一種用於複雜環境的多關節機械臂的製作方法
2023-05-04 09:54:36
一種用於複雜環境的多關節機械臂的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於高溫真空等複雜環境的多關節機械臂，包括機械臂支座、鉸鏈式機械臂和快換接頭；機械臂支座底部與真空存儲艙的滑軌聯接，並為多關節維護機械臂提供支撐的支點，支座可以沿滑軌方向驅動機械臂前移和後退一段距離；鉸鏈式機械臂為多節圓管結構，每節機械臂之間通過模塊化的齒輪式驅動關節聯接在一起，每個驅動關節均有置於機械臂內部的相應高溫電機驅動；機械臂前端聯接有快插接頭，可快速更換不同功能的前端執行器；本發明結構簡單，重量輕，所有電子元件和驅動電機內置在機械臂內部，且做密封處理，有效地保護真空環境不受汙染，可以在不破壞真空環境的條件下，對真空室內部部件進行監測、探傷和修復。
【專利說明】-種用於複雜環境的多關節機械臂
【技術領域】
[0001] 本發明涉及機械臂領域，具體為一種用於複雜環境的多關節機械臂。
【背景技術】
[0002] 為了應對未來全球所面臨的能源危機問題，磁約束可控核聚變研究在世界範圍內 近年來一直是一個熱點，其中認可度較高的一種裝置稱為託卡馬克。託卡馬克裝置包含一 個用於聚變反應發生的環狀真空室，裝置運行期間，真空室第一壁部件由於處在高溫高真 空的複雜環境會有不同程度的損壞。以EAST上的經驗為例，即使是少量的更換維護，從打 開真空室到最終恢復到原實驗所要求的真空室狀態，一般至少要花費10天時間。若以一天 20萬元運行費用計算，則停機維護的代價即為200萬元及10天時間。為了提高裝置運行效 率，降低維護成本，先進的託卡馬克要求在不破壞高真空環境（l(T 6Pa)及150°C左右的環境 溫度的條件下，能夠在等離子體放電間隙對第一壁進行近距離觀測以及對損傷部件進行快 速維護。多關節柔性機械臂是為前端執行機構提供支撐的部件，針對於託卡馬克真空室的 高溫高真空並且幾何空間有限等環境特點，用於實時檢測和維護的多關節機械臂需要滿足 重量輕，靈活性好，機械臂前端執行器可快速更換，前端可達目標範圍足夠等要求。如此多 的苛刻要求，給多關節機械臂的整體設計提出了一個難題。目前國際上類似解決方案中有 法國Tore Supra的多關節內窺機械臂（AIA)，能夠在不破壞真空的條件下實現對真空室內 部部件單一的內窺功能，在真空室內部小部件的快速維護方面仍有待研究。而在現有的國 內機器人研究領域中，同樣難以找出一種可以用於目標環境的多關節柔性維護機械臂設計 方案。
[0003] 目前國內在多關機機械臂的【技術領域】已有一定的研究基礎，國內的研究機構和公 司都提出過較為成熟的設計方案，具有很高的應用價值。但是已有的機械臂設計方案很多 並沒有充分考慮有限空間尺寸和惡劣環境工況的影響，往往只專注於機械臂自身的結構或 驅動設計；更重要的是，國內現有的一些多關節臂設計大部分針對的是小尺寸的，短關節的 機械臂，而對於類似託卡馬克聚變堆中的大尺寸、多自由度(總長度l〇m以上，自由度10-15 個）的應用需求，則無法滿足。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種用於複雜環境的多關節機械臂，以滿足諸如託卡馬克真 空室等高溫真空環境下進行部件實時檢測、碎片拾取等操作的需求。
