CN105108774A - 一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，包括有U形夹接头一、滑轮、U形夹接头二、偏航驱动盒、U形夹连接轴、机械臂筒体，机械臂筒体与U形夹接头一固定连接，偏航驱动盒与U形夹接头二固定连接，U形夹接头一与U形夹接头二之间用U形夹连接轴连接，U形夹连接轴上面装有滑轮，滑轮固定在U形夹接头二上，偏航驱动盒与滑轮之间通过钢丝绳一、二连接；偏航驱动盒通过驱动两根运动方向不同的钢丝绳一、二带动与U形夹接头一相连的机械臂筒体进行偏航运行。本发明装置结构紧凑，可以更好的保证机械臂在狭小空间、高真空核聚变环境下运行而不破环其原有的真空度，也可以保证机械臂偏航运行的稳定性、灵活性和安全性。

Description

一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置

技术领域

本发明属于核辐射环境下遥操作机器人技术领域，具体设计一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置。

背景技术

EAST是我国自行设计研制的世界上第一个全超导托卡马克装置，聚变反应主要发生在EAST的环状真空室内部。随着装置运行参数的不断提升，在装置运行期间，真空室内壁长期处于高温高真空的复杂环境中，很容易发生损伤。研究用于托克马克真空环境中的维护机器人成为当前研究的热点，要求机器人能够在高真空（10^-6）Pa和耐150℃环境下工作，同时伴随着核聚变环境下的剧烈辐射，这些因素都是制约机器人工作的不利因素。

传统的维护技术是打开EAST真空室，由维修人员穿戴防护服进入托克马克真空室内部进行人工维护。这一方面影响修复的效率，降低了宝贵了实验有效运行时间，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超高真空状态，一般至少要花费10天时间；另一方面，真空室内部恶劣的工作条件，例如高温，有毒物质污染，辐射等诸多不利因数对工人的生命和安全造成严重威胁。因此目前在维护EAST装置的过程中，为防止上述污染辐射危害操作人员的健康，操作人员不准靠近现场，操作也受到影响。基于上述原因，对EAST真空室内部部件进行装配、维护等操作的时候，需要借助一种遥控的机械手来协助完成，同是能够对真空室内壁进行近距离观测。

研究多关节柔性机械臂成为未来聚变装置内部维护的一个发展趋势。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柔性机械臂需要满足重量轻，灵活性好，工作范围大，径向尺寸小，前端可达目标范围足够等要求。

国内对核环境中的维护机械臂研究起步较晚，大多数研究成果仅仅停留在概念设计或者实验状态，真正能在核环境下工作的机器人寥寥无几。例如上海交通大学机器人研究所研发大型冗余度机械臂，主要用于石油化工，核电站内部维护作业，该机械臂展开长度4.4m，共有7个自由度，开发了冗余自由度，使其工作范围比较大，一次性最大可以抓去30kg的重物；中国科学院成都光机所研发并制造出的核电站水下机器人，主要用于核电站停堆大修期间关键设施设备的监测及维护。这两种机器人的研制和应用为我国开展聚变堆遥操作维护研究工作奠定了重要的基础。通过研究发现这些机械臂很难满足类似于托卡马克聚变堆中的长悬臂（总长度8m以上）、多自由度（自由度6-10个），高真空（10^-6）和径向尺寸限制（直径160mm以下）的工作要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明公开一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，该装置的主要特点是各个部件之间连接紧凑，径向尺寸小，可以更好的满足EAST真空室恶劣环境（高真空、核环境和工作范围狭小）下的工作需求，为后续EAST真空室的维护工作提供了保障。

本发明所采用的技术方案是：

一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，包括有U形夹接头一、滑轮、U形夹接头二、偏航驱动盒、U形夹连接轴、机械臂筒体，机械臂筒体与U形夹接头一固定连接，偏航驱动盒与U形夹接头二固定连接，U形夹接头一与U形夹接头二之间用U形夹连接轴连接，U形夹连接轴上面装有滑轮，滑轮固定在U形夹接头二上，偏航驱动盒与滑轮之间通过钢丝绳一、二连接；偏航驱动盒通过驱动两根运动方向不同的钢丝绳一、二带动与U形夹接头一相连的机械臂筒体进行偏航运行。

所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的U形夹接头一、滑轮、U形夹接头二、偏航驱动盒、U形夹连接轴、机械臂筒体均采用钛合金TC4加工制造。

