面向mcf裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，主要由一個力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)、多個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)和一個高度可調(diào)的遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座順序相連而成，各個關(guān)節(jié)之間通過EtherCAT總線實現(xiàn)實時信號傳輸及反饋。本發(fā)明專門針對小入口、長通道、大回轉(zhuǎn)空間智能維護(hù)環(huán)境設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、關(guān)節(jié)承載扭矩大、布線簡潔等特點，尤其力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)采用滑輪組在長通道封閉系統(tǒng)外部對面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂進(jìn)行了力矩補(bǔ)償作用。
【專利說明】面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核電站建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂。
【背景技術(shù)】
[0002]“國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃”是目前全球規(guī)模最大的國際科研合作項目之一。其中，磁約束核聚變(MCF)裝備核心部件Tokamak腔內(nèi)真空室由于具有停機(jī)輻射強(qiáng)度大、運(yùn)行溫度高、入口通道狹長、內(nèi)部截面相對狹小、大回轉(zhuǎn)半徑等特點，致使真空室內(nèi)智能維護(hù)作業(yè)難度極大。國際上目前已有的關(guān)于核聚變方面的智能維護(hù)設(shè)備有CEALIST交互式機(jī)器人實驗室研制的LORA機(jī)器人、歐洲核聚變組織(EFDA)研制的MASCOT伺服機(jī)械臂，這些智能維護(hù)設(shè)備均對在真空室內(nèi)遙維護(hù)作業(yè)做了相關(guān)實驗性研究，其通用性難題就是如何在克服自重情況下，同時滿足狹小入口限制和內(nèi)部大回旋作業(yè)范圍的要求。通過對已有產(chǎn)品進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)國外現(xiàn)有智能維護(hù)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，動力源均需訂制，且控制復(fù)雜度大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供了一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，通過對真空室內(nèi)不同維護(hù)任務(wù)進(jìn)行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)順利通過狹小通道，在大回旋半徑密閉容器內(nèi)進(jìn)行長距離傳輸和運(yùn)載的功能，為模塊化遙維護(hù)作業(yè)提供穩(wěn)定可靠的移動基礎(chǔ)，實現(xiàn)了國際核聚變非標(biāo)準(zhǔn)維護(hù)作業(yè)的組件化設(shè)計，有效地節(jié)約了使用成本，增加了智能維護(hù)作業(yè)的通用性。同時，通過EtherCAT總線控制，在對實時信號傳輸、反饋及控制的同時，極大地減少了機(jī)械臂內(nèi)布線復(fù)雜度，有效的提高了實時控制的快捷性。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0005]一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，主要由一個力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)、多個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)和一個遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座順序相連而成，各個關(guān)節(jié)之間通過EtherCAT總線(開放的實時以太網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議)實現(xiàn)實時信號傳輸及反饋。
[0006]所述的力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)，包括滑臺基座、承載連接管、滑輪組、牽引繩索、伺服傳動機(jī)構(gòu)、固定承載機(jī)構(gòu)、力矩承載軸承、旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)、諧波減速器，其中，所述承載連接管安裝在所述滑臺基座上，所述伺服傳動機(jī)構(gòu)和力矩承載軸承安裝在所述固定承載機(jī)構(gòu)上，所述伺服傳動機(jī)構(gòu)是所述的力矩補(bǔ)償性機(jī)械臂關(guān)節(jié)的主傳動部分，所述力矩承載軸承與所述旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)同軸，承擔(dān)重載彎矩M值，所述固定承載機(jī)構(gòu)通過所述牽引繩索和滑輪組將所述承載連接管遠(yuǎn)端進(jìn)行牽引，減少了所述滑臺基座所承受的彎矩M值，有效對所述力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)由于所述承載連接管太長而產(chǎn)生的力矩進(jìn)行補(bǔ)償，所述諧波減速器位于所述伺服傳動機(jī)構(gòu)末端，用于承擔(dān)重載扭矩T值。
