CN117245688A - 一种耐辐照六自由度机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐辐照六自由度机械臂，属于机械臂技术领域，该高精度耐辐照六自由度机械臂包括底座组件，所述底座组件的上表面传动连接有第一肩关节模组，所述第一肩关节模组的外表面传动连接有第二肩关节模组。该高精度耐辐照六自由度机械臂，通过第一肩关节模组、第二肩关节模组、肘关节模组、第一腕关节模组、第二腕关节模组、第三腕关节模组和防辐射后盖组件的设置，每个关节模组的内部结构相似，与机械臂组合后可完成各种复杂的指令，动作精度高，防辐射后盖组件在关节模组的非输出端起着加固辐射屏蔽的作用，每一个关节模组内均选用耐辐照的电子元器件及驱动元件，并对其进行物理屏蔽，提高每个模组的耐辐照性能。
Description
技术领域
本发明属于机械臂技术领域，具体涉及一种耐辐照六自由度机械臂。
背景技术
机械臂是模仿人手的一种机械设备，因其高灵活性和多自由度的特点而被广泛应用到生产生活之中，能利用其辅助或代替人工完成一些任务，提高工作效率。
现有的机械臂大多数不具备耐辐照特性，且载荷能力一般较小，控制精度不高，无法在核环境下长时间高精度作业。公开号为CN114083525A，名称为一种耐辐射机械臂及机器人的中国发明专利，其使用的关节编码器为机械式绝对值编码器，无法做到高精度控制，且驱动器均设置在机械臂底座，存在电磁干扰问题；公开号为CN214446398U，名称为一种水下耐高辐照机械臂关节结构的中国实用新型专利，其仅将传感器换成耐辐照型的，并没有考虑机械臂外壳的辐射屏蔽和电子元器件的冗余备份；公开号为CN106782730A，名称为一种耐辐照动力机械手的中国发明专利，其将控制系统设置于屏蔽墙体之外，但并未强调对机械手本体的辐射屏蔽设计；公开号为CN108262764A，名称为一种耐辐射机械臂的中国发明专利，其在关节臂中采用备用伺服电机，但未安装相应的编码器，属于开环控制，作业精度难以保证，同时也未考虑辐射对其他电子元器件的损伤；公开号为CN114274153A，名称为一种具有耐辐照功能的液压动力机械手的中国发明专利，其仅针对夹持机构和缓冲支撑机构进行创新，并未考虑到机械手的耐辐照设计。
在处理核设施退役领域中，由于核设施长期处于放射性环境中，核废料上也存在着大量的放射性物质，负责检修和维护的工作人员、机械设备将受到辐照损伤，因此，开发一套高精度耐辐照六自由度机械臂辅助或代替人工完成相应的工作变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐辐照六自由度机械臂，旨在解决现有技术中工作人员和机械设备受到辐照损伤的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种耐辐照六自由度机械臂，包括底座组件，所述底座组件的上表面传动连接有第一肩关节模组，所述第一肩关节模组的外表面传动连接有第二肩关节模组，所述第二肩关节模组的上表面传动连接有大臂连杆，所述大臂连杆的一端传动连接有肘关节模组，所述肘关节模组的外表面传动连接有小臂连杆，所述小臂连杆的一端传动连接有第一腕关节模组，所述第一腕关节模组的外表面传动连接有第二腕关节模组，所述第二腕关节模组的上表面传动连接有第三腕关节模组，所述第三腕关节模组的一端固定连接有末端法兰，所述第一肩关节模组、第二肩关节模组、肘关节模组、第一腕关节模组、第二腕关节模组和第三腕关节模组均包括铝合金外壳，所述铝合金外壳的非输出端安装有防辐射后盖组件。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到提高了负载能力的效果，作为本发明一种优选的，所述铝合金外壳内侧面的边缘处固定连接有输出法兰，所述输出法兰的内部螺纹连接有输出反馈空心轴，所述输出反馈空心轴的一端固定连接有谐波减速器，所述谐波减速器的外表面固定连接有关节驱动电机。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到进一步提高机械臂整体的耐辐照性能的效果，作为本发明一种优选的，所述关节驱动电机外表面的中部固定连接有旋转变压器，所述旋转变压器外表面的中部固定连接有制动器，所述关节驱动电机外表面的边缘处固定连接有抱闸固定件，所述抱闸固定件外表面的一侧通过螺柱螺纹连接有驱动器安装板，所述驱动器安装板外表面的一侧固定连接有驱动器，所述驱动器安装板外表面的另一侧固定连接有驱动器选择电路板，所述抱闸固定件外表面的另一侧通过螺柱螺纹连接有编码器安装板，所述编码器安装板的外表面固定连接有编码器，所述编码器与关节驱动电机同轴。