CN106272386A - 一种用于east装置的铰链式双自由度模块化机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，包括有由两U形夹关节头、双水平连杆、机械臂筒体组成平行四边连杆机构以及与其配合的俯仰驱动杆、偏航驱动器和偏航驱动滑轮，机械臂筒体内设有沿四边连杆机构对角线方向上的俯仰驱动器，俯仰驱动器的一端与其中一个U形夹关节头上铰接孔及双水平连杆共同铰接在一起，且其下方的机械臂筒体内安装有偏航驱动器，偏航驱动器通过钢丝绳与偏航驱动滑轮联接，俯仰驱动器的另一端与另一个U形夹关节头下铰接孔及机械臂筒体共同铰接在一起。本发明大大减小了整体尺寸，结构紧凑，便于在EAST装配内部复杂几何环境内运行，同时驱动器密封在密闭腔体内，可以满足高温高真空严苛环境下的运行要求。

Description

一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂

技术领域：

本发明涉及核聚变装置特种机械臂领域，主要涉及一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂。

背景技术：

EAST托卡马克实验装置是世界上首个非圆截面全超导磁约束核聚变装置。运行期间，EAST的环状真空室内部将产生MA级长脉冲等离子体放电，使得真空室内壁长期处于高温高真空的复杂环境中，真空室第一壁部件很容易发生损伤。第一壁部件主要由块状石墨瓦、钼瓦等耐热材料拼接形成，为了确保装置实验的顺利进行，需要对真空室内部部件进行定期的损伤检测和必要的修复。传统的检修方式是打开真空室，由技术人员直接进入，进行手动检测和维护。这一方面严重降低了检修的效率，压缩了宝贵的实验有效运行时间，以EAST上的以往经验为例，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，随着未来装置参数的提升，氘氚反应的发生，真空室内部会具有一定的放射性，手动维护会严重威胁操作者的人身安全。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温高真空环境（100℃，10^{- 6}Pa）的条件下，能够在等离子体放电间隙对真空室内壁进行近距离观测以及快速维护。

多关节柔性机械臂是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机械臂需要满足重量轻，灵活性好，径向尺寸小，前端可达目标范围足够等要求。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聚变装置内特殊环境工况的限制，往往只专注于机械臂自身的结构或控制系统的设计，没有考虑到高温高真空的严苛运行环境。在现有的国内机器人研究领域中，难以找出一种可以用于聚变实验堆目标环境的多关节柔性维护机械臂设计方案。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，以满足EAST托卡马克高温真空环境下进行遥操作检测和维护等操作的实际需求。由于EAST内部几何环境复杂，对遥操作机械臂进行模块化设计，通过多个相同模块的组合，形成长悬臂多自由度铰链式机械臂系统。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。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，其特征在于：包括有由两U形夹关节头、双水平连杆、机械臂筒体组成平行四边连杆机构以及与其配合的俯仰驱动杆、偏航驱动器和偏航驱动滑轮，所述两U形夹关节头均为开口水平且底彼此相对的U形结构，所述U形关节头底部分别设置有上、下两个铰接孔，上铰接孔之间连接有两个水平连杆，下铰接孔之间连接有轴线水平的机械臂筒体，所述机械臂筒体内设有沿四边连杆机构对角线方向上的俯仰驱动器，所述俯仰驱动器的一端与其中一个U形夹关节头上铰接孔及双水平连杆共同铰接在一起，且其下方的机械臂筒体内安装有偏航驱动器，所述偏航驱动器通过钢丝绳与其对应端固定在U形夹上的偏航驱动滑轮联接，所述俯仰驱动器的另一端与另一个U形夹关节头下铰接孔及机械臂筒体共同铰接在一起。

所述的俯仰驱动器为可伸缩的杆体结构，其由驱动段、伸缩段和从动段三段组成，所述伸缩段为波纹管，其与两端的驱动段和从动段之间通过法兰固定连接，所述驱动段、伸缩段和从动段组成一个相互连通且密封的腔体结构，所述驱动段对应的腔体内部依次布置有电机制动器、微型高温电机、减速器、柔性联轴器、组合轴承以及转动安装在组合轴承内且与柔性联轴器连接的行星滚柱丝杠端部，所述行星滚柱丝杠穿过伸缩段的波纹管，且伸出端与从动段腔体内的螺母转动配合，所述电机通过减速器、柔性联轴器驱动行星滚柱丝杠与螺母啮合，使行星滚柱丝杠在从动腔体内的丝杠行程槽中运行，所述从动段的俯仰驱动器外端部连接有刚性联接杆。

所述的偏航驱动器包括有驱动器密封盒，所述驱动器密封盒内一端设置有两根平行放置的行星滚柱丝杠，且两行星滚柱丝杠的螺旋方向相反，所述两行星滚柱丝杠均位于驱动器密封盒的两侧，且其一端均伸出驱动器密封盒外，所述两行星滚柱丝杠上分别旋合有与其配合的螺母，所述螺母上套装有齿轮，所述齿轮与安装在驱动器密封盒中部的电机及减速器驱动输出端的齿轮啮合，所述驱动器密封盒内另一端设置有与丝杠对应的钢丝绳，所述钢丝绳的一端与丝杠端部通过丝杠联接头连接，且钢丝绳外套装有波纹管，所述波纹管一端与丝杠联接头连接，另一端与驱动器密封盒的端盖连接，所述钢丝绳的另一端伸出驱动器密封盒外，且均环绕在偏航驱动滑轮上。

