托卡马克是利用磁约束实现受控核聚变的装置,腔体内部是环形真空室,通过大功率中性束注入加热和微波加热的方式使得腔内等离子体达到核聚变反应要求,同时通过外部缠绕的线圈通电在内部产生巨大的螺旋形磁场,可将等离子体约束在腔体中央反应,达到聚变可控的目的。而托卡马克腔内部第一臂砖块在反应中会经常受到高能粒子的撞击而被破坏,因此需要进行定期的检查和维护。由于托卡马克腔内部是特种环境,在间歇期间进行远程维护时,内部仍是高温、辐射残余环境,机械臂各部件都可能受到破坏,诸如电机线圈在高温下会烧毁、编码器等电子器件会被高能粒子穿透损坏等。在设计机械臂系统时,需要重点考虑对其关键单元部件的防护。一方面,针对强核辐射的因素,通过大量调研设计出高耐辐射的单轴关节运动模块,该模块包括驱动控制、视觉系统以及设备通讯等部分,并且分别从以上部分提出针对性的防辐射设计,为之后机械臂整机防辐射特性的增加提供指导。另一方面,针对高温问题,提出了热加固部件保护机械大臂,结合水冷防护保护小臂的方案。相较于研究广泛的氮气冷却方式,水冷系统冷却效率高的优点显而易见。在机械臂各关键部件布置温度测点,对机械臂内部环境进行实时监测,同时和外部水泵流量阀等协同工作,构成一个带温度反馈的闭环控制系统。不仅通过实验验证了100°C环境下机械臂整机能正常工作两小时,而且用ANSYS温度分布仿真表明水冷系统对更高温环境仍然有效。最后从全局能量系统角度分析说明了水冷系统进一步优化的方法。