[0005] 為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為： 一種用於複雜環境的多關節鉸鏈式機械臂，包括有機械臂支座，其特徵在於：所述鉸 鏈式機械臂由多節圓管結構的機械臂依次一字連接構成，最末端機械臂連接在機械臂支座 上，相鄰機械臂之間通過模塊化的齒輪式驅動關節連接，每個齒輪式驅動關節分別與所連 接的兩相鄰機械臂內部設置的高溫電機傳動連接，由相鄰機械臂內的高溫電機驅動齒輪式 驅動關節，最前端機械臂臂端連接有快換接頭，快換接頭上安裝有前端執行器。
[0006] 所述的一種用於複雜環境的多關節機械臂，其特徵在於：所述齒輪式驅動關節包 括一對通過連接件連接的換向及減速齒輪箱，每個換向及減速齒輪箱內分別轉動安裝有電 機端換向錐齒輪、同軸的關節端換向錐齒輪和第一減速直齒輪、同軸的第二減速直齒輪和 第三減速直齒輪、同軸的第四減速直齒輪和第五減速直齒輪，以及通過關節軸轉動安裝的 關節嚙合直齒輪；兩換向及減速齒輪箱內電機端換向錐齒輪分別一一對應安裝在所連接的 相鄰兩機械臂內高溫電機輸出軸上，每個換向及減速齒輪箱內電機端換向錐齒輪分別與關 節端換向錐齒輪傳動嚙合，關節端換向錐齒輪同軸的第一減速直齒輪與第二減速直齒輪傳 動嚙合，第二減速直齒輪同軸的第三減速直齒輪與第四減速直齒輪傳動嚙合，第四減速直 齒輪同軸的第五減速直齒輪與關節嚙合直齒輪傳動連接，其中一個換向及減速齒輪箱以使 關節軸水平的方向放置，由其關節軸構成平面迴轉關節軸，另一個換向及減速齒輪箱以使 關節軸堅直的方向放置，由其關節軸構成堅直俯仰關節軸，所述連接件一端開有堅向的安 裝口，另一端開有水平的安裝口，且連接件堅向的安裝口固定在平面迴轉關節軸上，連接件 水平的安裝口固定在堅直俯仰關節軸上。
[0007] 所述的一種用於複雜環境的多關節機械臂，其特徵在於：所述快換接頭包括連接 在最前端機械臂臂端的連接法蘭，連接法蘭上設置有圓臺、電源連接器，電源連接器與機械 臂內引出的電源及信號線連接，圓臺臺面中心設置有快換機構，圓臺檯面上位於快換機構 兩相對側分別垂直連接有定位銷，圓臺檯面上還設置有多個均勻環繞快換機構的氣/液快 速接口，且氣/液快速接口與從機械臂末端引出的氣/液冷卻管路連通；所述前端執行器 包括支撐座，支撐座前座面安裝有前端執行機械手，支撐座連接有與連接法蘭上電源連接 器位置對應並插接配合的另一電源連接器，且支撐座上電源連接器與前端機械手連接，支 撐座後座面上開有供快換機構卡入的卡孔，卡孔周圍的支撐座後座面上均勻環繞有多個可 一一對應插入氣/液快速接口中的氣/液快速接頭，支撐座後座面上兩相對側還分別設置 有供定位銷一一對應銷入的定位孔。本發明主要作為多功能前端執行器提供承載，其具有 結構簡單，重量輕，靈活性好，機械臂前端執行器可快速更換，前端可達目標範圍足夠等特 點。
[0008] 本發明包括機械臂支座、鉸鏈式機械臂和快換接頭，整個機械臂系統位於真空存 儲艙內部，通過真空艙與託卡馬克真空室對接，保證機械臂能夠在等離子體放電間隙不破 壞真空環境的條件下，進入真空室進行觀測和維護；機械臂支座底部與真空存儲艙的滑軌 聯接，並為多關節維護機械臂提供支撐的支點，機械臂支座可以沿滑軌方向驅動機械臂前 移和後退一段距離；鉸鏈式機械臂為多節圓管結構，每節機械臂之間通過模塊化的齒輪式 驅動關節聯接在一起，每個驅動關節均有置於機械臂內部的相應高溫電機驅動；鉸鏈式機 械臂前端聯接有快插接頭，可根據內窺或者維護的不同需要通過快插接頭更換不同功能的 前端執行器。
[0009] 本發明中機械臂極限運行環境：100°C，l(T6pa (注烘烤溫度可達150 °C );不考 慮輻射和磁場的影響。
