CN115284257A - 一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及协作机器人技术领域，提供一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，通过设置若干个内部设有空腔的模块化关节与臂杆依据预设要求依次密封连接；通过模块化关节设置第一连接端与端盖间隙配合及设置的密封圈，实现了端盖与关节壳体的动态密封连接，通过设置的第二连接端与端盖或臂杆实现静态密封固连，机械臂实现了灵活密封性。通过在机械臂的端部装有进气单元、泄压单元及控制器，保持在正常工作状况下的机械臂内部的空气或惰性气体的气压始终在阈值范围内，高于外部环境气压，能阻止外部爆炸性混合物的进入；该气密式防爆机械臂不仅结构简单、重量轻、成本低、与人进行交互精准度高，而且实现在油气环境下使用的安全性。

Description

一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂

技术领域

本发明涉及协作机器人技术领域，特别涉及一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂。

背景技术

当前智能机器人领域得到前所未有的发展，机器替代人力完成简单、重复的工作在各行业中已逐渐普及，特别在危险的环境中，机器人更是发挥重要的作用。在油气工作环境中，现有机械臂的常规防爆手段为隔爆设计，隔爆设计指的是依据GB 3836.2-2010，将机械臂使用隔爆外壳“d”保护起来。隔爆外壳“d”是电气设备的一种防爆形式，其厚重的外壳能够承受通过外壳任何接合面或结构间隙进入外壳内部的爆炸性混合物在内部爆炸而不损失，并且不会引起外部由一种、多种气体或蒸汽形成的爆炸性气体环境的点燃。但隔爆型外壳设计缺点在于成本高、能耗高、负载自重比低，且由于机械臂重量大而导致惯性大，不适用于需要与人进行交互的应用场景。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，通过设置若干个内部设有容纳空间的模块化关节与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接，形成内部通过容纳的空气或惰性气体形成压力始终大于外部环境压力的正压机械臂，从而实现在油气环境下使用的安全性。通过所述模块化关节设有的关节壳体沿轴线方向的一端设置第一连接端、在对应端密封固连关节后盖及侧壁垂直于所述轴线设置第二连接端；且所述第一连接端与端盖间隙配合，通过设置的密封圈，实现所述端盖与所述关节壳体的动态密封；通过第二连接端设有若干连接孔及连接平面，所述连接平面上设有密封圈，使得第二连接端与所述端盖或臂杆实现静态密封固连，即依据预设要求实现灵活且密封的机械臂；通过在机械臂的端部装有进气单元、泄压单元及控制器，保持在正常工作状况下的机械臂内部气压始终在阈值范围内，高于外部环境气压，能阻止外部爆炸性混合物的进入；该气密式防爆机械臂不仅结构简单、重量轻、成本低、与人进行交互精准度高，而且实现在油气环境下使用的安全性。

本发明提供的具体技术方案如下：

一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，包括模块化关节，若干个所述模块化关节与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接；所述模块化关节包括内部形成容纳空间的关节壳体及沿所述关节壳体中心线设置的旋转转轴，所述关节壳体包括沿轴线方向的一端设置的第一连接端、在对应端密封固连的关节后盖及侧壁垂直于所述轴线设置的第二连接端，所述第一连接端与所述第二连接端均与相邻部件密封连接，还包括连接于机械臂的进气单元及泄压单元，以控制贯通于所述机械臂内的气压始终保持在阈值范围内。

在一些实施例中，所述关节壳体内还固装有电机、谐波减速机、制动器、编码器、电机驱动器；所述转轴包括同轴套装的位于外部的高速轴及位于内部的低速轴；所述谐波减速机包括刚轮、柔轮和凸轮，所述刚轮固定在所述关节壳体内并与所述高速轴同轴，所述凸轮与所述高速轴同轴且相对固定设置，所述柔轮与所述低速轴同轴且相对固定设置；所述编码器包括分别连接所述高速轴、所述低速轴的高速轴编码器、底速轴编码器，均与固装在所述关节后盖上的电机驱动器相连。

