CN104057441A - 一种用于复杂环境的多关节机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高温真空等复杂环境的多关节机械臂，包括机械臂支座、铰链式机械臂和快换接头；机械臂支座底部与真空存储舱的滑轨联接，并为多关节维护机械臂提供支撑的支点，支座可以沿滑轨方向驱动机械臂前移和后退一段距离；铰链式机械臂为多节圆管结构，每节机械臂之间通过模块化的齿轮式驱动关节联接在一起，每个驱动关节均有置于机械臂内部的相应高温电机驱动；机械臂前端联接有快插接头，可快速更换不同功能的前端执行器；本发明结构简单，重量轻，所有电子元件和驱动电机内置在机械臂内部，且做密封处理，有效地保护真空环境不受污染，可以在不破坏真空环境的条件下，对真空室内部部件进行监测、探伤和修复。

Description

一种用于复杂环境的多关节机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂领域，具体为一种用于复杂环境的多关节机械臂。

背景技术

为了应对未来全球所面临的能源危机问题，磁约束可控核聚变研究在世界范围内近年来一直是一个热点，其中认可度较高的一种装置称为托卡马克。托卡马克装置包含一个用于聚变反应发生的环状真空室，装置运行期间，真空室第一壁部件由于处在高温高真空的复杂环境会有不同程度的损坏。以EAST上的经验为例，即使是少量的更换维护，从打开真空室到最终恢复到原实验所要求的真空室状态，一般至少要花费10天时间。若以一天20万元运行费用计算，则停机维护的代价即为200万元及10天时间。为了提高装置运行效率，降低维护成本，先进的托卡马克要求在不破坏高真空环境（10^-6Pa）及150℃左右的环境温度的条件下，能够在等离子体放电间隙对第一壁进行近距离观测以及对损伤部件进行快速维护。多关节柔性机械臂是为前端执行机构提供支撑的部件，针对于托卡马克真空室的高温高真空并且几何空间有限等环境特点，用于实时检测和维护的多关节机械臂需要满足重量轻，灵活性好，机械臂前端执行器可快速更换，前端可达目标范围足够等要求。如此多的苛刻要求，给多关节机械臂的整体设计提出了一个难题。目前国际上类似解决方案中有法国Tore Supra的多关节内窥机械臂（AIA），能够在不破坏真空的条件下实现对真空室内部部件单一的内窥功能，在真空室内部小部件的快速维护方面仍有待研究。而在现有的国内机器人研究领域中，同样难以找出一种可以用于目标环境的多关节柔性维护机械臂设计方案。

目前国内在多关机机械臂的技术领域已有一定的研究基础，国内的研究机构和公司都提出过较为成熟的设计方案，具有很高的应用价值。但是已有的机械臂设计方案很多并没有充分考虑有限空间尺寸和恶劣环境工况的影响，往往只专注于机械臂自身的结构或驱动设计；更重要的是，国内现有的一些多关节臂设计大部分针对的是小尺寸的，短关节的机械臂，而对于类似托卡马克聚变堆中的大尺寸、多自由度（总长度10m以上，自由度10-15个）的应用需求，则无法满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于复杂环境的多关节机械臂，以满足诸如托卡马克真空室等高温真空环境下进行部件实时检测、碎片拾取等操作的需求。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于复杂环境的多关节铰链式机械臂，包括有机械臂支座，其特征在于：所述铰链式机械臂由多节圆管结构的机械臂依次一字连接构成，最末端机械臂连接在机械臂支座上，相邻机械臂之间通过模块化的齿轮式驱动关节连接，每个齿轮式驱动关节分别与所连接的两相邻机械臂内部设置的高温电机传动连接，由相邻机械臂内的高温电机驱动齿轮式驱动关节，最前端机械臂臂端连接有快换接头，快换接头上安装有前端执行器。

所述的一种用于复杂环境的多关节机械臂，其特征在于：所述齿轮式驱动关节包括一对通过连接件连接的换向及减速齿轮箱，每个换向及减速齿轮箱内分别转动安装有电机端换向锥齿轮、同轴的关节端换向锥齿轮和第一减速直齿轮、同轴的第二减速直齿轮和第三减速直齿轮、同轴的第四减速直齿轮和第五减速直齿轮，以及通过关节轴转动安装的关节啮合直齿轮；两换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别一一对应安装在所连接的相邻两机械臂内高温电机输出轴上，每个换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别与关节端换向锥齿轮传动啮合，关节端换向锥齿轮同轴的第一减速直齿轮与第二减速直齿轮传动啮合，第二减速直齿轮同轴的第三减速直齿轮与第四减速直齿轮传动啮合，第四减速直齿轮同轴的第五减速直齿轮与关节啮合直齿轮传动连接，其中一个换向及减速齿轮箱以使关节轴水平的方向放置，由其关节轴构成平面回转关节轴，另一个换向及减速齿轮箱以使关节轴竖直的方向放置，由其关节轴构成竖直俯仰关节轴，所述连接件一端开有竖向的安装口，另一端开有水平的安装口，且连接件竖向的安装口固定在平面回转关节轴上，连接件水平的安装口固定在竖直俯仰关节轴上。