所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的偏航驱动盒包括有外壳，外壳的一端设有密封固定板，外壳的另一端设有前、后固定板，外壳的内部对称设有两个滚柱丝杠导槽，两个滚柱丝杠导槽的两端分别与密封固定板、前固定板固定连接，密封固定板的外侧设有两个钢丝绳导槽，两个钢丝绳导槽分别与两个滚柱丝杠导槽相通，两个滚柱丝杠导槽中分别设有左、右旋滚柱丝杠，左、右旋滚柱丝杠上分别旋合有左、右旋丝杠螺母；两个滚柱丝杠导槽之间设有电机以及与电机相连接的电机刹车、减速器，减速器固定在减速器安装法兰上，减速器安装法兰固定在前固定板上，前、后固定板之间固定安装有齿轮一23，齿轮一的两端安装在前、后固定板的内孔中，所述内孔中装有一对深沟球轴承一37，减速器插在齿轮一的内孔中；齿轮一的两边分别与齿轮二、三20、26啮合，齿轮二、三的内孔中分别开有键槽并通过键与左、右旋丝杠螺母连接，齿轮二、三的两端安装在前、后固定板的内孔中，所述内孔中装有深沟球轴承二35；左、右旋丝杠螺母的两端分别安装有一个推力滚针轴承34；左、右旋滚柱丝杠22、24一端分别通过销轴18与一个滑块33、39连接，两滑块33、39另一端分别连接有一个钢丝绳接头32，滑块33、39分别与密封固定板11之间焊接有波纹管16实现滚柱丝杠的动密封；销轴18伸出端装有深沟球轴承三17，深沟球轴承三17外壳安装在滚柱丝杠导槽15内，两钢丝绳接头分别与钢丝绳一、二连接，钢丝绳一、二分别贯穿滚柱丝杠导槽、钢丝绳导槽与滑轮连接。

所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的U形夹接头一和U形夹接头二的顶端分别设有两个轴孔，U形夹接头一、二的轴孔43、44中分别装有一对向心滚针轴承和推力滚针轴承，U形夹接头一卡在U形夹接头二上且对应的四个轴孔同轴，U形夹连接轴插在U形夹接头一、二的轴孔中，U形夹接头一可绕U形夹连接轴5旋转，偏航驱动盒4驱动钢丝绳12、13一进一退，从而使滑轮2转动，由于滑轮2与U形夹接头3固定在一起，进而推动U形夹接头3偏航运动。

本发明的工作原理是：

（1）电机为直流无刷伺服电机，通过减速器进行力矩输出，减速机通过减速器安装法兰用螺钉直接安装在偏航驱动盒的前固定板上。

（2）齿轮一为主动齿轮、齿轮二、三为两个被动齿轮，各个齿轮统一与其传动轴做成空心齿轮轴，其中两个被动齿轮参数完全相同，同时两个滚柱丝杠参数也完全相同，但旋向相反。所述的主动齿轮连接到减速器输出轴上，主动齿轮运动直接传递到两个被动齿轮。被动齿轮通过平键和两个滚柱丝杠螺母直接相连，由螺母驱动其相配套的滚柱丝杠运动，其中一个滚柱丝杠伸长，另外一个丝杠以相同的速度进行缩短。由两个滚柱丝杠的相反运动通过末端滑块带动钢丝绳一伸一缩，完成机械臂偏航运动。

（3）两滑块上均设有一个销轴，销轴末端装有深沟球轴承，深沟球轴承外壳直接与滚柱丝杠导槽接触，而滚柱丝杠导槽焊接在偏航驱动盒的密封固定板和前固定板之间。销轴一方面可以防止丝杠在摩擦力作用下旋转，另一方面可以做为丝杠运动的导向装置。

（4）所述的两个U形夹接头分别焊接在机械臂筒体和偏航驱动盒上，U形夹接头的末端部开有轴孔，轴孔中分别装有向心滚针轴承和推力滚针轴承，轴承内孔中间插有一个销轴，使其中一个U形夹接头能绕着销轴偏航转动。销轴的最外面还有一个套筒轴，用于安装固定绳索的导线轮，套筒轴上端安装在U形夹接头的轴孔中，两条钢丝绳索端分别固定在滑轮线槽里，而整个滑轮又通过螺钉固定在其中的一个U形夹接头内部的一个凸台上。当一条钢丝绳在滚柱丝杠的作用力下伸长，另外一条钢丝绳相应的缩短，从而带动U形夹接头偏航运动。

本发明中密封驱动装置极限运行环境：100℃，10^-6Pa的真空核聚变环境下。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的可以更好的保证核聚变环境下机械臂稳定可靠工作，保证在不破坏托克马克真空环境条件下，机械臂可以更好的完成其真空室部件的维护工作；机械臂偏航驱动密封装置通过内部合理紧凑的空间布置，解决了机械臂在狭小空间运动，且要求运动范围大的难题；密封系统的设计，将其工作环境与外部的真空环境隔离开来，有效的保证托克马克真空室不受污染。