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到提高每个模组的控制精度的效果，作为本发明一种优选的，所述旋转变压器和编码器用于反馈关节驱动电机的旋转位置，所述编码器为光电绝对值编码器。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到连接连接传动的效果，作为本发明一种优选的，所述第一肩关节模组与底座组件传动连接，所述第二肩关节模组与第一肩关节模组传动连接，所述大臂连杆分别与第二肩关节模组和肘关节模组传动连接，所述小臂连杆分别与肘关节模组和第一腕关节模组传动连接，所述第二腕关节模组分别与第一腕关节模组和第三腕关节模组传动连接。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到加强连接密封性的效果，作为本发明一种优选的，所述铝合金外壳与底座组件、关节模组的连接处均安装有胶圈和滑环。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到使得机械臂整体性高的效果，作为本发明一种优选的，所述大臂连杆呈直管状，所述小臂连杆呈L型管状，所述小臂连杆包括弯头和小臂杆，所述小臂杆呈直管状。
为了使得该一种耐辐照六自由度机械臂达到加固辐射屏蔽的作用，作为本发明一种优选的，所述防辐射后盖组件包括防辐射后盖，所述防辐射后盖的内底壁屏蔽铅板，所述屏蔽铅板的外表面固定连接有压板。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该高精度耐辐照六自由度机械臂，通过第一肩关节模组、第二肩关节模组、肘关节模组、第一腕关节模组、第二腕关节模组、第三腕关节模组和防辐射后盖组件的设置，每个关节模组的内部结构相似，与机械臂组合后可完成各种复杂的指令，结构连接紧凑，可操作性好，动作精度高，防辐射后盖组件在关节模组的非输出端起着加固辐射屏蔽的作用，用模块化设计，每一个关节模组内均选用耐辐照的电子元器件及驱动元件，并对其进行物理屏蔽，提高每个模组的耐辐照性能。
2、该高精度耐辐照六自由度机械臂，通过旋转变压器、编码器、驱动器和驱动器选择电路板的设置，采用旋转变压器和高分辨率的光电绝对值编码器来闭环控制每个关节模组，提高每个模组的控制精度；采用双模冗余模式，在第一肩关节模组、第二肩关节模组上做了驱动器的冷备份，并安装有驱动器选择电路板，可在一块驱动器性能下降后切换至另一块驱动器上继续工作，进一步提高机械臂整体的耐辐照性能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的主视结构示意图；
图2为本发明中的其中一个肩关节模组结构示意图；
图3为本发明中的小臂连杆结构示意图；
图4为本发明中的防辐射后盖结构示意图。
图中：101、底座组件；102、第一肩关节模组；103、第二肩关节模组；104、大臂连杆；105、肘关节模组；106、小臂连杆；107、第一腕关节模组；108、第二腕关节模组；109、第三腕关节模组；110、末端法兰；201、输出反馈空心轴；202、输出法兰；203、谐波减速器；204、关节驱动电机；205、抱闸固定件；206、驱动器安装板；207、驱动器；208、防辐射后盖组件；209、编码器；210、编码器安装板；211、驱动器选择电路板；212、铝合金外壳；213、制动器；214、旋转变压器；301、弯头；302、小臂杆；401、防辐射后盖；402、压板；403、屏蔽铅板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
