CN105965534A - 一种用于高温真空环境下的机械臂关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温真空环境下使用的机械臂驱动关节，包括密封盖、主平台、薄壁轴承、旋转盖、关节连接公头、关节连接母头以及关节内部的驱动机构、密封机构。关节连接公头与主平台通过螺栓固定，密封盖与主平台通过螺栓固定，薄壁轴承固定在主平台上，旋转盖与薄壁轴承外圈紧配合并与关节连接件母头固定。电机、蜗杆减速器、蜗杆减速器固定板、谐波减速器固定板、谐波减速器连接件、谐波减速器组成关节驱动机构，固定在主平台上。曲轴组件和波纹管组件组成密封机构，密封机构的曲轴与驱动机构的谐波减速器输出部分相连，波纹管组件的法兰固定在主平台上。法兰轴偏心安装在旋转盖上，曲轴运动带动法兰轴做偏心运动，最终带动旋转盖转动。

Description

一种用于高温真空环境下的机械臂关节

技术领域

本发明涉及特殊环境下的机械臂领域，具体是一种用于高温真空环境下的机械臂关节。

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。前端执行机构是给EAST多关节机械臂提供多功能作业的部件，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功能前段执行器需要满足重量轻，灵活性好，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，给多功能执行器的设计提出了一个难题。目前国际上类似解决方案中有法国ToreSupra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功能前端执行器设计方案，此发明模块化能实现执行器的两个自由度的运动，大大简化了多功能前端执行器的设计。

目前国内外在机械臂驱动关节领域有很多成熟的设计，其中大量应用在工业机器人领域，工业机器人驱动关节一般具有高速、大扭矩、高强度和高精度等特点。而应用在水下的机械臂关节一般在输出轴部分采用密封圈密封或对整个关节或机械臂进行整体密封，应用在硅片传输线上的SCARA机器人多采用磁流体对输出轴部分进行真空密封。但考虑到托卡马克真空室维护机械臂的运行环境，即150℃环境温度，10-6pa真空度，同时机械臂本身不能对真空环境造成污染，并且要求外形小巧，结构紧凑，现有的无论是工业机器人领域还是复杂环境下的机器人领域都很难找到合适的方案。

发明内容 本发明的目的是提供一种用于高温真空环境下的机械臂关节，采用曲轴和波纹管结合的方式将复杂的动密封结构转换成简单的静密封结构，整体结构紧凑，模块化程度高，可自由组合成多自由度机械臂。本发明也可应用在工业领域，尤其可用在高真空、水下或多粉尘环境复杂环境下。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：包括主平台，主平台内有左右贯通主平台的通腔，主平台左端套装有关节连接公头，关节连接公头通过螺栓连接有罩盖在主平台左端外的密封盖，主平台右端转动套装有关节连接母头，关节连接母头通过螺栓连接有罩盖在主平台右端外的旋转盖，且旋转盖与主平台右端之间还相对转动安装有薄壁轴承；所述主平台通腔中位于左端腔口处设置有谐波减速器固定板，谐波减速器固定板朝向主平台通腔内的一面安装有谐波减速器，谐波减速器固定板朝向密封盖的一面紧贴安装有蜗杆减速器固定板，蜗杆减速器固定板上安装有蜗杆减速器，所述密封盖中嵌入安装有电机，所述电机输出轴与蜗杆减速器输入端传动连接，蜗杆减速器输出端通过减速器连接件与谐波减速器输入端连接；所述旋转盖内设有曲轴以及套在曲轴外的波纹管，所述曲轴、波纹管分别沿左右方向延伸，波纹管左端通过大法兰与主平台右端固定连接，波纹管右端设有小法兰，小法兰中心向波纹管内垂直成型圆柱体，圆柱体左端中心连接有圆柱头，且小法兰中心向圆柱体内同轴设有内孔，内孔中从外向内依次同轴安装有铜套一、铜套二、滚针轴承二，由波纹管、铜套一、铜套二、滚针轴承二构成波纹管组件，所述曲轴右端向曲轴内成型有大圆柱孔，大圆柱孔左端中心同轴连通有小圆柱孔，大圆柱孔内通过滚针轴承保持架同轴安装有滚针轴承一，由曲轴、滚针轴承一构成曲轴组件，所述波纹管组件中右端小法兰上的圆柱体转动安装在曲轴大圆柱孔内的滚针轴承一中，且圆柱体左端的圆柱头伸入小圆柱孔内，位于小圆柱孔内还设置有安装在圆柱头上的推力球轴承一，所述旋转盖内右端偏心安装有法兰轴，法兰轴左端中心同轴连接有凸头，且法兰轴轴身转动安装在波纹管组件中滚针轴承二中，滚针轴承二内还设有安装在法兰轴凸头上的推力球轴承二；

