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“东方超环”EAST是世界上首个非圆截面全超导托卡马克装置。近年来，随着装置性能和实验参数的不断提高，EAST托卡马克取得了一系列重要的研究成果和科学发现。但是，EAST内部部件第一壁也随之面临着越来越严苛的运行环境，承受着不断增加的热负荷。尽管内部部件已经进行了多轮更新和升级，但实验过程中极高的热流密度仍会造成EAST真空室面向等离子体的局部小部件的损坏甚至失效。内部部件一旦失效，轻则影响高质量等离子体的获得，重则会导致等离子体放电根本无法进行或影响装置运行安全。因此，实验期间需要根据EAST内部部件的损伤情况对其进行及时的维护。对于常规的人工维护，即使很小的损伤，也需要装置停机，严重影响了物理实验效率，增加装置维护的时间和经济成本。鉴于此，为了保证足够的装置有效运行时间，EAST装置对实验期间的遥操作维护需求十分迫切。 EAST铰链式维护机械臂(EAMA)系统的研发，旨在等离子体放电间隙，不破坏EAST超高真空环境的条件下，对EAST内部损失小部件进行实时检测和快速维护等操作。为了实现预期目标，EAMA系统的设计需要保证机械臂能够稳定运行在高温(80-120℃)，高真空(～10-5Pa)的严苛环境下。同时，为了利用EAMA的长悬臂进行维护操作，还需要实时准确地预测和补偿机械臂的柔性误差，保证足够高的控制精度。本文主要的研究内容包括:设计和研制EAMA机械臂一整套硬件系统;基于拉格朗日欧拉公式，建立了机械臂系统动力学数学模型;利用矩阵结构分析(MSA)及BP神经网络两种不同方法分别对机械臂系统的柔性变形进行预测;最终形成机械臂动态误差补偿算法，可以用于EAMA系统运行的精确控制。 首先，EAST实验期间，真空室内部环境恶劣，几何尺寸复杂。EAMA机械臂的设计难度远高于常规的工业机械臂。为了克服诸多设计难点，EAMA机械臂在吸收常规机械臂设计理念的基础上，采用多项独特的适应性设计方案:(1)EAMA整体采用多关节铰链式冗余机械臂构型，单节机械臂进行模块化设计，可同时具体偏航和俯仰两个自由度;(2)所有关节驱动器及高速传动部件内置于密封盒内，利用行星滚柱丝杠将旋转转换成直线运动，并通过波纹管将运动输出;(3)暴露在真空环境下的低速传动部件，采用MoS2-Ti-C复合材料镀膜进行固体润滑;(4)机械臂主体采用平行四边形连杆机构，可提供大于50000倍的减速比，在关节输出端形成超过1000Nm的驱动力矩。 其次，EAMA机械臂系统属于典型的串联多体系统。虽然机械臂系统的整体运行速度不高（关节平均角速度为0.5-1°/s），但由于长悬臂的柔性影响，在机械臂大跨度的刚体运动时，也伴随着机械臂的柔性变形甚至小幅度的振动发生。动力学特性的研究可以为机械臂柔性变形预测提供动态的关节作用力及驱动力矩等输入变量，是系统动态误差准确预测的基础。本文基于拉格朗日方程，建立了通用的多连杆刚体动力学数学模型，推导并给出了动力学模型中惯性矩阵、离心力与科氏力矢量以及重力矢量的数学表达式。同时，利用大型动力学仿真软件建立机械臂模型，对数学模型的计算结果进行对比和验证。 再次，EAMA系统的悬臂长度达到10m以上，机械臂在重力和扭矩作用下会产生明显的柔性变形，并且变形量会随着机械臂的运动和姿态的变换而不断变换。这种柔性变形特性如果得不到精确预测和合理补偿，将严重影响机械臂系统的位置精度。本文在刚体动力学模型的基础上，利用两种不同的方法分别建立机械臂柔性变形预测模型:基于矩阵结构分析(MSA)理论的刚度矩阵方法;基于负载实验实测数据的BP神经网络预测方法。并对这两种方法的变形预测精度和优缺点进行对比分析。两种方法都具有很好的实时性，可为实现机械臂精确控制提供依据。 最后，根据已有的变形预测模型及计算结果，结合机械臂运动学及轨迹规划，形成EAMA机械臂动态误差补偿算法，编写相关反馈控制程序，实现在任意位置和运动状态下对机械臂末端位置的动态误差进行实时补偿，确保机械臂末端执行器具有足够高的控制精度，顺利完成相关遥操作维护任务。