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單位代碼 02
學(xué) 號 080105007
分 類 號 TH
密 級
畢業(yè)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)翻譯
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)生姓名
劉文超
指導(dǎo)教師
王良文
2012 年 3月 20日
黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯) 第 11 頁
利用離線仿真結(jié)果和3D模型變形以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遙控結(jié)構(gòu)變形的方法
摘要
DTP2，一個(gè)為了演示和改進(jìn)遠(yuǎn)程操作設(shè)備ITER全面的物理測試設(shè)備，已經(jīng)在芬蘭建立起來。首個(gè)裝備有SCEE的RH設(shè)備原型CMM已經(jīng)于2008年10月移交給DTP2。其目的是為了驗(yàn)證CMM/SCEE原型可以被成功的應(yīng)用于第二個(gè)暗盒的RH的運(yùn)作。在 F4E 授與 " DTP2 測試設(shè)備運(yùn)行和升級準(zhǔn)備 " 結(jié)束的時(shí)候，第二個(gè)暗盒的 RH 的運(yùn)行成功地為F4E代表做了證明。
得益于CMM/SCEE機(jī)器人的設(shè)計(jì)，所以當(dāng)它在3.6米長的控制桿上運(yùn)載9噸重的第二暗盒時(shí)，具有相當(dāng)大的機(jī)械彈性。這也就導(dǎo)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(zhǔn)確的反映CMM/SCEE機(jī)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(bǔ)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(jī)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(gè)相當(dāng)大的改進(jìn)，這對RH應(yīng)用程序是至關(guān)重要的，因?yàn)榭刂蒲b置的視覺信息是受周圍環(huán)境的限制的。
關(guān)鍵詞：國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆 遠(yuǎn)程控制 偏濾器測試平臺2 虛擬工程 彈性變形 虛擬現(xiàn)實(shí)
1.引言
這篇論文展示了系統(tǒng)控制軟件執(zhí)行的負(fù)載補(bǔ)償功能是怎樣改進(jìn)DTP2控制系統(tǒng)的絕對精度和可視化精度的。同時(shí)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(dǎo)出變化范圍。除此之外，真實(shí)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(fù)荷的運(yùn)行評估。
在第二暗盒安裝程序的時(shí)候，CMM在電機(jī)傳動裝置的協(xié)作下，沿著射線方向行進(jìn)到維持隧道的頂端。（圖1）。在垂直面上的上升和傾斜運(yùn)動可以用來憑借向上維持隧道來控制暗盒的方位。當(dāng)熱運(yùn)動到達(dá)第二暗盒時(shí)，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(yàn)
在CMM/SCEE傳遞到DTP2后，系統(tǒng)綜合階段開始啟動，以為實(shí)際測試做系統(tǒng)準(zhǔn)備。這個(gè)測試在工廠啟動實(shí)施，在RH控制室中結(jié)束測試運(yùn)行。[1]
最初用于暗盒運(yùn)行的的程序是被用來教學(xué)的，這與暗盒有持續(xù)性的視覺聯(lián)系。CMM/SCEE良好的重復(fù)精度（3mm）保證了運(yùn)行程序成功重復(fù)。然而，由于CMM/SCEE的完全精度不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致靜態(tài)的三維模型不能很好的支持運(yùn)行。三維模型有時(shí)候會出現(xiàn)暗盒與DRM沖突的情況，但實(shí)際情況是一切運(yùn)行良好。很明顯，在遠(yuǎn)程操作之前，系統(tǒng)的絕對精度需要改進(jìn)。
2.2 載荷補(bǔ)償
在運(yùn)行程序的時(shí)候，載荷對CMM-SCEE運(yùn)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(bǔ)償以改進(jìn)絕對精度。這種解決方法對于RH維持通道的運(yùn)行是十分普遍的，但是對于負(fù)載補(bǔ)償模型，確實(shí)一個(gè)基于CRO蓮價(jià)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(yīng)用于在特殊的環(huán)形SCEE軌道中的操作。補(bǔ)償功能還可以明顯改善設(shè)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(bǔ)償?shù)膶?shí)施價(jià)值可以參考圖2中的笛卡爾坐標(biāo)系。根據(jù)暗盒是否加載到HRO上，解決的方法也分為兩個(gè)階段。“理想設(shè)備的笛卡爾參考系”（圖2）表達(dá)了與軸相連的HRO鏈的位置坐標(biāo)。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(yīng)用于y軸參考數(shù)據(jù)的評估。因此，在熱運(yùn)動時(shí)，負(fù)載補(bǔ)償?shù)墓δ芤蕾囉贑RO鏈。
如果在HRO鏈上沒有負(fù)載，一個(gè)逆運(yùn)動學(xué)解可以直接用于解決聯(lián)合相應(yīng)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(zhǔn)的Denavit-Hartenberg參數(shù)計(jì)算。
Fig. 2. Left: load compensation in cartesian space. Right: implementation of load effect to the joint data of the real device.