还包括霍尔位置传感器、信号采集电路板、耐高温密封插头、贴片式温度传感器，所述信号采集电路板设置在密封盖内，霍尔位置传感器安装在波纹管左端大法兰及曲轴上，贴片式温度传感器贴设在电机表面，耐高温密封插头固定在密封盖上，所述霍尔位置传感器、贴片式温度传感器分别接入信号采集电路板，所述信号采集电路板的数据输出线以及电机的控制线分别与耐高温密封插头连接。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述波纹管左端大法兰与主平台右端之间设有氟橡胶密封圈一。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器固定板与谐波减速器之间设有氟橡胶密封圈二。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器输出法兰与曲轴之间设有氟橡胶密封圈三。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述蜗杆减速器固定板与蜗杆减速器之间设有氟橡胶密封圈四。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述主平台左端与密封盖之间设有氟橡胶密封圈五。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述曲轴大圆柱孔孔口处安装有压固滚针轴承一的滚针轴承挡圈，且滚针轴承挡圈套在波纹管组件中圆柱体上。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：通过关节连接公头和关节连接母头实现前后机械臂关节相连接，组成多自由度机械臂。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述霍尔位置传感器为分离式传感器，由磁环及传感器芯片组成，磁环固定在曲轴上，传感器芯片固定在波纹管组件的大法兰上。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述信号采集电路板负责采集关节的位置信息及运行过程中电机表面的温度信息，通过总线将处理过的信息传输到远程控制卡上。

所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述电机采用耐高温直流电机，贴片式温度传感器采用铂电阻温度传感器，用于检测电机表面温度，防止电机在高温环境运行下烧毁。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在机械臂关节上采用波纹管结合曲轴的密封方式，结构简单，重量轻。多处采用紧凑设计，外形尺寸小。

2、可用于托卡马克真空室的维护。采用模块化方式组合成不同自由度的机械臂，可以在不破坏高温及真空环境的条件下对真空室内部部件进行维护。

附图说明

图1是本发明的外形结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

图3是本发明的驱动结构示意图。

图4是图本发明的曲轴组件示意图，其中：

图4a为外视图，图4b为剖视图。

图5是本发明的波纹管组件示意图，其中：

图5a为外视图，图5b为剖视图。

图6是本发明的实施示例图。

具体实施方式

如图1-图5所示。一种用于高温真空环境下的机械臂关节，包括主平台26，主平台26内有左右贯通主平台26的通腔，主平台26左端套装有关节连接公头8，关节连接公头8通过螺栓连接有罩盖在主平台26左端外的密封盖1，主平台26右端转动套装有关节连接母头9，关节连接母头9通过螺栓连接有罩盖在主平台26右端外的旋转盖21，且旋转盖21与主平台26右端之间还相对转动安装有薄壁轴承10；主平台26通腔中位于左端腔口处设置有谐波减速器固定板2，谐波减速器固定板2朝向主平台26通腔内的一面安装有谐波减速器27，谐波减速器固定板2朝向密封盖1的一面紧贴安装有蜗杆减速器固定板3，蜗杆减速器固定板3上安装有蜗杆减速器5，密封盖1中嵌入安装有电机30，电机30输出轴与蜗杆减速器5输入端传动连接，蜗杆减速器5输出端通过减速器连接件7与谐波减速器27输入端连接；旋转盖21内设有曲轴33以及套在曲轴33外的波纹管34，曲轴33、波纹管34分别沿左右方向延伸，波纹管34左端通过大法兰与主平台26右端固定连接，波纹管34右端设有小法兰，小法兰中心向波纹管34内垂直成型圆柱体，圆柱体左端中心连接有圆柱头，且小法兰中心向圆柱体内同轴设有内孔，内孔中从外向内依次同轴安装有铜套一14、铜套二18、滚针轴承二17，由波纹管34、铜套一14、铜套二18、滚针轴承二17构成波纹管组件12，曲轴33右端向曲轴内成型有大圆柱孔，大圆柱孔左端中心同轴连通有小圆柱孔，大圆柱孔内通过滚针轴承保持架同轴安装有滚针轴承一15，由曲轴33、滚针轴承一15构成曲轴组件22，波纹管组件12中右端小法兰上的圆柱体转动安装在曲轴33大圆柱孔内的滚针轴承一15中，且圆柱体左端的圆柱头伸入小圆柱孔内，位于小圆柱孔内还设置有安装在圆柱头上的推力球轴承一13，旋转盖21内右端偏心安装有法兰轴19，法兰轴19左端中心同轴连接有凸头，且法兰轴19轴身转动安装在波纹管组件12中滚针轴承二17中，滚针轴承二17内还设有安装在法兰轴19凸头上的推力球轴承二20；

