三菱重工开发用于清除核燃料碎片的机械臂
挑战
设计用于清除福岛第一核电站熔融燃料碎片的多轴机器人
解决方案
使用MATLAB和Simulink执行硬件测量测试，并建模和模拟单独的机器人轴和控制器
结果
- 开发时间减半
- 定位精度要求超过
- 建立组织间协作的共享平台
“基于模型的MATLAB和Simulink设计支持广泛的选项，从经典的到现代的控制，这使得它能够轻松地响应设计约束的任何变化，并满足对机器人的苛刻的精度要求。”
村田忠志，三菱重工
三菱重工7米长的机械臂，能够承受高达2000公斤的加工反作用力。
福岛第一核电站发生事故后，日本政府展开了长达数年的努力，以稳定该设施并使其退役。这项工作部分由国际核退役研究所(IRID)指导，其中最大的技术挑战之一是安全清除熔融燃料碎片和内部炉结构。
为了清除碎片，三菱重工(MHI)正在制造一种7米长的机械臂，能够承受高达2000公斤的处理反作用力。在Simulink中进行设计和验证®，该机器人的液压控制系统可以移动手臂的六轴，在刀尖处的定位精度仅为5mm，完全在IRID要求的10 mm内。
三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)的工程师村田正(Tadashi Murata)表示:“在没有基于模型的设计(Model-Based Design)的情况下，进行这样一个项目通常需要反复试验，导致重大重构工作在成本和时间压力下进行。”“在项目的初始阶段使用MATLAB和Simulink帮助我们及早发现问题。因此，我们能够将实际设备的开发和调试时间减少一半。”
挑战
自核电站建成以来，内部条件发生了显著变化。由于缺乏关于当前条件的信息，很难制定机械臂的规格。由于设计约束在一开始并不明确，MHI团队需要运行大量的模拟和硬件在环(HIL)测试来完善和验证控制设计。
机器人的尺寸和手臂所设计的液压驱动系统在三菱重工都是前所未有的。建筑工地的挖掘机臂架有四个轴(一个旋转和三个弯曲)，而机械臂有六个轴(三个旋转和三个弯曲)，以确保刀尖定位在目标10毫米内。该机器人的特殊尺寸和液压配置，以及在此类设备上测试未经充分验证的控制算法所带来的风险，强调了对控制设计进行广泛建模和仿真的必要性。
解决方案
MHI工程师使用了基于模型的MATLAB设计®和Simulink开发并验证机械臂控制软件。
在根据需求规范创建了设计大纲之后，三菱重工团队对旋转轴和弯曲轴进行了硬件测试，测量了非线性、响应性和摩擦阻力影响等因素。为了自动化这些测量，团队使用MATLAB、Simulink和实时Linux开发了一个测试控制系统®平台。
基于硬件测试过程中收集的测量数据，该团队在Simulink中建立了一个单轴模型——包括液压缸和伺服阀。
使用Simulink和控制系统工具箱™，该团队开发了一个二自由度PID控制模型。该模型结合了液压控制技术，如压差反馈，以及机器人控制技术，如重力补偿。
他们在Simulink中进行了仿真，以调整控制器增益，确定维持位置所需的扭矩，并检查重力补偿算法的实现。
在这些模拟之后，该团队在Gazebo中构建了一个完整的机器人模型，并进行了HIL测试。利用ROS将Gazebo机器人模型与Simulink控制器模型进行连接。接下来，他们对机器人进行了全功能测试，验证其移动范围、定位精度和挖掘能力，并使用MATLAB对测试结果进行分析。
该项目正按计划启动福岛核电站的燃料提取工作。三菱重工计划在未来需要高度精确定位和承载重负荷能力的液压机械手上重用这项工作的模型和仿真。
结果
- 开发时间减半。Murata说:“为了满足国家路线图规定的燃料开采的最后期限，控制开发计划被设定为6个月，我们最初认为这个时间框架太短了。”“事实上，通过基于模型的设计，我们能够将开发时间缩短至3个月。”
- 定位精度要求超过“我们的系统必须具有高度的准确性;要求是在500kg的载荷下将刀尖定位在10mm以内。”Murata说。“我们在Simulink中进行的模拟和测试使我们超越了这一目标，达到了5毫米的精度。”
- 建立组织间协作的共享平台。“在这个项目中，我们与大阪大学的一个研究小组进行了咨询，并得到了有价值的建议，”村田说。“在讨论控制设计时使用Simulink作为我们的共同语言，使我们所有人都能迅速形成对算法和设计的共同理解。”
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