[发明专利]一种用于复杂环境的多关节机械臂

说明书

技术领域

本发明涉及机械臂领域，具体为一种用于复杂环境的多关节机械臂。

背景技术

为了应对未来全球所面临的能源危机问题，磁约束可控核聚变研究在世界范围内近年来一直是一个热点，其中认可度较高的一种装置称为托卡马克。托卡马克装置包含一个用于聚变反应发生的环状真空室，装置运行期间，真空室第一壁部件由于处在高温高真空的复杂环境会有不同程度的损坏。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真空室状态，一般至少要花费10天时间。若以一天20万元运行费用计算，则停机维护的代价即为200万元及10天时间。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真空环境（10^-6Pa）及150℃左右的环境温度的条件下，能够在等离子体放电间隙对第一壁进行近距离观测以及对损伤部件进行快速维护。多关节柔性机械臂是为前端执行机构提供支撑的部件，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，机械臂前端执行器可快速更换，前端可达目标范围足够等要求。如此多的苛刻要求，给多关节机械臂的整体设计提出了一个难题。目前国际上类似解决方案中有法国Tore Supra的多关节内窥机械臂（AIA），能够在不破坏真空的条件下实现对真空室内部部件单一的内窥功能，在真空室内部小部件的快速维护方面仍有待研究。而在现有的国内机器人研究领域中，同样难以找出一种可以用于目标环境的多关节柔性维护机械臂设计方案。

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影响，往往只专注于机械臂自身的结构或驱动设计；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大尺寸、多自由度（总长度10m以上，自由度10-15个）的应用需求，则无法满足。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于复杂环境的多关节机械臂，以满足诸如托卡马克真空室等高温真空环境下进行部件实时检测、碎片拾取等操作的需求。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种用于复杂环境的多关节铰链式机械臂，包括有机械臂支座，其特征在于：所述铰链式机械臂由多节圆管结构的机械臂依次一字连接构成，最末端机械臂连接在机械臂支座上，相邻机械臂之间通过模块化的齿轮式驱动关节连接，每个齿轮式驱动关节分别与所连接的两相邻机械臂内部设置的高温电机传动连接，由相邻机械臂内的高温电机驱动齿轮式驱动关节，最前端机械臂臂端连接有快换接头，快换接头上安装有前端执行器。

所述的一种用于复杂环境的多关节机械臂，其特征在于：所述齿轮式驱动关节包括一对通过连接件连接的换向及减速齿轮箱，每个换向及减速齿轮箱内分别转动安装有电机端换向锥齿轮、同轴的关节端换向锥齿轮和第一减速直齿轮、同轴的第二减速直齿轮和第三减速直齿轮、同轴的第四减速直齿轮和第五减速直齿轮，以及通过关节轴转动安装的关节啮合直齿轮；两换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别一一对应安装在所连接的相邻两机械臂内高温电机输出轴上，每个换向及减速齿轮箱内电机端换向锥齿轮分别与关节端换向锥齿轮传动啮合，关节端换向锥齿轮同轴的第一减速直齿轮与第二减速直齿轮传动啮合，第二减速直齿轮同轴的第三减速直齿轮与第四减速直齿轮传动啮合，第四减速直齿轮同轴的第五减速直齿轮与关节啮合直齿轮传动连接，其中一个换向及减速齿轮箱以使关节轴水平的方向放置，由其关节轴构成平面回转关节轴，另一个换向及减速齿轮箱以使关节轴竖直的方向放置，由其关节轴构成竖直俯仰关节轴，所述连接件一端开有竖向的安装口，另一端开有水平的安装口，且连接件竖向的安装口固定在平面回转关节轴上，连接件水平的安装口固定在竖直俯仰关节轴上。