一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及特种机械臂领域，具体是一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节。
【背景技术】
[0002]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。聚变反应主要发生在EAST的环状真空室内部。随着装置运行参数的不断提升，在装置运行期间，真空室内壁长期处于高温高真空的复杂环境中，很容易发生损伤。因此，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。传统的检测和修复方法是打开真空室，由技术人员进入进行手动检测和维护。这一方面影响修复的效率，降低了宝贵了实验有效运行时间，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°C，10 6Pa)的前提下，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。
[0003]多关节柔性机械臂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恶劣环境工况的限制，往往只专注于机械臂自身的结构或控制系统的设计；更重要的是，国内现有的一些多关节臂设计大部分针对的是小尺寸的，短关节的机械臂，而对于类似托卡马克聚变堆中的长悬臂、多自由度(总长度Sm以上，自由度6-10个)的应用需求，则无法满足。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。
[0004]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，以满足诸如托卡马克真空室等高温真空环境下进行小部件遥操作检测和维护等操作的实际需求。由于托卡马克内部复杂几何环境的限制，该驱动关节需要在机械臂轴向尺寸上尽可能小，能够承担长悬臂造成的大负载和扭矩，并对内部驱动组件进行动密封。
[0005]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，其特征在于:包括有中心轴水平的机械臂筒体，机械臂筒体两端外分别同轴设置有U形夹关节头，两U形夹关节头为平放的U形，两U形夹关节头的U形底彼此相对，两U形夹关节头的U形口分别相向向外，所述机械臂筒体两端分别铰接在两U形架关节头的U形底下端，两U形夹关节头的U形底上端之间水平设置有双水平连杆，双水平连杆两端分别铰接在对应端的U形夹关节头的U形底上端，所述机械臂筒体内还设置有可伸缩的俯仰驱动杆，俯仰驱动杆一端铰接在其中一个U形夹关节头上与双水平连杆的铰接处，俯仰驱动杆另一端铰接在另一个U形夹关节头上与机械臂筒体铰接处，由两U形夹关节头、双水平连杆、机械臂筒体共同构成平行四边形连杆机构，俯仰驱动杆5构成平行四边形连杆机构的对角线。
[0006]所述的一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，其特征在于??双水平连杆两端铰接处分别布置有旋向相反螺纹，长度可以微调，从而补偿机械臂关节因重力产生的烧度。
[0007]所述的一种用于真空环境下的内置式四边形结构俯仰驱动关节，其特征在于:所述俯仰驱动杆包括依次同轴设置的第一驱动杆腔体、第二驱动杆腔体、第三驱动杆腔体、第四驱动杆腔体，其中第一驱动杆腔体右端与第二驱动杆腔体左端之间通过密封法兰连接，第二驱动杆腔体右端与第三驱动杆腔体左端之间通过波纹管连接，第三驱动杆腔体右端与第四驱动杆腔体左端之间通过密封法兰连接，第一驱动杆腔体左端连接有杆端联接头，第四驱动杆腔体右端亦连接有杆端联接头，第四驱动杆腔体内设置有由微型高温电机驱动的行星减速器，行星减速器的输出轴伸入第三驱动杆腔体中并与各个驱动杆腔体同轴，且行星减速器的输出轴在第三驱动杆腔体中通过柔性联轴器连接有行星滚柱丝杠，所述行星滚柱丝杠依次穿过波纹管、第二驱动杆腔体后伸入第一驱动杆腔体中，在第三驱动杆腔体中设置有供行星滚柱丝杠安装的组合轴承，在第二驱动杆腔体中设置有螺纹安装在行星滚柱丝杠上的螺母，且螺母通过键与第二驱动杆腔体内左端连接，所述第一驱动杆腔体左端的杆端联接头铰接在其中一个U形夹关节头上与双水平连杆的铰接处，第四驱动杆腔体右端的杆端联接头铰接在另一个U形夹关节头上与机械臂筒体铰接处。
[0008]本发明通过平行四边形连杆机构之间的铰接运动关系，将俯仰驱动杆的线性运动转化为机械臂的俯仰运动，并利用波纹管实现俯仰驱动杆线性运动的动密封。
[0009]本发明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。
[0010]本发明俯仰驱动杆驱动平行四边形连杆机构的上下两边产生一定的俯仰角度，SP俯仰驱动杆所在的机械臂筒体产生俯仰角度。
[0011]本发明俯仰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1kN)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。
[0012]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100Nm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。
[0013]本发明俯仰驱动杆内部电机布置有磁编码器和温度传感器，用于采集环境信息，控制电机运行。
[0014]本发明俯仰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。
[0015]本发明可进行模块化设计，将前后U形夹关节头相连可形成多关节臂，同时，在两U形夹关节联接处可布置偏航驱动关节，形成同时具有俯仰和偏航功能的双自由度关节。
[0016]本发明中机械臂驱动关节极限运行环境:100°C，10 6pa (注烘烤温度可达150 V);不考虑辐射和磁场的影响。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]本发明的有益效果在于:
O四边形铰接连杆机构共同承担了机械臂的自身重力和所需的驱动力矩，大大增大了驱动关节的强度，同时，极大的减速比确保了微型电机的可行性，显著缩小了驱动系统的空间尺寸。
[0020]2)该设计的核心利用滚柱丝杠结构将电机输出转化为线性运动，再通过四边形铰接连杆机构将驱动杆的线性运动转化为所需的关节俯仰运动，巧妙地避免了高真空环境下旋转运动的动密封难题，取而代之的是用波纹管对丝杠运动部分进行线性运动动密封。
[0021]3)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。
[0022]4)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】
[0023]图1内置式四边形结构俯仰驱动关节。
[0024]图2俯仰驱动杆构造图，其中:
图2a为外视图