在一些实施例中，所述机械臂的底部设有底座，所述底座与所述模块化关节间密封紧固连接，所述底座与泄压单元连接，依据所测的机械臂内的气压与阈值比对，实时控制所述泄压单元的泄气开关。

在一些实施例中，所述机械臂的末端属具连接法兰处设有进气开关，所述进气开关密封连接有高压充气设备，使得高压气流由所述机械臂的末端流入底端。

在一些实施例中，所述第一连接端设有第一圆形开口，所述第一圆形开口内壁与嵌装在内的端盖间隙配合，所述端盖外圆周壁上套装有密封圈，实现所述端盖与所述第一连接端间的密封，且所述端盖固装在所述柔轮的外侧，与所述低速轴端部固连，实现所述端盖与所述关节壳体的动态密封。

在一些实施例中，所述端盖沿所述轴线方向分别设置第一连接圆柱与第二连接圆柱，所述第一连接圆柱的外圆周壁与所述第一圆形开口内壁间隙配合；所述第二连接圆柱包括若干螺纹孔和接合端面，所述接合端面与相邻部件通过密封圈密封连接，实现所述端盖与所述相邻部件的静态密封，所述相邻部件包括所述模块化关节或所述臂杆。

在一些实施例中，所述第二连接端设有第二圆形开口、若干连接孔及连接平面，所述连接平面上设有用于放置密封圈的凹槽，使得所述第二连接端与所述第二连接圆柱或所述臂杆静态密封固连。

在一些实施例中，所述臂杆包括中部通孔、连接端部，所述连接端部设有用于紧固连接的若干螺纹孔及端部连接平面，所述端部连接平面与所述模块化关节设有的连接平面通过密封圈实现静态密封固连。

在一些实施例中，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与所述机械臂设置的进气单元、泄压单元连接，依据预设指令执行相应动作，使得当需要进气时，开启所述进气单元设有的进气开关，当所述机械臂内部气体压力高于预设阈值0.05～0.2Mpa时，控制所述泄压单元设有的泄气开关卸出多余压力。

在一些实施例中，所述机械臂内部气体包括空气或惰性气体。

需要说明的是：密封腔体内安装的旋转密封件包括不限于O型圈、星型圈、格莱圈，所述密封腔体与密封件的良好配好，可以具备阻隔包括气体、液体、尘土等介质通过的能力。

有益效果为：

本发明提供一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，通过设置若干个内部设有容纳空间的模块化关节与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接，形成内部通过容纳的空气或惰性气体形成压力始终大于外部环境压力的正压机械臂，从而实现在油气环境下使用的安全性。通过所述模块化关节设有的关节壳体沿轴线方向的一端设置第一连接端、在对应端密封固连关节后盖及侧壁垂直于所述轴线设置第二连接端；且所述第一连接端与端盖间隙配合，通过设置的密封圈，实现所述端盖与所述关节壳体的动态密封；通过第二连接端设有若干连接孔及连接平面，所述连接平面上设有密封圈，使得第二连接端与所述端盖或臂杆实现静态密封固连，即依据预设要求实现灵活且密封的机械臂；通过在机械臂的端部装有进气单元、泄压单元及与控制器通信连接，保持在正常工作状况下的机械臂内部气压始终在阈值范围内，高于外部环境气压，能阻止外部爆炸性混合物的进入；该气密式防爆机械臂不仅结构简单、重量轻、成本低、与人进行交互精准度高，而且实现在油气环境下使用的安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

在附图中：

图1是本发明实施例技术方案结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一个模块化关节与谐波钢轮端盖连接结构示意图；