[0010] 本發明根據託卡馬克真空室內部的具體空間尺寸，鉸鏈式機械臂可分為4飛段關 節臂組成，每段齒輪式驅動關節尺寸也可根據實際空間需要而做相應調整，以能夠達到真 空室目標空間可達的前提下關節臂段數及總自由度最少為原則。
[0011] 本發明單個齒輪式驅動關節的自由度為1-2個（迴轉和俯仰)，迴轉和俯仰關節處 可布置有角度傳感器，由齒輪式驅動關節驅動。
[0012] 本發明齒輪式驅動關節內部可布置位置和溫度傳感器，採集相應環境信息。
[0013] 本發明齒輪式驅動關節選用強度好且密度較小的鈦合金材料，潤滑方式為固體潤 滑。
[0014] 本發明高溫電機通過電機架固定在機械臂內部，電機輸出軸與換向和減速齒輪組 聯接形成模塊化的驅動關節，通過離合器組控制齒輪組的正轉、反轉和位置保持等動作；驅 動電源位於機械臂支座後方，通過線纜聯接。
[0015] 本發明電子元件和驅動器（電機）內置在每個模塊中，密封處理。
[0016] 本發明齒輪式驅動關節為模塊化設計，包括正交換向錐齒輪組和對稱分布的減速 齒輪組；其中，電機端換向錐齒輪安裝在高溫電機的輸出軸上，減速齒輪組的輸出端與關節 軸上的關節嚙合直齒輪嚙合。
[0017] 本發明整個齒輪組通過一定的傳動比將驅動電機的輸出轉化作用到自由度關節 上；其中，齒輪組的傳動比根據電機的轉速和機械臂的允許擺動的角速度等具體情況確定。
[0018] 本發明水平面迴轉關節和堅直面俯仰關節的驅動齒輪組採取相同設計，齒輪組布 局的方向互為正交。
[0019] 本發明快換接頭結構用於前端執行機械手的更換，快換接頭與機械臂之間通過法 蘭連接，與前端機械手之間通過一種快換機構連接，方便連接與拆卸。
[0020] 本發明快換接頭上設有定位銷，用於更換時的精確定位；快換接頭上集成電源連 接器和氣/液快速接頭，方便電路和氣/液管路的連接和斷開。
[0021] 本發明採用高溫電機技術，固體潤滑技術兩項關鍵技術解決了其在託卡馬克真空 室高溫真空環境下的可靠運行的問題。
[0022] 本發明的主體是多功能鉸鏈式維護機械臂，為了不破壞託卡馬克內部真空環境， 本發明中關節臂是通過機械臂支架安置在可移動的真空存儲艙裡的，對於其他非真空的應 用環境，如深井礦山救援等特殊環境，則不需要附加真空存儲艙，可安置在履帶式移動小車 上。
[0023] 本發明的設計方法在真空技術，聚變堆技術，航空航天【技術領域】都將有參考意義。 [0024] 本發明的有益效果在於： 1) 用於託卡馬克真空室的多關節維護機械臂可以在不破壞真空環境的條件下，對真 空室內部部件進行監測、探傷和修復，可以很大程度地減少裝置的停機維護的時間和經濟 成本； 2) 本發明結構簡單，重量輕，關節臂和驅動齒輪組進行了模塊化設計，可以根據實際 尺寸需要增減關節的段數和自由度，便於機械臂結構和功能的更新和擴展。
[0025] 3)所有電子元件和驅動電機內置在機械臂內部，且做密封處理，將其工作環境與 外部的真空環境隔離開來，有效地保護真空環境不受汙染；同時其驅動力大，定位精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 圖1是多關節維護機械臂總體結構圖。
[0027] 圖2是雙自由度驅動關節構造圖。
[0028] 圖3是平面迴轉關節的變向和減速齒輪組分布圖。
