能力，不用依賴于提前測量的靜態(tài)變形或者不能對每一個應力不能直接使用的液壓壓力
3. 未來工作
DTP2的三維虛擬樣機組件描述如下。最初，DCM彈性研究集中在解決子系統(tǒng)的彈性問題。然后，研究會包括整個CMM機器結(jié)構(gòu)，并且鏈接結(jié)構(gòu)接近變形過程。
更多復雜的變形途徑，如三維領域里的線性插值法將會被使用。這將會聯(lián)合由真實DCM變形控制的三維樣機的彈性變形。
我們將進一步分析柔性機器人關節(jié)的鏈接和分離。這將有助于創(chuàng)建更精確的有限元模型。最后，彈性鏈接的作用和影響會反映到整個系統(tǒng)中。
免責聲明
本文觀點不代表歐洲委員會的觀點。
致謝
這項工作是在EURATOM和TEKES的聯(lián)合契約下，由歐洲委員會支持，在EFDA工作框架下完成的。
參考文獻
[1] Internal Reports of Grant “DTP2 test facility operation and upgrade preparation”, 2010.
[2] J. Gomes, B. Costa, L. Darsa, L. Velho, Graphical objects, Visual Computer 12 (1996) 269–282.
[3] Han-Bing Yan, Shi-Min Hu, Ralph RMartin, 3D morphing using strain field interpolation, Journal of Computer Science and Technology archive 22 (1) (2007) 147–155.
[4] A.D. Luca, W. Book, Robots with flexible elements, in: Siciliano, Khatib (Eds.), Springer Handbook of Robotics, Springer, 2008, pp. 287–319.