所述的一种用于复杂环境的多关节机械臂，其特征在于：所述快换接头包括连接在最前端机械臂臂端的连接法兰，连接法兰上设置有圆台、电源连接器，电源连接器与机械臂内引出的电源及信号线连接，圆台台面中心设置有快换机构，圆台台面上位于快换机构两相对侧分别垂直连接有定位销，圆台台面上还设置有多个均匀环绕快换机构的气/液快速接口，且气/液快速接口与从机械臂末端引出的气/液冷却管路连通；所述前端执行器包括支撑座，支撑座前座面安装有前端执行机械手，支撑座连接有与连接法兰上电源连接器位置对应并插接配合的另一电源连接器，且支撑座上电源连接器与前端机械手连接，支撑座后座面上开有供快换机构卡入的卡孔，卡孔周围的支撑座后座面上均匀环绕有多个可一一对应插入气/液快速接口中的气/液快速接头，支撑座后座面上两相对侧还分别设置有供定位销一一对应销入的定位孔。本发明主要作为多功能前端执行器提供承载，其具有结构简单，重量轻，灵活性好，机械臂前端执行器可快速更换，前端可达目标范围足够等特点。

本发明包括机械臂支座、铰链式机械臂和快换接头，整个机械臂系统位于真空存储舱内部，通过真空舱与托卡马克真空室对接，保证机械臂能够在等离子体放电间隙不破坏真空环境的条件下，进入真空室进行观测和维护；机械臂支座底部与真空存储舱的滑轨联接，并为多关节维护机械臂提供支撑的支点，机械臂支座可以沿滑轨方向驱动机械臂前移和后退一段距离；铰链式机械臂为多节圆管结构，每节机械臂之间通过模块化的齿轮式驱动关节联接在一起，每个驱动关节均有置于机械臂内部的相应高温电机驱动；铰链式机械臂前端联接有快插接头，可根据内窥或者维护的不同需要通过快插接头更换不同功能的前端执行器。

本发明中机械臂极限运行环境： 100℃，10^-6pa（注烘烤温度可达150 ℃ ）；不考虑辐射和磁场的影响。

本发明根据托卡马克真空室内部的具体空间尺寸，铰链式机械臂可分为4~6段关节臂组成，每段齿轮式驱动关节尺寸也可根据实际空间需要而做相应调整，以能够达到真空室目标空间可达的前提下关节臂段数及总自由度最少为原则。

本发明单个齿轮式驱动关节的自由度为1-2个（回转和俯仰），回转和俯仰关节处可布置有角度传感器，由齿轮式驱动关节驱动。

本发明齿轮式驱动关节内部可布置位置和温度传感器，采集相应环境信息。

本发明齿轮式驱动关节选用强度好且密度较小的钛合金材料，润滑方式为固体润滑。

本发明高温电机通过电机架固定在机械臂内部，电机输出轴与换向和减速齿轮组联接形成模块化的驱动关节，通过离合器组控制齿轮组的正转、反转和位置保持等动作；驱动电源位于机械臂支座后方，通过线缆联接。

本发明电子元件和驱动器（电机）内置在每个模块中，密封处理。

本发明齿轮式驱动关节为模块化设计，包括正交换向锥齿轮组和对称分布的减速齿轮组；其中，电机端换向锥齿轮安装在高温电机的输出轴上，减速齿轮组的输出端与关节轴上的关节啮合直齿轮啮合。