附图说明

图1为本发明的整体结构图。

图2为本发明所述的俯仰驱动盒外观轴测图。

图3为本发明所述的俯仰驱动盒内部结构图。

图4为本发明所述的俯仰驱动盒剖视图。

图5为本发明U形夹接头一的结构图。

图6为本发明U形夹接头二的结构图。

图中标号：U形夹接头1、滑轮2、U形夹接头3、偏航驱动盒4、U形夹连接轴5、机械臂筒体6、外壳10、密封固定板11、钢丝绳12、钢丝绳13、钢丝绳导槽14、滚柱丝杠导槽15、波纹管16、深沟球轴承17、销轴18、前固定板19、齿轮20、后固定板21、左旋滚柱丝杠22、齿轮23、右旋滚柱丝杠24、连接螺栓25、齿轮26、减速器安装法兰27、减速器28、电机29、电机刹车30、钢丝绳导槽31、钢丝绳接头32、滑块33、推力轴承34、深沟球轴承35、左旋丝杠螺母36、深沟球轴承37、右旋丝杠螺母38、滑块39、轴孔40、轴孔41、轴孔42、轴孔43、轴孔44构成。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1、图2所示，本发明所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，包括U形夹接头1、滑轮2、U形夹接头3、偏航驱动盒4、U形夹连接轴5、机械臂筒体6。机械臂筒体6通过焊接的方式与U形夹接头1相连，保证其可靠连接强度；U形夹接头1与U形夹接头3之间用U形夹连接轴5连接，U形夹连接轴5上面装有滑轮2，滑轮2固定在U形夹接头3上；偏航驱动盒4通过螺钉固定在U形夹接头3端面上，偏航驱动盒4与滑轮2之间通过柔性钢丝绳12、13连接。上述零部件考虑到要求质量轻，强度高等特点，除钢丝绳12、13外，所有的零部件都用钛合金TC4加工制造。

如图5、6所示，U形夹接头1和U形夹接头3的顶端分别设有轴孔40、41和42、43、44，其中轴孔40、41和43、44中分别装有一对向心滚针轴承和推力滚针轴承，由于这两对轴承在核聚变环境下工作，为了使其能正常的润滑和不破坏和污染真空环境，对这两对轴承进行了洗去润滑油，并用二硫化钼溅射其滚针表面的特殊处理方式，很好的使用在机械臂所要求的高真空低速运动下；轴孔42中用于安装检测机械臂偏航角度的传感器，使机械臂在运动过程中能实时检测其偏航的角度。U形夹接头1卡在U形夹接头3上且对应的四个轴孔同轴，U形夹连接轴5插在U形夹接头1、3的轴孔中，U形夹接头1可绕U形夹连接轴5旋转，偏航驱动盒4驱动钢丝绳12、13一进一退，从而使滑轮2转动，由于滑轮2与U形夹接头3固定在一起，进而推动U形夹接头3偏航运动。

如图2、图3所示，一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动密封装置，所述的偏航驱动盒4包括外壳10、固定板11、钢丝绳导槽14、滚柱丝杠导槽15、波纹管16、深沟球轴承17、销轴18、前固定板19、齿轮20、后固定板21、左旋滚柱丝杠22、齿轮23、右旋滚柱丝杠24、连接螺栓25、齿轮26、减速器安装法兰27、减速器28、电机29、电机刹车30、钢丝绳导槽31、钢丝绳接头32、滑块33、推力轴承34、深沟球轴承35、左旋丝杠螺母36、深沟球轴承37、右旋丝杠螺母38、滑块39构成。外壳10与密封固定板11之间有真空密封圈，并通过螺钉固定连接实现静密封；钢丝绳导槽14、31用螺栓固定于密封固定板11上，钢丝绳导槽14、31上开有沟槽，可以调整钢丝绳12、13引出点之间的距离，使其能呈直线状态与滑轮2相连接，避免了其附加应力。