[0007]所述滑臺基座既是所述的力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)承載底座，又是所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂直線運(yùn)動輸入部分。[0008]優(yōu)選地，所述的伺服傳動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、編碼器、行星減速器、齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，所有關(guān)節(jié)之間的伺服傳動機(jī)構(gòu)通過EtherCAT總線進(jìn)行控制和反饋連接,保證不同關(guān)節(jié)模塊之間的信息和信號反饋的實時傳輸。
[0009]優(yōu)選地，所述的力矩承載軸承主要承擔(dān)來自于所述的旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)及后續(xù)關(guān)節(jié)由于自重對所述的固定承載機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩M值。將重載彎矩M值和扭矩T值進(jìn)行功能性分害I]，重載彎矩M值主要由所述的力矩承載軸承承擔(dān)，扭矩T值主要由所述的諧波減速器提供，在減少重力對傳動系統(tǒng)影響的情況下，大大提高了傳動機(jī)構(gòu)的傳動效果，最終保證了每個關(guān)節(jié)的穩(wěn)定順利旋轉(zhuǎn)。
[0010]優(yōu)選地,所述的遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座帶有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其高度調(diào)節(jié)對真空室內(nèi)遙維護(hù)作業(yè)空間進(jìn)行了有效的放大，擴(kuò)大了所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂的重復(fù)使用功效。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0012]1、力矩承載軸承承擔(dān)重載彎矩M值的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于諧波減速器，極大地增加了組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)的的承載能力，同時也為機(jī)械臂的遠(yuǎn)距離運(yùn)載提供堅實基礎(chǔ)；
[0013]2、本發(fā)明中伺服傳動機(jī)構(gòu)，有效地利用了機(jī)械臂長度方向的優(yōu)勢，極大地減少了機(jī)械臂橫截面尺寸，利于順利穿過狹小入口通道；
[0014]3、諧波減速器具有外形尺寸小，高減速比，大扭矩等特點，通過將諧波減速器放置于所述的伺服傳動機(jī)構(gòu)末端，提高了所述的旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動精度；
[0015]4、所述力矩補(bǔ)償用配重通過滑輪組將面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂對所述的滑臺基座產(chǎn)生的大扭矩進(jìn)行力矩補(bǔ)償，實現(xiàn)了在Tokamak腔入口外部進(jìn)行腔內(nèi)機(jī)械臂力矩補(bǔ)償?shù)墓πВ?br> [0016]5、通過EtherCAT總線傳輸方式，有效地將所述的伺服傳動機(jī)構(gòu)、各類傳感器反饋信號融合在一起，使得組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間僅存在EtherCAT總線和電源線，既增加了組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間的實時控制性能，又最大程度的簡化了關(guān)節(jié)之間布線的復(fù)雜度。
[0017]本發(fā)明提供的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，通過EtherCAT總線對一個力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)、多個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)、一個遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座進(jìn)行實時反饋控制，提高了主從式遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)在核電站建造、運(yùn)營及維護(hù)作業(yè)中的承載操作平穩(wěn)性及實時操作性。本發(fā)明既為核聚變設(shè)施的智能維護(hù)和監(jiān)控提供了極好的運(yùn)輸和承載作用，又增加了其智能維護(hù)作業(yè)的安全性。
[0018]本發(fā)明在ITER工程MCF裝備遠(yuǎn)距離遙維護(hù)操縱系統(tǒng)中對模塊化遙操作機(jī)械臂起到運(yùn)輸和承載作用，遠(yuǎn)程智能維護(hù)任務(wù)實施過程中產(chǎn)生的作用力及外在干擾均由面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂來承擔(dān)。本發(fā)明尤適用于ITER(國際熱核聚變實驗堆)工程中MCF (磁約束核聚變)裝備遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)中遙維護(hù)機(jī)械臂遠(yuǎn)距離運(yùn)載及初步定位，通過安裝不同類型的模塊化遙操作機(jī)械臂，使Tokamak腔真空室內(nèi)的非標(biāo)化維護(hù)作業(yè)通用化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0020]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)布置總圖；[0021]圖中:I為力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)，2為空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)，3為遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座；
