CN103640027B - 空间承载型组件化机械臂关节及其组合 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间承载型组件化机械臂关节，承载连接机构与固定承载机构固连，固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承与旋转承载机构相连接，伺服电机的一端与增量编码器相连，伺服电机的另一端行星减速机构相连，行星减速机构通过锥齿轮与谐波减速器相连，十字交叉滚子轴承通过输出轴与旋转承载机构相连，绝对编码器固连在输出轴上，EtherCAT总线驱动器与伺服电机相连，并对伺服申机进行伺服控制。还公开了组件式空间承载型组件化机械臂关节，包括多个组合连接的空间承载型组件化机械臂关节。本发明适用于MCF装备小入口、长距离、大回转空间维护环境，具有重量小、结构紧凑、承载力大、布线方便、实时通讯性能佳等优势。

Description

空间承载型组件化机械臂关节及其组合

技术领域

本发明涉及核电站建设、运营及维护技术领域，具体是一种空间承载型组件化机械臂关节。

背景技术

ITER(国际热核聚变实验堆)工程中MCF(磁约束核聚变)装备建设、运营及维护受辐射强度大、温度高、入口及内部截面相对狭小、大回转半径、人员不可触及等因素影响，长距离远程操纵机械臂成为MCF装备维护的必备设施之一。CEALIST交互式机器人实验室研制的LORA机械臂(又称AIA机器人)负责在Tokamak腔内部封闭热室进行检修任务。但由于该机械臂每个关节有两个自由度，长机械臂自重及结构特点使得末端负载较小，整体机械臂末端定位精度控制及内部布线极度复杂。针对此缺陷，研制出一套适用于核聚变设施尤其MCF装备检修及维护的结构简单、承载弯矩M值大、实时操作性强的空间承载型组件化机械臂关节，该发明对于弥补现有不足具有重大意义。再则，通过EtherCAT总线对不同组件化机械臂关节进行通讯衔接，确保了在特定危险环境或针对特定操作，如狭窄区域、视角局限性大、表面跟踪操作等场合，进行实时精确的反馈控制是维护作业安全稳定的首要保证。因此，为实现安全、稳定、便利的核工程建设、运营及维护作业，研制出一套空间承载型组件化机械臂关节具有重大意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种空间承载型组件化机械臂关节。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种空间承载型组件化机械臂关节，包括承载连接机构、增量编码器、伺服电机、行星减速机构、锥齿轮、绝对编码器、十字交叉滚子轴承、输出轴、谐波减速器、旋转承载机构、固定承载机构、EtherCAT总线驱动器，其中，承载连接机构与固定承载机构固连，固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承连接旋转承载机构，伺服电机的一端与增量编码器相连，伺服电机的另一端与行星减速机构相连，行星减速机构通过锥齿轮与谐波减速器相连，十字交叉滚子轴承通过输出轴与旋转承载机构相连，绝对编码器固连在输出轴上，EtherCAT总线驱动器与伺服电机相连，并对伺服电机进行伺服控制。

优选地，所述旋转承载机构和固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承共同承担重载弯矩M值，保证该关节稳定顺利旋转。

优选地，所述锥齿轮具有90度转向，所述伺服电机与行星减速机构相连后，经过锥齿轮转向90度，将扭矩输送给谐波减速器，在节省机械臂横截面尺寸同时，对伺服电机的输出扭矩达到有效的利用。

优选地，所述增量编码器和绝对编码器将伺服电机和输出轴进行对比反馈，实现高精度末端定位。

优选地，所述伺服电机与增量编码器通过EtherCAT总线驱动器形成闭环反馈，所述伺服电机到所述输出轴之间的传递间隙通过固连在输出轴上的绝对编码器进行反馈得到补偿。

优选地，所述EtherCAT总线驱动器，将增量编码器供电及信号传输、伺服电机供电及信号传输、绝对编码器供电及信号传输结合在一起，汇总到EtherCAT总线上，在增强实时控制性能的同时大大简化了布线复杂度。