图3是图1中A处放大剖视图；

图4是图1中B处放大剖视图；

图5是图1中C处放大剖视图；

图6是本发明实施例提供的谐波钢轮端盖技术方案结构示意图。

图中：

模块化关节1；谐波钢轮端盖11；动密封腔体111；螺栓孔112；连接孔113；第一连接圆柱114；第二连接圆柱115；接合端面116；端盖内通孔117；关节壳体12；第一连接端121；第二连接端122；关节后盖123；后盖凹槽124；密封腔体125；第一圆形开口126；第二圆形开口127；第二接合端面128；紧固件13；O型密封圈14；内腔15；低速轴151；谐波减速机152；电机153；制动器154；高速轴编码器155；底速轴编码器156；电机驱动器157；高速轴158；控制器100；第一臂杆2；第一臂杆通孔21；弯头臂杆3；弯头通孔31；弯头连接端面32；第二臂杆4；第二臂杆通孔41；属具连接法兰5；泄压单元6；泄气开关61；底座7；进气单元8；进气开关81；检测器82；格莱圈9。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量；“若干个”指不少于两个；说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

如图1－图6，本发明提供的技术方案：

一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，包括模块化关节1，若干个含内通腔15的所述模块化关节1与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接；所述模块化关节1包括内部形成可容纳的内腔15的关节壳体12及沿所述关节壳体12中心线设置的旋转转轴，所述关节壳体12包括沿轴线方向的一端设置的第一连接端121、在对应端设置后盖密封端及侧壁垂直于所述轴线设置的第二连接端122，所述第一连接端121与所述第二连接端122均与相邻部件密封连接，还包括安装在机械臂的底座7上的泄气开关62、安装在机械臂末端的进气开关81及控制器100，控制器100依据预设阈值控制进气开关81、泄气开关62执行相应动作，使所述机械臂内部的气压始终保持在阈值范围内，以阻止外部爆炸性混合物的进入，确保机械臂在油气环境下工作的安全性。

如图1－图6，本发明提供的优选实施例：

一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，包括模块化关节1，若干个含内通腔15的所述模块化关节1与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接；机械臂的底部安装有底座7，在底座7上安装有泄压单元6，所述泄压单元6设有使机械臂内多余气体排出的泄气开关61；机械臂的末端的属具连接法兰5上安装有进气单元8，所述进气单元8包括用于控制高压气泵(图中未示出)的高压气体进入机械臂的进气开关81及用于实时监测气压的检测器82；还包括控制器100，所述控制器100依据预设阈值及气压检测值控制进气开关81、泄气开关61分别执行开、关动作。

所述模块化关节1包括内部形成可容纳的内腔15的关节壳体12，内腔15中沿所述关节壳体12中心线安装有旋转转轴，所述转轴包括沿所述中心线同轴套装的位于外部的高速轴158及位于内部的低速轴151；所述关节壳体12内还固装有电机153、谐波减速机152、制动器154、高速轴编码器155、底速轴编码器156、电机驱动器157，其中，电机153包括电机定子和电机转子，所述电机定子固定在所述关节壳体12内壁上，所述电机转子与所述电机定子耦合；所述谐波减速机152包括刚轮、柔轮和凸轮，所述刚轮固定在所述关节壳体12内壁上并与所述高速轴158同轴，所述凸轮与所述高速轴158同轴且相对固定设置，所述柔轮与所述低速轴151同轴且相对固定设置；所述编码器包括分别连接所述高速轴158、所述低速轴151的高速轴编码器155、底速轴编码器156，电机驱动器157通过螺纹紧固件固定安装在关节后盖123上，高速轴编码器155将模块化关节1的谐波减速机152测得的当前角度值及底速轴编码器156测得的电机153的当前角度值均传输至电机驱动器157，电机驱动器157驱动电机153旋转，从而控制模块化关节1完成转动。

所述关节壳体12包括沿轴线方向的一端设置的第一连接端121、在对应端设置后盖密封端及侧壁垂直于所述轴线设置的第二连接端122。

所述后盖密封端包括含空腔的关节后盖123及连接平面上设有的后盖凹槽124，及安装在后盖凹槽124内的O型密封圈14，关节后盖123的连接平面与关节壳体12设有的连接面通过紧固件13贴合连接，通过O型密封圈14实现静态密封；所述第一连接端121与所述第二连接端122均与相邻部件密封连接，使所述机械臂内部的气压始终保持在阈值范围内，以阻止外部爆炸性混合物的进入，确保机械臂在油气环境下工作的安全性。

