[发明专利]蒸汽发生器检修机械臂安装过程运动学逆解方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及蒸汽发生器检修系统，具体涉及蒸汽发生器一次侧检修六自由度机械臂。

(二)背景技术

核电站的核反应堆冷却系统称为一回路系统，其主要功能是把反应堆正常运行时产生的热量传输给蒸汽发生器(简称SG)，将二回路侧的水加热并转化为驱动汽轮发电机组的饱和蒸汽。

蒸汽发生器是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽，也是核动力装置运行中发生故障最多的设备之一。蒸汽发生器的工作性能及安全可靠性对于整个系统的安全稳定运行是至关重要的。由于蒸汽发生器里面存在放射性物质，人不能进去进行维修，这时就需要机械臂代替人完成维修工作。

通常，在核电站大修时，需对蒸汽发生器进行必要的检修活动。在SG一回路侧，一般有传热管的涡流检查(ET)、传热管超声检查(UT)、传热管堵管、水室表面状况的电视检查，等等。大多数的检修活动是远距离操控进行的，例如，一个机械臂通过人孔安装于SG水室内，机械臂的前端携挂不同的检修工具即可实施不同的检修活动。一些国家已经研发出一些用于SG检修的机械手产品，并且在实际的SG检修工作中投入使用，例如韩国原子能研究院SG检修机械臂、印度核动力公司SG检修机械臂、法国Framatome公司SG检修机械臂等。但国内目前此项仍然空白。

机械臂运动学通常存在两类问题及即正运动学问题和逆运动学问题。前者是指在已知机械臂各关节角度变量的基础上，求解出机械臂末端执行器的位置矢量和姿态矢量的过程。逆运动学问题是指在给定机械臂末端执行器要到达的空间位姿时，找出得到该位姿的各个关节角度变量。位置逆解问题是机械臂机构学乃至机械臂运动学中的最基础也是最重要的研究问题之一，它直接关系到机械臂运动分析、离线编程、轨迹规划和实时控制等工作。因为速度和加速度分析都要在位置分析的基础之上才能进行，所以位置逆解问题是机械臂运动规划和轨迹规划的基础，只有通过运动学逆解把空间位姿转换为关节变量，才能实现对机械臂末端执行器的控制。而从工程应用的角度出发，位置逆解问题的研究成果可以很容易地应用到机械臂上面去。

求解机器人的运动学逆解问题实质上是求解超越函数的非线性方程，由于机器人本身的复杂性，要用一种通用的算法是很困难的。目前求解运动学逆解的方法主要有paul等人提出的代数法，Lee和Ziegler提出的几何法以及Pieper方法等。位置逆解的复杂程度往往与机械臂的结构有很大关系。由于一般情况下，六个自由度便可满足机械臂在工作空间内可达任一位姿，因此六自由度机械臂最具有研究价值和实用价值的。如果机械臂的结构尺寸有些特殊，如轴线平行或相交或轴线长度为零等情况下，逆解运算相对比较简单；而如果结构尺寸一般，且六个关节又都是转动副，则逆解运算较为困难，该问题被喻为是空间机构运动分析中的珠穆朗玛峰。无论是结构特殊还是一般，仅仅用某种方法求得六自由度机械臂的位置逆解还是不够的，还要在计算方法，计算精度等各个方面作进一步的研究。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种简单易行，精度和速度高的蒸汽发生器检修机械臂安装过程运动学逆解方法。

本发明的目的是这样实现的：

其中的α、β、γ定义如下：初始时脚坐标系与世界坐标系姿态相同，然后脚坐标系绕自身y轴转α角，再绕自身x轴转β角，最后再绕自身y轴转γ角，得到最终的脚坐标系姿态。各关节点的位置分别为：B点为机械臂的末端点，C、D、E、F、G、H分别为第六关节至第一关节点，I为脚趾末端点，首先求出机械臂各个关节点的坐标，通过安装过程的正解解算出B，C，D的坐标；由I点的坐标和姿态角α，β，γ得出向量然后可推出H点的坐标；求取F点坐标；其次求取各个关节的转角θ_i(i＝1，2，3，4，5，6)。

本发明还可以包含如下具体方法步骤：

1、所述的通过安装过程的正解解算出B，C，D的坐标的方法是：B，C，D的坐标通过安装过程的正解直接得到，

各点坐标变换关系如下：

其中(px，py，pz)为手末端点相对于坐标原点即世界坐标系原点的位置，45°，50°为机械臂推进装置轴线亦即第六关节轴线与挡板面和管板面的夹角，L1、L2分别为机械臂BC、CD关节间的长度，α₁为第六关节的转角，M1，M2，M3，M4，M5，M6为齐次矩阵，各齐次矩阵如下所示：