还包括霍尔位置传感器24、信号采集电路板29、耐高温密封插头31、贴片式温度传感器32，信号采集电路板29设置在密封盖1内，霍尔位置传感器24安装在波纹管34左端大法兰及曲轴33上，贴片式温度传感器32贴设在电机30表面，耐高温密封插头31固定在密封盖1上，霍尔位置传感器24、贴片式温度传感器32分别接入信号采集电路板29，信号采集电路板29的数据输出线以及电机30的控制线分别与耐高温密封插头31连接。

波纹管34左端大法兰与主平台26右端之间设有氟橡胶密封圈一11。

谐波减速器固定板2与谐波减速器27之间设有氟橡胶密封圈二6。

谐波减速器输出法兰与曲轴之间设有氟橡胶密封圈三25。

蜗杆减速器固定板3与蜗杆减速器5之间设有氟橡胶密封圈四4。

主平台26左端与密封盖1之间设有氟橡胶密封圈五28。

曲轴33大圆柱孔孔口处安装有压固滚针轴承一15的滚针轴承挡圈16，且滚针轴承挡圈16套在波纹管组件12中圆柱体上。

通过关节连接公头和关节连接母头实现前后机械臂关节相连接，组成多自由度机械臂。

霍尔位置传感器24为分离式传感器，由磁环23及传感器芯片组成，磁环23固定在曲轴33上，传感器芯片固定在波纹管组件12的大法兰上。

信号采集电路板29负责采集关节的位置信息及运行过程中电机表面的温度信息，通过总线将处理过的信息传输到远程控制卡上。

电机30采用耐高温直流电机，贴片式温度传感器32采用铂电阻温度传感器，用于检测电机表面温度，防止电机30在高温环境运行下烧毁。

如附图1、附图2所示，本发明包括密封盖1、主平台26、薄壁轴承10、旋转盖21、关节连接公头8、关节连接母头9以及关节内部的驱动机构、密封机构及电气单元。其中关节连接公头8与主平台26通过螺栓固定，密封盖1与主平台26通过螺栓固定，关节驱动机构固定在主平台26上，关节密封机构通过螺钉与关节驱动机构的谐波减速器27输出部分相连，法兰轴19固定在旋转盖21上并安装在关节密封机构的曲轴33中。薄壁轴承10固定在主平台26上，旋转盖21与薄壁轴承10外圈紧配合并与关节连接件母头9固定。霍尔位置传感器24固定在安装在波纹管34左端大法兰及曲轴33上、信号采集电路板29和耐高温密封插头31固定在密封盖1内部、贴片式温度传感器32固定在电机30表面。

密封盖1、关节连接公8头、薄壁轴承10均直接固定在主平台26上，其中密封盖1与主平台26接触面之间安装氟橡胶密封圈五28进行密封，不锈钢螺栓将密封盖1、主平台26和关节连接公头8固定在一起。旋转盖21与薄壁轴承10的外圈配合，关节连接母头9通过螺栓与旋转盖21固定。