在示例中，所述第一连接端121设有第一圆形开口126，所述第一圆形开口126的内壁与嵌装在内的谐波钢轮端盖11的圆形外周壁设有间隙，所述谐波钢轮端盖11外圆周壁上设有动密封腔体111，动密封腔体111内套装有格莱圈9，实现所述谐波钢轮端盖11与所述第一圆形开口126的内壁实现密封，由于所述谐波钢轮端盖11固装在所述柔轮的外侧，与所述低速轴151端部通过紧固件13固连，因此，实现了所述谐波钢轮端盖11与所述关节壳体12间的动态密封。

所述谐波钢轮端盖11沿轴线方向分别设置第一连接圆柱114与第二连接圆柱115，所述第一连接圆柱114的外圆周壁与所述第一连接端121设有第一圆形开口126内壁间隙配合，所述第一连接圆柱114的外圆周壁上设有动密封腔体111，内装有格莱圈9与关节壳体12实现动态密封；所述第二连接圆柱115包括若干连接孔113和接合端面116，与模块化关节1的第二连接端122密封紧固连接。

所述第二连接端122设有第二圆形开口127、若干连接孔及第二接合端面128，所述第二接合端面128上设有用于放置O型密封圈14的密封腔体125，当所述第二连接端122的所述第二接合端面128与所述第二连接圆柱115的接合端面116贴合时，通过插入螺栓孔112中的紧固件13紧固连接，通过O型密封圈14实现静态密封。

所述模块化关节1的第二连接端122与通过O型密封圈14实现与第二臂杆4的静态密封连接，所述第二臂杆4设有第二臂杆通孔41，如图5。

所述模块化关节1的第一连接端121与谐波钢轮端盖11的第一连接圆柱114实现动态密封连接，通过谐波钢轮端盖11的第二连接圆柱115与弯头臂杆3的弯头连接端面32经O型密封圈14及紧固件实现静态密封连接，弯头臂杆3设有的弯头通孔31与模块化关节1的内腔15、谐波钢轮端盖11的端盖内通孔117相连通。第二连接端122设有的第二接合端面128与第一臂杆2设有的连接端面通过紧固件13紧固连接，且第二接合端面128上的密封腔体125内装有O型密封圈14，实现两端面间的静态密封，第一臂杆通孔21与模块化关节1的内腔15相通。

在示例中，所述机械臂的底部设有底座7，所述底座7与所述模块化关节1间通过谐波钢轮端盖11连接，所述底座7与谐波钢轮端盖11设有的第二连接圆柱115通过紧固件13及O型密封圈14紧固静态密封连接，所述底座7设有与所述泄压单元6密封连接的泄气开关61；所述机械臂的末端的属具连接法兰5密封安装有进气单元8，所述进气单元8内还设有检测器82及进气开关81，所述进气单元8与高压充气设备(图中未示出)相连，检测器82用于实时监测机械臂内腔的气体压力。

总之，机械臂的密封位置为：模块化关节1与底座7通过谐波钢轮端盖11形成的静态密封连接、模块化关节1通过第一连接端121与谐波钢轮端盖11形成的动态密封连接、通过第二连接端122与谐波钢轮端盖11或臂杆间形成静态密封连接，分别通过静态密封连接、动态密封连接实现机械臂的内部腔室的空气或惰性气体与外部隔绝，既保障了内部压力不产生泄露，又满足了模块化关节1的自由转动，满足工作需要。

机械臂还包括控制器100，所述控制器100与所述机械臂设置的所述进气单元8、所述泄压单元6连接，依据预设指令执行相应动作，当需要进气时，控制器100开启进气开关81及高压充气设备，使空气或惰性气体进入机械臂的内部腔室，首先扫除内部可能存在的可燃气体，再进行充气，当检测器82监测机械臂内部气体压力高于预设阈值0.05～0.2Mpa时，控制所述泄气开关62卸出多余压力，保持在正常工作状况下的机械臂内部气压始终在阈值范围内，高于外部环境气压，能阻止外部爆炸性混合物的进入；该气密式防爆机械臂不仅结构简单、重量轻、成本低、与人进行交互精准度高，而且实现在油气环境下使用的安全性。