优选地，所述EtherCAT总线驱动器在对伺服电机进行伺服控制时，将输出轴的输出值通过绝对编码器经EtherCAT总线传输给上位机，实现高精度反馈控制。

根据本发明的另一个方面，提供了一种组件式空间承载型组件化机械臂关节，包括多个组合连接的上述空间承载型组件化机械臂关节。

优选地，所述多个空间承载型组件化机械臂关节，其两两之间通过承载连接机构固接。

优选地，所述承载连接机构用于承担两个相互连接的空间承载型组件化机械臂关节之间的连接强度，承载连接机构的长度及强度决定了该空间承载型组件化机械臂关节的组件化性能。

优选地，多个空间承载型组件化机械臂关节之间通过EtherCAT总线连接，极大地减少了机械臂内布线复杂度，有效地提高了实时控制的快捷性。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、十字交叉滚子轴承承载转矩M值远远优于谐波减速器，极大地增加了组件化机械臂关节的的承载能力，同时也为机械臂的远距离运载提供坚实基础；

2、锥齿轮实现了90度转向功能，有效地利用了机械臂长度方向的优势，极大地减少了机械臂横截面尺寸，利于顺利穿过狭小入口；

3、谐波减速器具有外形尺寸小，高减速比，大扭矩等特点，通过将谐波减速器放置于传动最末环节，提高了输出轴的机械传动精度；

4、绝对编码器安装于输出轴上，经EtherCAT总线将输出轴实际转角传输给上位机，对关节旋转角度实现了极高精度的控制；

5、EtherCAT总线驱动器，有效地将增量编码器、伺服电机、绝对编码器的供电及信号融合在一起，使得组件化机械臂关节之间仅存在EtherCAT总线和电源线，既增加了组件化机械臂关节之间的实时控制性能，又最大程度的简化了关节之间布线的复杂度。

本发明提供的空间承载型组件化机械臂关节，通过EtherCAT(开放的实时以太网络通讯协议)总线对空间承载型组件化机械臂关节进行实时反馈控制，提高了主从式远程操纵系统在核电站建造、运营及维护作业中的承载操作平稳性及实时操作性。本发明既为核聚变设施的维护提供了极好的运载作用，又增加了核设施运行维护作业的安全性。

本发明用于ITER工程MCF装备远距离遥维护操纵系统中遥操作机械臂底座的运载支撑关节，远程维护任务实施过程中产生的作用力及外在干扰均由组件式空间承载型机械臂关节来承担。本发明尤适用于ITER(国际热核聚变实验堆)工程中MCF(磁约束核聚变)装备远程维护系统中遥维护机械臂远距离运载及初步定位。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构布置总图；

图中：1为承载连接机构，2为增量编码器，3为伺服电机，4为行星减速机构，5为锥齿轮，6为绝对编码器，7为十字交叉滚子轴承，8为输出轴，9为谐波减速器，10为旋转承载机构，11为固定承载机构，12为EtherCAT总线驱动器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种空间承载型组件化机械臂关节，包括承载连接机构、增量编码器、伺服电机、行星减速机构、锥齿轮、绝对编码器、十字交叉滚子轴承、输出轴、谐波减速器、旋转承载机构、固定承载机构、EtherCAT总线驱动器，其中，承载连接机构与固定承载机构固连，固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承连接旋转承载机构，伺服电机的一端与增量编码器相连，伺服电机的另一端与行星减速机构相连，行星减速机构通过锥齿轮与谐波减速器相连，十字交叉滚子轴承通过输出轴与旋转承载机构相连，绝对编码器固连在输出轴上，EtherCAT总线驱动器与伺服电机相连，并对伺服电机进行伺服控制。

进一步地，所述旋转承载机构和固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承共同承担重载弯矩M值，保证该关节稳定顺利旋转。

进一步地，所述锥齿轮具有90度转向，所述伺服电机与行星减速机构相连后，经过锥齿轮转向90度，将扭矩输送给谐波减速器，在节省机械臂横截面尺寸同时，对伺服电机的输出扭矩达到有效的利用。