當(dāng)載荷是連接到HRO關(guān)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(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)解并不可直接使用。當(dāng)產(chǎn)生的作用是已知的，正確的評估CRO鏈的價(jià)值可以迭代利用負(fù)載補(bǔ)償或者定義了并列價(jià)值與CRO鏈價(jià)值之間的適應(yīng)性。迭代解和7th多項(xiàng)式都能很好的應(yīng)用于實(shí)踐中。CRO價(jià)值鏈被定義后，在x，y，z方向的位置補(bǔ)償和圓周與徑向的定向補(bǔ)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(yùn)動補(bǔ)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(jìn)遙控裝置的可視化精度
當(dāng)增加一個(gè)鏈接到CMM/SCEE的三維模型上時(shí)，暗盒在yaw方向的傾斜是可視化的。這個(gè)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(yùn)動距離是10mm。
為了增加可視化精度，當(dāng)暗盒連接DRM通道內(nèi)部與外部的時(shí)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(jì)算結(jié)果
在真實(shí)的運(yùn)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(dāng)DCM處理終端感應(yīng)器并停留在環(huán)形通道上時(shí)，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(jì)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(shí)驗(yàn)室中真實(shí)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(jī)器的適用性和標(biāo)準(zhǔn)性原則設(shè)計(jì)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(shè)下進(jìn)行的。
因此，有限元分析結(jié)果是可以應(yīng)用于DCM形變的可視化的。加載裝置的形狀必然會反映到遠(yuǎn)程觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中。計(jì)算變形的遠(yuǎn)程可視化可以在兩種不同的方法下進(jìn)行。傳統(tǒng)的方法是把一個(gè)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(gè)回轉(zhuǎn)節(jié)鏈接起來。圖6
本文提到的方法是運(yùn)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(shù)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(yùn)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(gè)更高層次的應(yīng)用能力，以適用于那些接受多個(gè)外力影響的復(fù)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?dú)埲蹦Ｐ偷母唿c(diǎn)。如果直線切削的精度不足的話，一個(gè)更先進(jìn)的變形算法是應(yīng)變場插入法。
運(yùn)用達(dá)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(diǎn)：
運(yùn)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(shí)系統(tǒng)中離線和在線的變形結(jié)果。
更加精確的展示復(fù)雜系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且能完全控制連續(xù)變形的點(diǎn)，而不粗略的接近。
使從復(fù)雜系統(tǒng)中分離出單個(gè)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(shí)環(huán)境中的變形。變形信息可以依據(jù)提前測量的運(yùn)行狀態(tài)或者運(yùn)用液壓系統(tǒng)的壓力來估測外力，因此，運(yùn)用了現(xiàn)有的傳感器信息。
考慮到機(jī)器人的操作，一個(gè)更精確的方法可以通過采用應(yīng)變規(guī)來測量機(jī)器人鏈接的實(shí)際變形來達(dá)到。在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)變規(guī)將被安裝到DCM上。
應(yīng)變規(guī)的優(yōu)勢：
變形范圍方法的互補(bǔ)性，每一個(gè)應(yīng)力都可以通過專用的應(yīng)變規(guī)來單獨(dú)測量其范圍。
具有即時(shí)測量精確應(yīng)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(gè)應(yīng)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(jī)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(gè)CMM機(jī)器結(jié)構(gòu)，并且鏈接結(jié)構(gòu)接近變形過程。
更多復(fù)雜的變形途徑，如三維領(lǐng)域里的線性插值法將會被使用。這將會聯(lián)合由真實(shí)DCM變形控制的三維樣機(jī)的彈性變形。
我們將進(jìn)一步分析柔性機(jī)器人關(guān)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(gè)系統(tǒng)中。
免責(zé)聲明
本文觀點(diǎn)不代表歐洲委員會的觀點(diǎn)。
致謝
這項(xiàng)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(xiàn)
[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.