需要说明的是：密封腔体内安装的旋转密封件包括不限于O型圈、星型圈、格莱圈，所述密封腔体与密封件的良好配好，可以具备阻隔包括气体、液体、尘土等介质通过的能力。

上述说明示出并描述了本申请的优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用于油气环境的气密式防爆机械臂，包括模块化关节，其特征在于：若干个所述模块化关节与内部设有通孔的臂杆依据预设要求依次密封连接；所述模块化关节包括内部形成容纳空间的关节壳体及沿所述关节壳体中心线设置的旋转转轴，所述关节壳体包括沿轴线方向的一端设置的第一连接端、在对应端密封固连的关节后盖及侧壁垂直于所述轴线设置的第二连接端，所述第一连接端与所述第二连接端均与相邻部件密封连接，还包括连接于机械臂的进气单元及泄压单元，以控制贯通于所述机械臂内的气压始终保持在阈值范围内。

2.根据权利要求1所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述关节壳体内还固装有电机、谐波减速机、制动器、编码器、电机驱动器；

所述转轴包括同轴套装的位于外部的高速轴及位于内部的低速轴；

所述谐波减速机包括刚轮、柔轮和凸轮，所述刚轮固定在所述关节壳体内并与所述高速轴同轴，所述凸轮与所述高速轴同轴且相对固定设置，所述柔轮与所述低速轴同轴且相对固定设置；

所述编码器包括分别连接所述高速轴、所述低速轴的高速轴编码器、底速轴编码器，均与固装在所述关节后盖上的电机驱动器相连。

3.根据权利要求2所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述机械臂的底部设有底座，所述底座与所述模块化关节间密封紧固连接，所述底座与泄压单元连接，依据所测的机械臂内的气压与阈值比对，实时控制所述泄压单元的泄气开关。

4.根据权利要求3所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述机械臂的末端属具连接法兰处设有进气开关，所述进气开关密封连接有高压充气设备，使得高压气流由所述机械臂的末端流入底端。

5.根据权利要求2所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述第一连接端设有第一圆形开口，所述第一圆形开口内壁与嵌装在内的端盖间隙配合，所述端盖外圆周壁上套装有密封圈，实现所述端盖与所述第一连接端间的密封，且所述端盖固装在所述柔轮的外侧，与所述低速轴端部固连，实现所述端盖与所述关节壳体的动态密封。

6.根据权利要求5所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述端盖沿所述轴线方向分别设置第一连接圆柱与第二连接圆柱，所述第一连接圆柱的外圆周壁与所述第一圆形开口内壁间隙配合；所述第二连接圆柱包括若干螺纹孔和接合端面，所述接合端面与相邻部件通过密封圈密封连接，实现所述端盖与所述相邻部件的静态密封，所述相邻部件包括所述模块化关节或所述臂杆。

7.根据权利要求6所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述第二连接端设有第二圆形开口、若干连接孔及连接平面，所述连接平面上设有用于放置密封圈的凹槽，使得所述第二连接端与所述第二连接圆柱或所述臂杆静态密封固连。

8.根据权利要求7所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述臂杆包括中部通孔、连接端部，所述连接端部设有用于紧固连接的若干螺纹孔及端部连接平面，所述端部连接平面与所述模块化关节设有的连接平面通过密封圈实现静态密封固连。

9.根据权利要求1至8任一项所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：还包括控制器，所述控制器与所述机械臂设置的进气单元、泄压单元连接，依据预设指令执行相应动作，使得当需要进气时，开启所述进气单元设有的进气开关，当所述机械臂内部气体压力高于预设阈值0.05～0.2Mpa时，控制所述泄压单元设有的泄气开关卸出多余压力。

10.根据权利要求9所述的适用于油气环境的气密式防爆机械臂，其特征在于：所述机械臂内部气体包括空气或惰性气体。

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