进一步地，所述增量编码器和绝对编码器将伺服电机和输出轴进行对比反馈，实现高精度末端定位。

进一步地，所述伺服电机与增量编码器通过EtherCAT总线驱动器形成闭环反馈，所述伺服电机到所述输出轴之间的传递间隙通过固连在输出轴上的绝对编码器进行反馈得到补偿。

进一步地，所述EtherCAT总线驱动器，将增量编码器供电及信号传输、伺服电机供电及信号传输、绝对编码器供电及信号传输结合在一起，汇总到EtherCAT总线上，在增强实时控制性能的同时大大简化了布线复杂度。

进一步地，所述EtherCAT总线驱动器在对伺服电机进行伺服控制时，将输出轴的输出值通过绝对编码器经EtherCAT总线传输给上位机，实现高精度反馈控制。

实施例2

本实施例提供了一种组件式空间承载型组件化机械臂关节，包括多个组合连接的实施例1提供的空间承载型组件化机械臂关节。

进一步地，所述多个空间承载型组件化机械臂关节，其两两之间通过承载连接机构固接。

进一步地，所述承载连接机构用于承担两个相互连接的空间承载型组件化机械臂关节之间的连接强度，承载连接机构的长度及强度决定了该空间承载型组件化机械臂关节的组件化性能。

进一步地，多个空间承载型组件化机械臂关节之间通过EtherCAT总线连接，极大地减少了机械臂内布线复杂度，有效地提高了实时控制的快捷性。

上述两个实施例的工作过程和工作原理是：

1、通过TwinCAT软件，经EtherCAT总线驱动器控制伺服电机3，实现旋转承载机构10绕固定承载机构实现±90度旋转。

2、输出轴8实际转角通过绝对编码器6测量，通过EtherCAT总线驱动器，将测量值又E特坏rCAT总线传输给TwinCAT软件，将其与增量编码器发出的运动指令进行比较，对实际传动过程中出现的间隙进行差补，实现旋转承载机构搞精度旋转及定位。

3、所述十字交叉滚动轴承选定必须足以承受外载荷转矩M值，并轴承容许寿命符合设定工作条件，所述行星减速机构4、锥齿轮5、谐波减速器9等传动部件根据输出轴所需实际扭矩可相应比例缩放。

4、所述固定承载机构11和旋转承载机构10其截面形状及承载强度可根据实际运载值进行比例缩放及优化。

具体为，

所述的承载连接机构与所述的固定承载机构固连，其中所述承载连接机构的长度及强度决定了该机械臂关节的组件化性能。

所述伺服电机后轴与所述增量编码器相连，对所述伺服电机运转进行实时反馈；经所述行星减速机构扭矩放大、经所述锥齿轮直接转向、经所述谐波减速器将所述伺服电机力矩传递给所述旋转承载机构，实现组件化机械臂关节之间的扭转伺服控制。

所述十字交叉滚子轴承外圈与所述的固定承载机构相连，内圈与所述的输出轴相连接，其在该组件化关节中作为转矩M值的关键承受部件；通过增加所述的十字交叉滚子轴承可以大大减少所述谐波减速器所承受的转矩M值，使谐波减速器的输出扭矩受转矩值M影响大大减少。

所述输出轴，将所述的十字交叉滚子轴承和所述的旋转承载机构相连，有效地将来自旋转承载机构的转矩M值传递到所述的十字交叉滚子轴承上；在所述的十字交叉滚子轴承许可扭矩范围内，所述的谐波减速器主要作用转换为输出扭矩。

所述伺服电机与所述增量编码器通过EtherCAT总线驱动器形成闭环反馈，所述伺服电机到所述输出轴之间的传递间隙可通过固连在输出轴端的所述绝对编码器进行反馈得到补偿。