[0029] 圖4是快換接頭構造圖。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1、圖2所示。一種用於複雜環境的多關節機械臂，包括有機械臂支座1，還包 括有鉸鏈式機械臂，鉸鏈式機械臂由多節圓管結構的機械臂2依次一字連接構成，最末端 機械臂2連接在機械臂支座1上，相鄰機械臂2之間通過模塊化的齒輪式驅動關節3連接， 每個齒輪式驅動關節3分別與所連接的兩相鄰機械臂內部設置的高溫電機6傳動連接，由 相鄰機械臂內的高溫電機6驅動齒輪式驅動關節3,最前端機械臂臂端連接有快換接頭4， 快換接頭4上安裝有前端執行器5。
[0031] 如圖2、圖3所示。齒輪式驅動關節3包括一對通過連接件連接的換向及減速齒 輪箱7,每個換向及減速齒輪箱7內分別轉動安裝有電機端換向錐齒輪10、同軸的關節端換 向錐齒輪11和第一減速直齒輪12、同軸的第二減速直齒輪13和第三減速直齒輪14、同軸 的第四減速直齒輪15和第五減速直齒輪16,以及通過關節軸轉動安裝的關節嚙合直齒輪 17 ;減速直齒輪所在安裝軸兩端分別轉動安裝在換向及減速齒輪箱中的軸承18中；兩換向 及減速齒輪箱7內電機端換向錐齒輪10分別一一對應安裝在所連接的相鄰兩機械臂內高 溫電機6輸出軸上，每個換向及減速齒輪箱7內電機端換向錐齒輪10分別與關節端換向錐 齒輪11傳動嚙合，關節端換向錐齒輪11同軸的第一減速直齒輪12與第二減速直齒輪傳動 嚙合13,第二減速直齒輪13同軸的第三減速直齒輪14與第四減速直齒輪15傳動嚙合，第 四減速直齒輪15同軸的第五減速直齒輪16與關節嚙合直齒輪17傳動連接，其中一個換向 及減速齒輪箱以使關節軸水平的方向放置，由其關節軸構成平面迴轉關節軸8,另一個換向 及減速齒輪箱以使關節軸堅直的方向放置，由其關節軸構成堅直俯仰關節軸9,連接件一端 開有堅向的安裝口，另一端開有水平的安裝口，且連接件堅向的安裝口固定在平面迴轉關 節軸8上，連接件水平的安裝口固定在堅直俯仰關節軸9上。
[0032] 快換接頭包括連接在最前端機械臂臂端的連接法蘭19,連接法蘭19上設置有圓 臺、電源連接器22,電源連接器22與機械臂內電線連接，圓臺臺面中心設置有快換機構23， 圓臺檯面上位於快換機構23兩相對側分別垂直連接有定位銷20,圓臺檯面上還設置有多 個均勻環繞快換機構的氣/液快速接口，且氣/液快速接口與從機械臂末端引出的氣/液 冷卻管路連通；前端執行器包括支撐座，支撐座前座面安裝有前端執行機械手25,支撐座 連接有與連接法蘭19上電源連接器22位置對應並插接配合的另一電源連接器，且支撐座 上電源連接器與前端機械手連接，支撐座後座面上開有供快換機構23卡入的卡孔，卡孔周 圍的支撐座後座面上均勻環繞有多個可一一對應插入氣/液快速接口中的氣/液快速接頭 24,支撐座後座面上兩相對側還分別設置有供定位銷20 -一對應銷入的定位孔21。
[0033] 本發明主要包括機械臂支座1、鉸鏈式機械臂和快換接頭4 ;機械臂支座1底部與 真空存儲艙的滑軌聯接，並為多關節維護機械臂2提供支撐的支點，機械臂支座1可以沿滑 軌方向驅動機械臂2前移和後退一段距離；鉸鏈式機械臂為多節圓管結構，每節機械臂2之 間通過模塊化的齒輪式驅動關節3聯接在一起，每個齒輪式驅動關節3均有置於機械臂內 部的相應高溫電機6驅動；鉸鏈式機械臂前端聯接有快換接頭4,可根據內窺或者維護的需 要更換不同功能的前端執行器5。
[0034] 高溫電機6通過電機架固定在機械臂2內部，電機輸出軸通過電機端換向錐齒輪 10與換向和減速齒輪箱7聯接形成模塊化的驅動關節，換向和減速齒輪箱7分別通過與平 面迴轉關節軸8、堅直俯仰關節軸9上的關節嚙合直齒輪17嚙合形成迴轉和俯仰關節。