上述驱动电机29左边有电机刹车30，防止装置出现事故等情况可以紧急停车，其右边有减速器28，减速器28通过减速器安装法兰27，并利用螺钉固定在前固定板19端面。减速器28输出轴直接插在齿轮23内孔中，齿轮23两端安装在前、后固定板19、21的内孔中，内孔中装有一对深沟球轴承37；齿轮23两边分别和齿轮20、26啮合，齿轮20、26内孔均开有键槽，通过键与左、右旋丝杠螺母36、38连接，齿轮20、26两端安装在固定板19、21的内孔中，内孔安装有一对深沟球轴承35。由于左、右旋丝杠螺母36、38在转动过程中受轴向力较大，故而两端安装了一对推力滚针轴承34。左、右旋丝杠螺母36转动的同时带动左、右旋滚柱丝杠22、24做直线运动，左、右旋滚柱丝杠22、24一端分别通过销轴18与滑块33、39连接，滑块33、39另一端分别连接有钢丝绳接头32，滑块33、39与密封固定板11之间分别焊接有波纹管16实现滚柱丝杠的动密封；销轴18伸出端装有深沟球轴承17，深沟球轴承17外壳安装在滚柱丝杠导槽15内，滚柱丝杠导槽15焊接在密封固定板11和前固定板19之间。

上述整个传动过程是这样的：电机29驱动减速器28输出轴运动，驱动齿轮23运动，驱动与其啮合的齿轮20转动，然后驱动左旋丝杠螺母36转动，由左旋丝杠螺母36驱动左旋滚柱丝杠22运动，使其在滑块33和滚柱丝杠导槽15、销轴18和深沟球轴承37共同作用下做往返直线运动。同时波纹管16进行伸长或者缩短，完成整个运动过程的动密封。

同理，由于偏航驱动盒4两边相同结构方式，齿轮20和26运动方向相反，且上下两个滚柱丝杠的旋向相反，使其右旋滚柱丝杠24、右旋丝杠螺母38在电机29的作用下向着相反的方向运动，驱使滑块39拉动钢丝绳向反方向运行，整个运动过程的动密封同样靠波纹管，使整个偏航驱动盒内部的常规零部件与外部的高真空，核环境等极端环境隔离开，保证了其可以正常运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：包括有U形夹接头一、滑轮、U形夹接头二、偏航驱动盒、U形夹连接轴、机械臂筒体，机械臂筒体与U形夹接头一固定连接，偏航驱动盒与U形夹接头二固定连接，U形夹接头一与U形夹接头二之间用U形夹连接轴连接，U形夹连接轴上面装有滑轮，滑轮固定在U形夹接头二上，偏航驱动盒与滑轮之间通过钢丝绳一、二连接；偏航驱动盒通过驱动两根运动方向不同的钢丝绳一、二带动与U形夹接头一相连的机械臂筒体进行偏航运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的U形夹接头一、滑轮、U形夹接头二、偏航驱动盒、U形夹连接轴、机械臂筒体均采用钛合金TC4加工制造。

3.根据权利要求1所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的偏航驱动盒包括有外壳，外壳的一端设有密封固定板，外壳的另一端设有前、后固定板，外壳的内部对称设有两个滚柱丝杠导槽，两个滚柱丝杠导槽的两端分别与密封固定板、前固定板固定连接，密封固定板的外侧设有两个钢丝绳导槽，两个钢丝绳导槽分别与两个滚柱丝杠导槽相通，两个滚柱丝杠导槽中分别设有左、右旋滚柱丝杠，左、右旋滚柱丝杠上分别旋合有左、右旋丝杠螺母；两个滚柱丝杠导槽之间设有电机以及与电机相连接的电机刹车、减速器，减速器固定在减速器安装法兰上，减速器安装法兰固定在前固定板上，前、后固定板之间固定安装有齿轮一，齿轮一的两端安装在前、后固定板的内孔中，所述内孔中装有一对深沟球轴承一，减速器插在齿轮一的内孔中；齿轮一的两边分别与齿轮二、三啮合，齿轮二、三的内孔中分别开有键槽并通过键与左、右旋丝杠螺母连接，齿轮二、三的两端安装在前、后固定板的内孔中，所述内孔中装有深沟球轴承二；左、右旋丝杠螺母的两端分别安装有一个推力滚针轴承；左、右旋滚柱丝杠一端分别通过销轴与一个滑块连接，两滑块另一端分别连接有一个钢丝绳接头，两滑块分别与密封固定板之间焊接有波纹管实现滚柱丝杠的动密封；销轴伸出端装有深沟球轴承三，深沟球轴承三外壳安装在滚柱丝杠导槽内，两钢丝绳接头分别与钢丝绳一、二连接，钢丝绳一、二分别贯穿滚柱丝杠导槽、钢丝绳导槽与滑轮连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于高真空、核聚变环境下的机械臂偏航驱动装置，其特征在于：所述的U形夹接头一和U形夹接头二的顶端分别设有两个轴孔，U形夹接头一、二的轴孔中分别装有一对向心滚针轴承和推力滚针轴承，U形夹接头一卡在U形夹接头二上且对应的四个轴孔同轴，U形夹连接轴插在U形夹接头一、二的轴孔中，U形夹接头一可绕U形夹连接轴旋转。