如图2、图3所示，关节内部的驱动结构包括：电机30、蜗杆减速器5、蜗杆减速器固定板3、谐波减速器固定板2、减速器连接件7、谐波减速器27。电机30采用耐高温直流电机，一级减速器采用蜗杆减速器5，该减速器允许电机垂直关节轴线位置放置，减少轴向尺寸，另外蜗杆减速器5的自锁性起到断电保护的功能。二级减速器采用谐波减速器27采用扁平式以减小轴向尺寸。电机30与蜗杆减速器5相连接，蜗杆减速器5与蜗杆减速器固定板3通过螺栓连接，蜗杆减速器5与蜗杆减速器固定板3之间安装氟橡胶密封圈四4，减速器连接件7与谐波减速器27输入端固定在一起，谐波减速器27与谐波减速器固定板2连接，两者之间安装氟橡胶密封圈二6，驱动结构中的两个氟橡胶密封圈4、6的安装是为了防止减速器润滑脂泄漏对电气部件造成污染。蜗杆减速器5输出轴与减速器连接件7通过D型孔连接实现径向定位，蜗杆减速器固定板3、谐波减速器固定板2和主平台26通过一组螺钉固定，实现了蜗杆减速器5输出轴与减速器连接件7之间的轴向定位。

如图2、图4、图5所示，关节内部的密封机构包括曲轴组件22和波纹管组件12。曲轴组件22包括曲轴33、滚针轴承一15、滚针轴承垫片和滚针轴承挡圈16。波纹管组件12包括波纹管34、滚针轴承二17、铜套一14及铜套二18。其中滚针轴承均采用无内外圈式滚针轴承，由于滚针轴承本身径向尺寸小且承载力大，且除去内外圈会进一步减小了轴承径向尺寸。另外滚针轴承表面进行固体润滑，减小了其在真空环境下的磨损程度，避免传动效率的降低。关节密封机构的曲轴33与关节驱动机构的谐波减速器27的输出法兰通过螺钉相固定。滚针轴承一15安装在曲轴33的大圆柱孔内，滚针轴承垫片紧贴滚针轴承保持架，滚针轴承挡圈16用于滚针轴承一15的轴向固定。曲轴33与谐振减速器27输出法兰通过螺钉固定，将谐振减速器27的输出绕轴线的自转运动转化为曲轴33偏心一端绕轴线的公转。滚针轴承二17安装在铜套二18的内部，铜套一14安装在波纹管小法兰圆柱体的内孔，接触面采用紧配合安装，铜套外端的小轴肩结构防止滚针轴承轴向窜动。铜套二18紧配合安装在铜套一14中，接触面采用紧配合，曲轴组件22的滚针轴承一17套在波纹管小法兰圆柱体上。波纹管34大法兰通过螺钉与主平台26固定，接触面之间采用氟橡胶密封圈一11密封。

如图2所示，法兰轴19偏心安装在旋转盖21上，电机30运动带动减速器运动，减速器运动带动曲轴33运动，曲轴33运动带动法兰轴19做偏心运动，最终带动旋转盖21转动。位于小圆柱孔内还设置有安装在圆柱头上的推力球轴承一13，滚针轴承二17内还设有安装在法兰轴19凸头上的推力球轴承二20；由于法兰轴19对曲轴33有个轴向力，推力球轴承的安装最大限度的减小了旋转过程中波纹管34小法兰与法兰轴19端面及曲轴33内孔端面之间接触产生的摩擦阻力。

如图2、图3、图4、图5所示，电气单元包括霍尔位置传感器24、信号采集电路板29、耐高温密封插头31和贴片式温度传感器32。为减小安装空间，霍尔位置传感器24采用分离式传感器，该传感器由磁环23及传感器芯片组成，磁环23固定在曲轴33上，传感器芯片固定在波纹管组件12的大法兰上，传感器芯片的信号线经主平台26上的线缆通道连接到信号采集电路板29上。贴片式温度传感器32采用铂电阻温度传感器，固定在电机30表面，用于检测电机表面温度，防止电机在高温环境运行下烧毁。信号采集电路板29固定在密封盖1内部，其上所有元器件均耐150℃高温，负责采集关节的位置信息及运行过程中电机表面的温度信息，通过总线将处理过的信息传输到远程控制卡上。耐高温密封插头31固定在密封盖1的凸台上，将关节内部总线及电机控制线与外部线缆相连。