请参阅图1-4，本发明提供以下技术方案：一种耐辐照六自由度机械臂，包括底座组件101，底座组件101的上表面传动连接有第一肩关节模组102，第一肩关节模组102的外表面传动连接有第二肩关节模组103，第二肩关节模组103的上表面传动连接有大臂连杆104，大臂连杆104的一端传动连接有肘关节模组105，肘关节模组105的外表面传动连接有小臂连杆106，小臂连杆106的一端传动连接有第一腕关节模组107，第一腕关节模组107的外表面传动连接有第二腕关节模组108，第二腕关节模组108的上表面传动连接有第三腕关节模组109，第三腕关节模组109的一端固定连接有末端法兰110，第一肩关节模组102、第二肩关节模组103、肘关节模组105、第一腕关节模组107、第二腕关节模组108和第三腕关节模组109均包括铝合金外壳212，铝合金外壳212的非输出端安装有防辐射后盖组件208。
在本发明的具体实施例中，通过第一肩关节模组102、第二肩关节模组103、肘关节模组105、第一腕关节模组107、第二腕关节模组108、第三腕关节模组109和防辐射后盖组件208的设置，底座组件101包括底座和插接头，第一肩关节模组102的输出法兰202与底座的上部固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封；第二肩关节模组103的输出法兰202与第一肩关节模组102的外壳固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封；大臂连杆104的一端与第二肩关节模组103的外壳固定连接，大臂连杆104的另一端与肘关节模组105的外壳固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封，弯头301的较大一端与肘关节模组105的输出法兰202固定连接，弯头301的较小一端与小臂连杆106的一端固定连接，小臂连杆106的另一端与第一腕关节模组107的外壳固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封，第一腕关节模组107的输出法兰202与第二腕关节模组108的外壳固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封，所第二腕关节模组108的输出法兰202与第三腕关节模组109的外壳固定连接，连接处通过滑环减小阻力，并利用胶圈进行密封，第三腕关节模组109的输出法兰202与快换组件固定连接；每个关节模组的内部结构相似，与机械臂组合后可完成各种复杂的指令，结构连接紧凑，可操作性好，动作精度高，防辐射后盖组件208在关节模组的非输出端起着加固辐射屏蔽的作用，用模块化设计，每一个关节模组内均选用耐辐照的电子元器件及驱动元件，并对其进行物理屏蔽，提高每个模组的耐辐照性能。
具体的，铝合金外壳212内侧面的边缘处固定连接有输出法兰202，输出法兰202的内部螺纹连接有输出反馈空心轴201，输出反馈空心轴201的一端固定连接有谐波减速器203，谐波减速器203的外表面固定连接有关节驱动电机204。
本实施例中：通过谐波减速器203的设置，谐波减速器203的两端分别与输出法兰202和谐波输入件通过螺纹等方式固定连接；谐波输入件与电机输出件通过螺纹等方式固定连接；电机输出件为一阶梯轴形状，关节驱动电机204装配在电机输出件上带动输出件转动；电机输出件的另一轴段上安装有旋转变压器214、抱闸固定件205、制动器213，节省了大量冗余结构，使关节模组以更紧凑的结构进行传动，受力更加平衡，提高了负载能力，增强结构稳定性。
具体的，关节驱动电机204外表面的中部固定连接有旋转变压器214，旋转变压器214外表面的中部固定连接有制动器213，关节驱动电机204外表面的边缘处固定连接有抱闸固定件205，抱闸固定件205外表面的一侧通过螺柱螺纹连接有驱动器安装板206，驱动器安装板206外表面的一侧固定连接有驱动器207，驱动器安装板206外表面的另一侧固定连接有驱动器选择电路板211，抱闸固定件205外表面的另一侧通过螺柱螺纹连接有编码器安装板210，编码器安装板210的外表面固定连接有编码器209，编码器209与关节驱动电机204同轴。
本实施例中：通过驱动器选择电路板211和驱动器207的设置，采用双模冗余模式，在所有的第一肩关节模组102、第二肩关节模组103上做了驱动器207的冷备份，并安装有驱动器选择电路板211，在一块驱动器207性能下降后，启用驱动器选择电路板211的功能，切换至另一块备用的驱动器207上继续工作，进一步提高机械臂整体的耐辐照性能，采用旋转变压器214和高分辨率的光电绝对值编码器209来闭环控制每个关节模组，提高每个模组的控制精度。