本发明整个齿轮组通过一定的传动比将驱动电机的输出转化作用到自由度关节上；其中，齿轮组的传动比根据电机的转速和机械臂的允许摆动的角速度等具体情况确定。

本发明水平面回转关节和竖直面俯仰关节的驱动齿轮组采取相同设计，齿轮组布局的方向互为正交。

本发明快换接头结构用于前端执行机械手的更换，快换接头与机械臂之间通过法兰连接，与前端机械手之间通过一种快换机构连接，方便连接与拆卸。

本发明快换接头上设有定位销，用于更换时的精确定位；快换接头上集成电源连接器和气/液快速接头，方便电路和气/液管路的连接和断开。

本发明采用高温电机技术，固体润滑技术两项关键技术解决了其在托卡马克真空室高温真空环境下的可靠运行的问题。

本发明的主体是多功能铰链式维护机械臂，为了不破坏托卡马克内部真空环境，本发明中关节臂是通过机械臂支架安置在可移动的真空存储舱里的，对于其他非真空的应用环境，如深井矿山救援等特殊环境，则不需要附加真空存储舱，可安置在履带式移动小车上。

本发明的设计方法在真空技术，聚变堆技术，航空航天技术领域都将有参考意义。

本发明的有益效果在于：

1) 用于托卡马克真空室的多关节维护机械臂可以在不破坏真空环境的条件下，对真空室内部部件进行监测、探伤和修复，可以很大程度地减少装置的停机维护的时间和经济成本；

2) 本发明结构简单，重量轻，关节臂和驱动齿轮组进行了模块化设计，可以根据实际尺寸需要增减关节的段数和自由度，便于机械臂结构和功能的更新和扩展。

3) 所有电子元件和驱动电机内置在机械臂内部，且做密封处理，将其工作环境与外部的真空环境隔离开来，有效地保护真空环境不受污染；同时其驱动力大，定位精度高。

附图说明

图1是多关节维护机械臂总体结构图。

图2是双自由度驱动关节构造图。

图3是平面回转关节的变向和减速齿轮组分布图。

图4是快换接头构造图。

具体实施方式

如图1、图2所示。一种用于复杂环境的多关节机械臂，包括有机械臂支座1，还包括有铰链式机械臂，铰链式机械臂由多节圆管结构的机械臂2依次一字连接构成，最末端机械臂2连接在机械臂支座1上，相邻机械臂2之间通过模块化的齿轮式驱动关节3连接，每个齿轮式驱动关节3分别与所连接的两相邻机械臂内部设置的高温电机6传动连接，由相邻机械臂内的高温电机6驱动齿轮式驱动关节3，最前端机械臂臂端连接有快换接头4，快换接头4上安装有前端执行器5。

如图2、图3所示。齿轮式驱动关节3包括一对通过连接件连接的换向及减速齿轮箱7，每个换向及减速齿轮箱7内分别转动安装有电机端换向锥齿轮10、同轴的关节端换向锥齿轮11和第一减速直齿轮12、同轴的第二减速直齿轮13和第三减速直齿轮14、同轴的第四减速直齿轮15和第五减速直齿轮16，以及通过关节轴转动安装的关节啮合直齿轮17；减速直齿轮所在安装轴两端分别转动安装在换向及减速齿轮箱中的轴承18中；两换向及减速齿轮箱7内电机端换向锥齿轮10分别一一对应安装在所连接的相邻两机械臂内高温电机6输出轴上，每个换向及减速齿轮箱7内电机端换向锥齿轮10分别与关节端换向锥齿轮11传动啮合，关节端换向锥齿轮11同轴的第一减速直齿轮12与第二减速直齿轮传动啮合13，第二减速直齿轮13同轴的第三减速直齿轮14与第四减速直齿轮15传动啮合，第四减速直齿轮15同轴的第五减速直齿轮16与关节啮合直齿轮17传动连接，其中一个换向及减速齿轮箱以使关节轴水平的方向放置，由其关节轴构成平面回转关节轴8，另一个换向及减速齿轮箱以使关节轴竖直的方向放置，由其关节轴构成竖直俯仰关节轴9，连接件一端开有竖向的安装口，另一端开有水平的安装口，且连接件竖向的安装口固定在平面回转关节轴8上，连接件水平的安装口固定在竖直俯仰关节轴9上。

快换接头包括连接在最前端机械臂臂端的连接法兰19，连接法兰19上设置有圆台、电源连接器22，电源连接器22与机械臂内电线连接，圆台台面中心设置有快换机构23，圆台台面上位于快换机构23两相对侧分别垂直连接有定位销20，圆台台面上还设置有多个均匀环绕快换机构的气/液快速接口，且气/液快速接口与从机械臂末端引出的气/液冷却管路连通；前端执行器包括支撑座，支撑座前座面安装有前端执行机械手25，支撑座连接有与连接法兰19上电源连接器22位置对应并插接配合的另一电源连接器，且支撑座上电源连接器与前端机械手连接，支撑座后座面上开有供快换机构23卡入的卡孔，卡孔周围的支撑座后座面上均匀环绕有多个可一一对应插入气/液快速接口中的气/液快速接头24，支撑座后座面上两相对侧还分别设置有供定位销20一一对应销入的定位孔21。