所述的驱动器密封盒一端外设有用于保护丝杠且分别与两丝杠对应的丝杠轴套，另一端外设有用于卡装固定方便钢丝绳输送的驱动器安装法兰。

本发明为一种由两个U形关节头、水平连杆、机械臂筒体、俯仰驱动器、偏航驱动器、偏航滑轮组构成的平行四边形连杆机构的双自由度模块化机械臂。机械臂的双自由度可以根据实际需求去除偏航驱动器和滑轮组或者以刚性杆替代俯仰驱动器，形成单自由度机械臂。该机械臂结构单关节最多可以具有偏航和俯仰两个自由度，可进行模块化设计，根据实际需求增减关节臂节数和单关节的自由度；驱动器内置于机械臂筒体内部，大大减小了整体尺寸，结构非常紧凑，便于在EAST装配内部复杂几何环境内运行，同时驱动器密封在密闭腔体内，外部低速轴承采用固体润滑镀膜处理，可以满足诸如EAST托卡马克聚变装置的高温高真空严苛环境下的运行要求。

所述的机械臂各连杆之间铰接处及旋转轴转动处均布置有高强度的固体润滑滚针轴承，固体润滑轴承是在常规润滑轴承的基础上，去除不适合真空环境的润滑油或润滑脂，进行二硫化钼溅射处理后得到，适合于低速运动部件间的真空环境下的润滑。

本发明通过四边形连杆之间的铰接运动关系，将驱动杆的线性运动转化为机械臂的俯仰运动，并利用波纹管实现驱动杆线性运动的动密封。而且驱动关节可以根据实际运行工况和驱动载荷需要，合理设计四边形结构的连杆长度，得到合适的驱动杆单位行程所能驱动的俯仰角度值。所述的驱动关节驱动四边形机构的上下两边产生一定的俯仰角度，即驱动关节所在的机械臂筒体产生俯仰角度，四边形机构的两侧边U形夹关节头结构始终保持竖直。

本发明驱动杆内部选用行星滚柱丝杠实现旋转运动与线性运动之间的转化，行星滚柱丝杠与滚珠丝杠相比，具有小导程（导程可以达到0.5mm）、大载荷（大于10kN）的显著特点，结构紧凑，可以提供足够的减速比及输出端的驱动扭矩。对于小载荷及空间尺寸充裕的情形，可以选用滚珠丝杠代替。

本发明采用微型高温电机驱动，以减小驱动组件的尺寸，同时，通过行星减速器、滚柱丝杠、以及平行四边形连杆机构本身形成大于50000倍的减速比，可以在关节输出端形成超过1000Nm的驱动力矩，远大于同等情形下常规驱动关节所能产生的驱动力矩。

本发明驱动杆内部电机控制与传感器信息采集信号线通过真空密封插头与外部相连。

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

本发明采用真空动密封设计及固体自润滑技术，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。

本发明的设计方法在真空技术，聚变堆技术，航空航天技术等领域都将有参考意义。

本发明的优点是：

1）本发明的一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，与现有技术相比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。机械臂驱动关节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。

2) 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。

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为本发明的结构示意图。

图2为俯仰驱动器的结构示意图。

图3为俯仰驱动器的剖视图。

图4为偏航驱动器的结构示意图。

图5为偏航驱动器的剖视图。

具体实施方式：

如图1所示。一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，包括有U形夹关节头1，机械臂筒体2，水平连杆3，水平连杆4，U形夹关节头5，俯仰驱动器6，偏航驱动器7和偏航驱动滑轮8构成，双水平连杆3、4的两端分别与U形夹关节头1和U形夹关节头5的上铰接孔铰接，俯仰驱动器6的一端与机械臂筒体2及U形夹关节头1的铰接孔铰接，俯仰驱动器的另一端与机械臂筒体2及U形夹关节头5的上铰接孔铰接，偏航驱动器7与机械臂筒体靠近偏航旋转轴线的一端固定，偏航驱动滑轮8位于U形夹关节头5上，并同时与机械臂的前一关节U形夹或基座固连。

通过上述铰接，U形夹关节头1，机械臂筒体2，双水平连杆3、4和U形夹关节头5、共同构成平行四边形连杆机构，俯仰驱动器6构成平行四边形机构的对角线，根据平行四边形铰链机构的相互运动关系，当俯仰驱动器6的长度增长或者缩短时，机械臂筒体2和双水平连杆3、4和将发生一定角度的俯仰运动，而U形夹关节头1和5的轴线仍保持竖直，同时偏航驱动器7通过输出钢丝绳22和钢丝绳23与偏航驱动滑轮8联接，钢丝绳22,23的运行速度相等，方向相反，驱动机械臂相对于前一关节U形夹或基座做水平偏航运动。