具体的，旋转变压器214和编码器209用于反馈关节驱动电机204的旋转位置，编码器209为光电绝对值编码器。
本实施例中：旋转变压器214和编码器209可用于获取关节驱动电机204的转动位置，从而实现闭环控制，提高控制精度，与其他类型编码器相比，光电编码器的分辨率最高，而旋转变压器214的耐辐照效果最好，因此可以提高闭环控制的精度和耐辐照性能。
具体的，第一肩关节模组102与底座组件101传动连接，第二肩关节模组103与第一肩关节模组102传动连接，大臂连杆104分别与第二肩关节模组103和肘关节模组105传动连接，小臂连杆106分别与肘关节模组105和第一腕关节模组107传动连接，第二腕关节模组108分别与第一腕关节模组107和第三腕关节模组109传动连接。
本实施例中：第一肩关节模组102的输出法兰202与底座铝合金外壳的上部连接，第二肩关节模组103的输出法兰202与第一肩关节模组102的铝合金外壳212连接，大臂连杆104的两端分别与第二肩关节模组103的铝合金外壳212和肘关节模组105的铝合金外壳212连接，小臂连杆106的两端分别与肘关节模组105的输出法兰202和第一腕关节模组107的铝合金外壳212连接，第一腕关节模组107的输出法兰202与第二腕关节模组108的铝合金外壳212连接，第二腕关节模组108的输出法兰202与第三腕关节模组109的铝合金外壳212连接，第三腕关节模组109的输出法兰202为末端法兰110，可与快换组件连接，快换组件包括ATI快换装置和视觉系统等末端工具。
具体的，铝合金外壳212与底座组件101、关节模组的连接处均安装有胶圈和滑环。
本实施例中：通过胶圈和滑环的设置，胶圈起到密封作用，滑环可以减小关节模组转动时的阻力。
具体的，大臂连杆104呈直管状，小臂连杆106呈L型管状，小臂连杆106包括弯头301和小臂杆302，小臂杆302呈直管状。
本实施例中：通过弯头301和小臂杆302的设置，大臂连杆104和小臂连杆106均为管状结构，使得机械臂整体性高，结构紧凑，外形整洁，小臂杆302的一端与弯头301的一端通过螺纹连接等方式实现连接。
具体的，防辐射后盖组件208包括防辐射后盖401，防辐射后盖401的内底壁屏蔽铅板403，屏蔽铅板403的外表面固定连接有压板402。
本实施例中：通过防辐射后盖401、压板402和屏蔽铅板403的设置，屏蔽铅板403采用高原子序数的金属制成，屏蔽铅板403夹在防辐射后盖401和压板402之间，屏蔽铅板403、压板402均可通过焊接等方式与防辐射后盖401连接，防辐射后盖组件208在关节模组的非输出端起着加固辐射屏蔽的作用。
该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。
本发明的工作原理及使用流程：该一种耐辐照六自由度机械臂在使用时，第一肩关节模组102、第二肩关节模组103、肘关节模组105、第一腕关节模组107、第二腕关节模组108、第三腕关节模组109通过大臂连杆104和小臂连杆106组合完成各种复杂的指令，谐波减速器203使关节模组以更紧凑的结构进行传动，提高负载能力，在所有的第一肩关节模组102、第二肩关节模组103上做了驱动器207的冷备份，并安装有驱动器选择电路板211，在一块驱动器207性能下降后，启用驱动器选择电路板211的功能，切换至另一块备用的驱动器207上继续工作，进一步提高机械臂整体的耐辐照性能，旋转变压器214和编码器209获取关节驱动电机204的转动位置，从而实现闭环控制，提高控制精度，屏蔽铅板403夹在防辐射后盖401和压板402之间，屏蔽铅板403、压板402均通过焊接等方式与防辐射后盖401连接，防辐射后盖组件208在关节模组的非输出端起着加固辐射屏蔽的作用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐辐照六自由度机械臂，包括底座组件(101)，其特征在于：所述底座组件(101)的上表面传动连接有第一肩关节模组(102)，所述第一肩关节模组(102)的外表面传动连接有第二肩关节模组(103)，所述第二肩关节模组(103)的上表面传动连接有大臂连杆(104)，所述大臂连杆(104)的一端传动连接有肘关节模组(105)