所述谐波减速器，具有高减速比、高传动精度、结构紧凑等特点，将其放置于传动机构最末环节，极大地减少了机构的固有机械传动间隙。

所述承载连接机构和所述旋转承载机构之间具有统一的连接模式，有效的将不同型号的空间承载型组件化机械臂关节连接在一起。

所述EtherCAT总线驱动器，将增量编码器供电及信号传输、伺服电机供电及信号传输、绝对编码器供电及信号传输结合在一起，汇总到EtherCAT总线上，在增强实时控制性能的同时大大简化了布线复杂度。

所述承载连接机构用于承担两个组件化关节之间强度连接；所述旋转承载机构和固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承共同承担重载弯矩M值，保证该关节稳定顺利旋转。

所述伺服电机与行星减速机构相连，再经过锥齿轮转向90度，将扭矩输送给谐波减速器，在节省机械臂横截面尺寸同时，对电机的输出扭矩达到有效的利用。

所述增量编码器和绝对编码器，将伺服电机和输出轴进行对比反馈，实现高精度末端定位。

所述EtherCAT总线驱动器在对伺服电机进行伺服控制时，将输出轴的输出值通过绝对编码器经EtherCAT总线传输给上位机，实现高精度反馈控制。各组件化机械臂关节之间通过EtherCAT总线连接，极大地减少了机械臂内布线复杂度，有效地提高的实时控制的快捷性。

上述两个实施例能够在核聚变设施内部狭窄有限空间以及恶劣环境中，独立灵活的实现远程操纵运载任务，用于运载众多不同的检测和维护机械手。上述两个实施例既为核电站安全稳定运行提供了有力的系统保障，又增加了对ITER工程MCF装备监控及维护作业的模块化程度；减少了核辐射危险区远程监控及作业的复杂性和繁琐性，增加了检测维护操作的鲁棒性及可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，包括承载连接机构、增量编码器、伺服电机、行星减速机构、锥齿轮、绝对编码器、十字交叉滚子轴承、输出轴、谐波减速器、旋转承载机构、固定承载机构、EtherCAT总线驱动器，其中，承载连接机构与固定承载机构固连，固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承连接旋转承载机构，伺服电机的一端与增量编码器相连，伺服电机的另一端与行星减速机构相连，行星减速机构通过锥齿轮与谐波减速器相连，十字交叉滚子轴承通过输出轴与旋转承载机构相连，绝对编码器固连在输出轴上，EtherCAT总线驱动器与伺服电机相连，并对伺服电机进行伺服控制。

2.根据权利要求1所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述旋转承载机构和固定承载机构通过谐波减速器和十字交叉滚子轴承共同承担重载弯矩M值。

3.根据权利要求1所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述锥齿轮具有90度转向，所述伺服电机与行星减速机构相连后，经过锥齿轮转向90度，将扭矩输送给谐波减速器。

4.根据权利要求1所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述增量编码器和绝对编码器将伺服电机和输出轴进行对比反馈，实现高精度末端定位。

5.根据权利要求4所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述伺服电机与增量编码器通过EtherCAT总线驱动器形成闭环反馈，所述伺服电机到所述输出轴之间的传递间隙通过固连在输出轴上的绝对编码器进行反馈得到补偿。

6.根据权利要求5所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述EtherCAT总线驱动器，将增量编码器供电及信号传输、伺服电机供电及信号传输、绝对编码器供电及信号传输结合在一起，汇总到EtherCAT总线上。

7.根据权利要求6所述的空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，所述EtherCAT总线驱动器在对伺服电机进行伺服控制时，将输出轴的输出值通过绝对编码器经EtherCAT总线传输给上位机，实现高精度反馈控制。

8.一种组件式空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，包括多个组合连接的权利要求1至7中任一项所述的空间承载型组件化机械臂关节。

9.根据权利要求8所述的组件式空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，多个空间承载型组件化机械臂关节，其两两之间通过承载连接机构固接；所述承载连接机构用于承担两个相互连接的空间承载型组件化机械臂关节之间的连接强度，承载连接机构的长度及强度决定了该空间承载型组件化机械臂关节的组件化性能。

10.根据权利要求8所述的组件式空间承载型组件化机械臂关节，其特征在于，多个空间承载型组件化机械臂关节之间通过EtherCAT总线连接。