[0035] 快換接頭4結構用於前端執行機械手25的更換，快換接頭4與機械臂2之間通過 連接法蘭19對接，與前端執行機械手25之間通過一種快換機構23連接，方便連接與拆卸。
[0036] 快換接頭4上設有定位銷20和定位孔21，用於更換時的精確定位；快換接頭上集 成電源連接器22和氣/液快速接頭24,方便電路和氣/液管路的連接和斷開。
【權利要求】
1. 一種用於複雜環境的多關節鉸鏈式機械臂，包括有機械臂支座，其特徵在於：所述 鉸鏈式機械臂由多節圓管結構的機械臂依次一字連接構成，最末端機械臂連接在機械臂支 座上，相鄰機械臂之間通過模塊化的齒輪式驅動關節連接，每個齒輪式驅動關節分別與所 連接的兩相鄰機械臂內部設置的高溫電機傳動連接，由相鄰機械臂內的高溫電機驅動齒輪 式驅動關節，最前端機械臂臂端連接有快換接頭，快換接頭上安裝有前端執行器。
2. 根據權利要求1所述的一種用於複雜環境的多關節機械臂，其特徵在於：所述齒輪 式驅動關節包括一對通過連接件連接的換向及減速齒輪箱，每個換向及減速齒輪箱內分別 轉動安裝有電機端換向錐齒輪、同軸的關節端換向錐齒輪和第一減速直齒輪、同軸的第二 減速直齒輪和第三減速直齒輪、同軸的第四減速直齒輪和第五減速直齒輪，以及通過關節 軸轉動安裝的關節嚙合直齒輪；兩換向及減速齒輪箱內電機端換向錐齒輪分別一一對應 安裝在所連接的相鄰兩機械臂內高溫電機輸出軸上，每個換向及減速齒輪箱內電機端換向 錐齒輪分別與關節端換向錐齒輪傳動嚙合，關節端換向錐齒輪同軸的第一減速直齒輪與第 二減速直齒輪傳動嚙合，第二減速直齒輪同軸的第三減速直齒輪與第四減速直齒輪傳動齧 合，第四減速直齒輪同軸的第五減速直齒輪與關節嚙合直齒輪傳動連接，其中一個換向及 減速齒輪箱以使關節軸水平的方向放置，由其關節軸構成平面迴轉關節軸，另一個換向及 減速齒輪箱以使關節軸堅直的方向放置，由其關節軸構成堅直俯仰關節軸，所述連接件一 端開有堅向的安裝口，另一端開有水平的安裝口，且連接件堅向的安裝口固定在平面迴轉 關節軸上，連接件水平的安裝口固定在堅直俯仰關節軸上。
3. 根據權利要求1所述的一種用於複雜環境的多關節機械臂，其特徵在於：所述快換 接頭包括連接在最前端機械臂臂端的連接法蘭，連接法蘭上設置有圓臺、電源連接器，電源 連接器與機械臂內引出的電源及信號線連接，圓臺臺面中心設置有快換機構，圓臺檯面上 位於快換機構兩相對側分別垂直連接有定位銷，圓臺檯面上還設置有多個均勻環繞快換機 構的氣/液快速接口，且氣/液快速接口與從機械臂末端引出的氣/液冷卻管路連通；所述 前端執行器包括支撐座，支撐座前座面安裝有前端執行機械手，支撐座連接有與連接法蘭 上電源連接器位置對應並插接配合的另一電源連接器，且支撐座上電源連接器與前端機械 手連接，支撐座後座面上開有供快換機構卡入的卡孔，卡孔周圍的支撐座後座面上均勻環 繞有多個可一一對應插入氣/液快速接口中的氣/液快速接頭，支撐座後座面上兩相對側 還分別設置有供定位銷一一對應銷入的定位孔。
【文檔編號】B25J9/06GK104057441SQ201410179008
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年4月29日 優先權日:2014年4月29日
【發明者】史善爽, 宋雲濤, 潘洪濤, 張宇, 程勇, 莊嚴, 張俊 申請人:中國科學院等離子體物理研究所