[0022]圖2為力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)布置示意圖；
[0023]圖中:10為滑臺基座，11為承載連接管，12為滑輪組，13為牽引繩索，14為伺服傳動機(jī)構(gòu)，15為固定承載機(jī)構(gòu)，16為力矩承載軸承，17為旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)，18為諧波減速器，19為力矩補(bǔ)償用配重；
[0024]圖3為空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)布置示意圖。
[0025]圖中:201為承載連接；202為增量編碼器；203為伺服電機(jī)；204為行星減速；205為錐齒輪；206為絕對編碼器；207為十字交叉滾子軸承；208為輸出軸；209為諧波減速；210為旋轉(zhuǎn)承載；211為固定承載；212為EtherCAT總線驅(qū)動器。
【具體實施方式】
[0026]下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]如圖1所示，本實施例提供了一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，包括一個力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)1、多個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)2、一個遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座3。其中所有關(guān)節(jié)之間通過EtherCAT總線連接,每個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)均類似于力矩補(bǔ)償性機(jī)械臂關(guān)節(jié)。
[0028]如圖2所示，本實施例提供的所述的力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)，包括滑臺基座10、承載連接管11、滑輪組12、牽引繩索13、伺服傳動機(jī)構(gòu)14、固定承載機(jī)構(gòu)15、力矩承載軸承16、旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)17、諧波減速器18、力矩補(bǔ)償用配重19。
[0029]滑臺基座10既是力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)I承載底座，又是面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂直線運(yùn)動輸入部分。承載連接管11安裝于滑臺基座10上，固定承載機(jī)構(gòu)15由牽引繩索13將承載連接管11從遠(yuǎn)端通過滑輪組12牽引，以對重力產(chǎn)生的力矩進(jìn)行補(bǔ)償，減少了滑臺底座10所承受的彎矩M值，有效地對力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)I由于所述的承載連接管11太長而產(chǎn)生的力矩進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償效果取決于滑輪組12的連接方式、連接位置和設(shè)置在牽引繩索13 —端的力矩補(bǔ)償用配重19等因素影響。
[0030]伺服傳動機(jī)構(gòu)14包括伺服電機(jī)、編碼器、行星減速器、齒輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，所有關(guān)節(jié)之間的傳動機(jī)構(gòu)通過EtherCAT總線進(jìn)行控制和反饋連接，保證不同關(guān)節(jié)模塊之間的信息和信號反饋的實時傳輸。
[0031]力矩承載軸承16為兩個，主要承擔(dān)來自于旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)17及后續(xù)關(guān)節(jié)由于自重對固定承載機(jī)構(gòu)15產(chǎn)生的彎矩M值。本發(fā)明中傳動布局有效的將重載彎矩M值和扭矩T值進(jìn)行功能性分割，重載彎矩M值主要由力矩承載軸承16承擔(dān)，扭矩T值主要由諧波減速器18提供，在減少重力對傳動系統(tǒng)影響的情況下，大大提高了伺服傳動機(jī)構(gòu)14的傳動效果，最終保證了每個關(guān)節(jié)的穩(wěn)定順利旋轉(zhuǎn)。
[0032]如圖3所示，本實施例提供的所述的空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)，包括承載連接201;增量編碼器202;伺服電機(jī)203;行星減速204;錐齒輪205;絕對編碼器206;十字交叉滾子軸承207;輸出軸208;諧波減速209;旋轉(zhuǎn)承載210;固定承載211;EtherCAT總線驅(qū)動器212。
[0033]承載連接201是關(guān)節(jié)間連接件，用于承受關(guān)節(jié)自重載荷。增量編碼器202、伺服電機(jī)203、行星減速204、錐齒輪205、諧波減速209順序相連，組成空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)。諧波減速209位于傳動機(jī)構(gòu)最末端，既保證了關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)精度，又增加了旋轉(zhuǎn)承載210對固定承載211施加的彎矩。旋轉(zhuǎn)承載210施加的彎矩載荷由固定承載211和十字交叉滾子軸承207共同承載。