如图6所示，本发明用于托卡马克真空室维护机械臂中的腕关节结构，该腕关节是由本发明所述关节模块化组合而成，包括快接接头35、偏航关节36、俯仰关节37和旋转关节38。各关节之间通过关节连接公头和关节连接母头相连接，另外可根据负载力矩大小可选择合适的电机及减速器。

Claims (11)

1.一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：包括主平台，主平台内有左右贯通主平台的通腔，主平台左端套装有关节连接公头，关节连接公头通过螺栓连接有罩盖在主平台左端外的密封盖，主平台右端转动套装有关节连接母头，关节连接母头通过螺栓连接有罩盖在主平台右端外的旋转盖，且旋转盖与主平台右端之间还相对转动安装有薄壁轴承；所述主平台通腔中位于左端腔口处设置有谐波减速器固定板，谐波减速器固定板朝向主平台通腔内的一面安装有谐波减速器，谐波减速器固定板朝向密封盖的一面紧贴安装有蜗杆减速器固定板，蜗杆减速器固定板上安装有蜗杆减速器，所述密封盖中嵌入安装有电机，所述电机输出轴与蜗杆减速器输入端传动连接，蜗杆减速器输出端通过减速器连接件与谐波减速器输入端连接；所述旋转盖内设有曲轴以及套在曲轴外的波纹管，所述曲轴、波纹管分别沿左右方向延伸，波纹管左端通过大法兰与主平台右端固定连接，波纹管右端设有小法兰，小法兰中心向波纹管内垂直成型圆柱体，圆柱体左端中心连接有圆柱头，且小法兰中心向圆柱体内同轴设有内孔，内孔中从外向内依次同轴安装有铜套一、铜套二、滚针轴承二，由波纹管、铜套一、铜套二、滚针轴承二构成波纹管组件，所述曲轴右端向曲轴内成型有大圆柱孔，大圆柱孔左端中心同轴连通有小圆柱孔，大圆柱孔内通过滚针轴承保持架同轴安装有滚针轴承一，由曲轴、滚针轴承一构成曲轴组件，所述波纹管组件中右端小法兰上的圆柱体转动安装在曲轴大圆柱孔内的滚针轴承一中，且圆柱体左端的圆柱头伸入小圆柱孔内，位于小圆柱孔内还设置有安装在圆柱头上的推力球轴承一，所述旋转盖内右端偏心安装有法兰轴，法兰轴左端中心同轴连接有凸头，且法兰轴轴身转动安装在波纹管组件中滚针轴承二中，滚针轴承二内还设有安装在法兰轴凸头上的推力球轴承二；

还包括霍尔位置传感器、信号采集电路板、耐高温密封插头、贴片式温度传感器，所述信号采集电路板设置在密封盖内，霍尔位置传感器安装在波纹管左端大法兰及曲轴上，贴片式温度传感器贴设在电机表面，耐高温密封插头固定在密封盖上，所述霍尔位置传感器、贴片式温度传感器分别接入信号采集电路板，所述信号采集电路板的数据输出线以及电机的控制线分别与耐高温密封插头连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述波纹管左端大法兰与主平台右端之间设有氟橡胶密封圈一。

3.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器固定板与谐波减速器之间设有氟橡胶密封圈二。

4.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器输出法兰与曲轴之间设有氟橡胶密封圈三。

5.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述蜗杆减速器固定板与蜗杆减速器之间设有氟橡胶密封圈四。

6.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述主平台左端与密封盖之间设有氟橡胶密封圈五。

7.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述曲轴大圆柱孔孔口处安装有压固滚针轴承一的滚针轴承挡圈，且滚针轴承挡圈套在波纹管组件中圆柱体上。

8.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：通过关节连接公头和关节连接母头实现前后机械臂关节相连接，组成多自由度机械臂。

9.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述霍尔位置传感器为分离式传感器，由磁环及传感器芯片组成，磁环固定在曲轴上，传感器芯片固定在波纹管组件的大法兰上。

10.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述信号采集电路板负责采集关节的位置信息及运行过程中电机表面的温度信息，通过总线将处理过的信息传输到远程控制卡上。

11.根据权利要求1所述的一种用于高温真空环境下的机械臂关节，其特征在于：所述电机采用耐高温直流电机，贴片式温度传感器采用铂电阻温度传感器，用于检测电机表面温度，防止电机在高温环境运行下烧毁。