如图2和3所示。一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，所述俯仰驱动器，包括有杆端联接头9、杆端联接头10、高温电机11、行星减速器12、柔性联轴器13、组合轴承14、行星滚柱丝杠15、波纹管16、丝杠配套螺母17、丝杠行程槽18以及刚性联接杆19，杆端联接头9、10分别与U形夹关节头1、5通过固体自润滑轴承铰接，驱动器内部高温电机11与行星减速器12组合在一起，通过柔性联轴器13驱动行星滚柱丝杠15进行旋转运动，行星滚柱丝杠15通过组合轴承14组装在驱动器上，另一端与配套螺母17啮合，驱动螺母及与其固连的刚性联接杆19沿驱动器轴线方向做直线往复运动，从而实现俯仰驱动器7整体结构的伸长和缩短，驱动器伸缩过程中，波纹管16联接在相对运动的两个法兰之间，起到真空密封作用，行星滚柱丝杠15可以在丝杠行程槽18中前进或后退。

如图4和5所示。一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，所述偏航驱动器，包括有驱动器密封盒20、驱动器安装法兰21、驱动钢丝绳22、驱动钢丝23、电机及减速器24、丝杠联接头25、丝杠联接头26、齿轮27、齿轮28、齿轮29、螺母30、螺母31、丝杠32以及丝杠33构成，电机及减速器24驱动齿轮29，传递至齿轮27齿轮28，螺母30及31分别与齿轮27及28固连，经齿轮组产生同速同向旋转运动，丝杠32、丝杠33具有相反旋向螺纹，分别与螺母30、螺母31啮合，在螺母驱动下产生同速反向直线运动，同时丝杠32、丝杠33通过丝杠联接头25、丝杠联接头26分别与钢丝绳23、钢丝绳22联接，并最终环绕在偏航驱动滑轮8上，驱动滑轮产生水平偏航运动。

Claims (4)

1.一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，其特征在于：包括有由两U形夹关节头、双水平连杆、机械臂筒体组成平行四边连杆机构以及与其配合的俯仰驱动杆、偏航驱动器和偏航驱动滑轮，所述两U形夹关节头均为开口水平且底彼此相对的U形结构，所述U形关节头底部分别设置有上、下两个铰接孔，上铰接孔之间连接有两个水平连杆，下铰接孔之间连接有轴线水平的机械臂筒体，所述机械臂筒体内设有沿四边连杆机构对角线方向上的俯仰驱动器，所述俯仰驱动器的一端与其中一个U形夹关节头上铰接孔及双水平连杆共同铰接在一起，且其下方的机械臂筒体内安装有偏航驱动器，所述偏航驱动器通过钢丝绳与其对应端固定在U形夹上的偏航驱动滑轮联接，所述俯仰驱动器的另一端与另一个U形夹关节头下铰接孔及机械臂筒体共同铰接在一起。

2.根据权利要求1所述的一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，其特征在于：所述的俯仰驱动器为可伸缩的杆体结构，其由驱动段、伸缩段和从动段三段组成，所述伸缩段为波纹管，其与两端的驱动段和从动段之间通过法兰固定连接，所述驱动段、伸缩段和从动段组成一个相互连通且密封的腔体结构，所述驱动段对应的腔体内部依次布置有电机制动器、微型高温电机、减速器、柔性联轴器、组合轴承以及转动安装在组合轴承内且与柔性联轴器连接的行星滚柱丝杠端部，所述行星滚柱丝杠穿过伸缩段的波纹管，且伸出端与从动段腔体内的螺母转动配合，所述电机通过减速器、柔性联轴器驱动行星滚柱丝杠与螺母啮合，使行星滚柱丝杠在从动腔体内的丝杠行程槽中运行，所述从动段的俯仰驱动器外端部连接有刚性联接杆。

3.根据权利要求1所述的一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，其特征在于：所述的偏航驱动器包括有驱动器密封盒，所述驱动器密封盒内一端设置有两根平行放置的行星滚柱丝杠，且两行星滚柱丝杠的螺旋方向相反，所述两行星滚柱丝杠均位于驱动器密封盒的两侧，且其一端均伸出驱动器密封盒外，所述两行星滚柱丝杠上分别旋合有与其配合的螺母，所述螺母上套装有齿轮，所述齿轮与安装在驱动器密封盒中部的电机及减速器驱动输出端的齿轮啮合，所述驱动器密封盒内另一端设置有与丝杠对应的钢丝绳，所述钢丝绳的一端与丝杠端部通过丝杠联接头连接，且钢丝绳外套装有波纹管，所述波纹管一端与丝杠联接头连接，另一端与驱动器密封盒的端盖连接，所述钢丝绳的另一端伸出驱动器密封盒外，且均环绕在偏航驱动滑轮上。

4.根据权利要求3所述的一种用于EAST装置的铰链式双自由度模块化机械臂，其特征在于：所述的驱动器密封盒一端外设有用于保护丝杠且分别与两丝杠对应的丝杠轴套，另一端外设有用于卡装固定方便钢丝绳输送的驱动器安装法兰。