[0034]絕對編碼器206與輸出軸208連接在一起，EtherCAT總線驅(qū)動器212，將增量編碼器202供電及信號傳輸、伺服電機(jī)203供電及信號傳輸、絕對編碼器206供電及信號傳輸結(jié)合在一起，匯總到EtherCAT總線上，在增強(qiáng)實時控制性能的同時大大簡化了布線復(fù)雜度。
[0035]遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座3帶有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其高度調(diào)節(jié)對真空室內(nèi)遙維護(hù)作業(yè)空間進(jìn)行了有效的放大，擴(kuò)大了所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂的模塊化使用率。
[0036]在對伺服電機(jī)和各類型傳感器進(jìn)行實時信號傳輸、反饋及控制的同時，極大地減少了機(jī)械臂內(nèi)布線復(fù)雜度，有效的提高了實時控制的快捷性。
[0037]上述實施例在工作時，通過TwinCAT軟件，經(jīng)EtherCAT總線驅(qū)動器控制伺服傳動系統(tǒng)14，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)17繞固定承載機(jī)構(gòu)15實現(xiàn)±90度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)17實際轉(zhuǎn)角通過傳感器中的絕對編碼器進(jìn)行測量，通過EtherCAT總線驅(qū)動器采集，將測量值通過EtherCAT總線傳輸給TwinCAT軟件，將其與傳感器中的增量編碼器發(fā)出的運(yùn)動指令進(jìn)行比較，對實際傳動過程中出現(xiàn)的間隙進(jìn)行差補(bǔ)，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)承載機(jī)構(gòu)搞精度旋轉(zhuǎn)及定位。
[0038]上述實施例能夠在核聚變核心設(shè)施Tokamak內(nèi)部狹窄有限空間以及惡劣環(huán)境中獨(dú)立靈活的實現(xiàn)遠(yuǎn)程操縱運(yùn)載任務(wù)，用于運(yùn)輸和承載具有不同功能的模塊化遙操作檢測和維護(hù)機(jī)械手。上述實施例既為核電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的系統(tǒng)保障，又增加了對ITER工程MCF裝備監(jiān)控及維護(hù)作業(yè)的模塊化程度；減少了核輻射危險區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控及作業(yè)的復(fù)雜性和繁瑣性，增加了檢測維護(hù)操作的魯棒性及可靠性。
[0039]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，其特征在于，主要由一個力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)、多個空間承載型組件化機(jī)械臂關(guān)節(jié)、一個遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座順序連接而成，各個關(guān)節(jié)之間通過EtherCAT總線實現(xiàn)實時信號傳輸及反饋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，其特征在于，所述的力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)，包括滑臺基座、承載連接管、滑輪組、牽引繩索、伺服傳動機(jī)構(gòu)、固定承載機(jī)構(gòu)、力矩承載軸承、旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)、諧波減速器，其中，所述承載連接管安裝在所述滑臺基座上，所述伺服傳動機(jī)構(gòu)和力矩承載軸承安裝在所述固定承載機(jī)構(gòu)上，所述伺服傳動機(jī)構(gòu)是所述的力矩補(bǔ)償性機(jī)械臂關(guān)節(jié)的主傳動部分，所述力矩承載軸承與所述旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)同軸，承擔(dān)重載彎矩M值，所述固定承載機(jī)構(gòu)通過所述牽引繩索和滑輪組將所述承載連接管遠(yuǎn)端進(jìn)行牽引，減少了所述滑臺基座所承受的彎矩M值，對所述力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)由于所述承載連接管太長而產(chǎn)生的力矩進(jìn)行補(bǔ)償，所述諧波減速器位于所述伺服傳動機(jī)構(gòu)末端，用于承擔(dān)重載扭矩T值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，其特征在于，所述力矩承載軸承為兩個，安裝于所述的固定承載機(jī)構(gòu)上，與所述的旋轉(zhuǎn)輸出機(jī)構(gòu)同軸，共同承擔(dān)重載彎矩M值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，其特征在于，所述力矩補(bǔ)償型機(jī)械臂關(guān)節(jié)還包括用于提高補(bǔ)償效果的力矩補(bǔ)償用配重，設(shè)置在所述牽引繩索的一端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向MCF裝備真空室的遠(yuǎn)程運(yùn)載機(jī)械臂，其特征在于，所述遙操作維護(hù)機(jī)械臂支座的高度可調(diào)。
【文檔編號】B25J17/02GK103568003SQ201310476371
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】曹其新, 王鵬飛, 白衛(wèi)邦, 顧凱, 何明超 申請人:上海交通大學(xué)