，所述肘关节模组(105)的外表面传动连接有小臂连杆(106)，所述小臂连杆(106)的一端传动连接有第一腕关节模组(107)，所述第一腕关节模组(107)的外表面传动连接有第二腕关节模组(108)，所述第二腕关节模组(108)的上表面传动连接有第三腕关节模组(109)，所述第三腕关节模组(109)的一端固定连接有末端法兰(110)，所述第一肩关节模组(102)、第二肩关节模组(103)、肘关节模组(105)、第一腕关节模组(107)、第二腕关节模组(108)和第三腕关节模组(109)均包括铝合金外壳(212)，所述铝合金外壳(212)的非输出端安装有防辐射后盖组件(208)。
2.根据权利要求1所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述铝合金外壳(212)内侧面的边缘处固定连接有输出法兰(202)，所述输出法兰(202)的内部螺纹连接有输出反馈空心轴(201)。
3.根据权利要求2所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述输出反馈空心轴(201)的一端固定连接有谐波减速器(203)，所述谐波减速器(203)的外表面固定连接有关节驱动电机(204)。
4.根据权利要求3所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述关节驱动电机(204)外表面的中部固定连接有旋转变压器(214)，所述旋转变压器(214)外表面的中部固定连接有制动器(213)。
5.根据权利要求3所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述关节驱动电机(204)外表面的边缘处固定连接有抱闸固定件(205)，所述抱闸固定件(205)外表面的一侧通过螺柱螺纹连接有驱动器安装板(206)，所述驱动器安装板(206)外表面的一侧固定连接有驱动器(207)。
6.根据权利要求3所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述驱动器安装板(206)外表面的另一侧固定连接有驱动器选择电路板(211)，所述抱闸固定件(205)外表面的另一侧通过螺柱螺纹连接有编码器安装板(210)，所述编码器安装板(210)的外表面固定连接有编码器(209)，所述编码器(209)与关节驱动电机(204)同轴。
7.根据权利要求3所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述旋转变压器(214)和编码器(209)用于反馈关节驱动电机(204)的旋转位置，所述编码器(209)为光电绝对值编码器。
8.根据权利要求1所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述第一肩关节模组(102)与底座组件(101)传动连接，所述第二肩关节模组(103)与第一肩关节模组(102)传动连接，所述大臂连杆(104)分别与第二肩关节模组(103)和肘关节模组(105)传动连接，所述小臂连杆(106)分别与肘关节模组(105)和第一腕关节模组(107)传动连接，所述第二腕关节模组(108)分别与第一腕关节模组(107)和第三腕关节模组(109)传动连接。
9.根据权利要求1所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述铝合金外壳(212)与底座组件(101)、关节模组的连接处均安装有胶圈和滑环。
10.根据权利要求1所述的一种耐辐照六自由度机械臂，其特征在于：所述大臂连杆(104)呈直管状，所述小臂连杆(106)呈L型管状，所述小臂连杆(106)包括弯头(301)和小臂杆(302)，所述小臂杆(302)呈直管状。
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|---|---|---|---|
| CN202310826063.1A CN117245688A (zh) | 2023-07-06 | 2023-07-06 | 一种耐辐照六自由度机械臂 |
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