本发明主要包括机械臂支座1、铰链式机械臂和快换接头4；机械臂支座1底部与真空存储舱的滑轨联接，并为多关节维护机械臂2提供支撑的支点，机械臂支座1可以沿滑轨方向驱动机械臂2前移和后退一段距离；铰链式机械臂为多节圆管结构，每节机械臂2之间通过模块化的齿轮式驱动关节3联接在一起，每个齿轮式驱动关节3均有置于机械臂内部的相应高温电机6驱动；铰链式机械臂前端联接有快换接头4，可根据内窥或者维护的需要更换不同功能的前端执行器5。

高温电机6通过电机架固定在机械臂2内部，电机输出轴通过电机端换向锥齿轮10与换向和减速齿轮箱7联接形成模块化的驱动关节，换向和减速齿轮箱7分别通过与平面回转关节轴8、竖直俯仰关节轴9上的关节啮合直齿轮17啮合形成回转和俯仰关节。

快换接头4结构用于前端执行机械手25的更换，快换接头4与机械臂2之间通过连接法兰19对接，与前端执行机械手25之间通过一种快换机构23连接，方便连接与拆卸。

快换接头4上设有定位销20和定位孔21，用于更换时的精确定位；快换接头上集成电源连接器22和气/液快速接头24，方便电路和气/液管路的连接和断开。

Claims (3)

1.一种用于复杂环境的多关节铰链式机械臂，包括有机械臂支座，其特征在于：所述铰链式机械臂由多节圆管结构的机械臂依次一字连接构成，最末端机械臂连接在机械臂支座上，相邻机械臂之间通过模块化的齿轮式驱动关节连接，每个齿轮式驱动关节分别与所连接的两相邻机械臂内部设置的高温电机传动连接，由相邻机械臂内的高温电机驱动齿轮式驱动关节，最前端机械臂臂端连接有快换接头，快换接头上安装有前端执行器。

2.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的多关节机械臂，其特征在于：所述齿轮式驱动关节包括一对通过连接件连接的换向及减速齿轮箱，每个换向及减速齿轮箱内分别转动安装有电机端换向锥齿轮、同轴的关节端换向锥齿轮和第一减速直齿轮、同轴的第二减速直齿轮和第三减速直齿轮、同轴的第四减速直齿轮和第五减速直齿轮，以及通过关节轴转动安装的关节啮合直齿轮；两换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别一一对应安装在所连接的相邻两机械臂内高温电机输出轴上，每个换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别与关节端换向锥齿轮传动啮合，关节端换向锥齿轮同轴的第一减速直齿轮与第二减速直齿轮传动啮合，第二减速直齿轮同轴的第三减速直齿轮与第四减速直齿轮传动啮合，第四减速直齿轮同轴的第五减速直齿轮与关节啮合直齿轮传动连接，其中一个换向及减速齿轮箱以使关节轴水平的方向放置，由其关节轴构成平面回转关节轴，另一个换向及减速齿轮箱以使关节轴竖直的方向放置，由其关节轴构成竖直俯仰关节轴，所述连接件一端开有竖向的安装口，另一端开有水平的安装口，且连接件竖向的安装口固定在平面回转关节轴上，连接件水平的安装口固定在竖直俯仰关节轴上。

3.根据权利要求1所述的一种用于复杂环境的多关节机械臂，其特征在于：所述快换接头包括连接在最前端机械臂臂端的连接法兰，连接法兰上设置有圆台、电源连接器，电源连接器与机械臂内引出的电源及信号线连接，圆台台面中心设置有快换机构，圆台台面上位于快换机构两相对侧分别垂直连接有定位销，圆台台面上还设置有多个均匀环绕快换机构的气/液快速接口，且气/液快速接口与从机械臂末端引出的气/液冷却管路连通；所述前端执行器包括支撑座，支撑座前座面安装有前端执行机械手，支撑座连接有与连接法兰上电源连接器位置对应并插接配合的另一电源连接器，且支撑座上电源连接器与前端机械手连接，支撑座后座面上开有供快换机构卡入的卡孔，卡孔周围的支撑座后座面上均匀环绕有多个可一一对应插入气/液快速接口中的气/液快速接头，支撑座后座面上两相对侧还分别设置有供定位销一一对应销入的定位孔。