本發(fā)明涉及核聚變裝置特種機械臂領(lǐng)域，主要涉及一種用于EAST裝置的鉸鏈式雙自由度模塊化機械臂。

背景技術(shù)：
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EAST托卡馬克實驗裝置是世界上首個非圓截面全超導磁約束核聚變裝置。運行期間，EAST的環(huán)狀真空室內(nèi)部將產(chǎn)生MA級長脈沖等離子體放電，使得真空室內(nèi)壁長期處于高溫高真空的復(fù)雜環(huán)境中，真空室第一壁部件很容易發(fā)生損傷。第一壁部件主要由塊狀石墨瓦、鉬瓦等耐熱材料拼接形成，為了確保裝置實驗的順利進行，需要對真空室內(nèi)部部件進行定期的損傷檢測和必要的修復(fù)。傳統(tǒng)的檢修方式是打開真空室，由技術(shù)人員直接進入，進行手動檢測和維護。這一方面嚴重降低了檢修的效率，壓縮了寶貴的實驗有效運行時間，以EAST上的以往經(jīng)驗為例，即使是少量的更換維護，從打開真空室到最終恢復(fù)到原實驗所要求的超高真空狀態(tài)，一般至少要花費10天時間；另一方面，隨著未來裝置參數(shù)的提升，氘氚反應(yīng)的發(fā)生，真空室內(nèi)部會具有一定的放射性，手動維護會嚴重威脅操作者的人身安全。為了提高裝置運行效率，降低維護成本，先進的托卡馬克要求在不破壞高溫高真空環(huán)境（100℃，10^-6Pa）的條件下，能夠在等離子體放電間隙對真空室內(nèi)壁進行近距離觀測以及快速維護。

多關(guān)節(jié)柔性機械臂是未來聚變裝置內(nèi)部維護的一個發(fā)展趨勢。針對于托卡馬克真空室的高溫高真空并且?guī)缀慰臻g有限等環(huán)境特點，用于實時檢測和維護的多關(guān)節(jié)機械臂需要滿足重量輕，靈活性好，徑向尺寸小，前端可達目標范圍足夠等要求。目前國內(nèi)在多關(guān)機機械臂的技術(shù)領(lǐng)域已有一定的研究基礎(chǔ)，國內(nèi)的研究機構(gòu)和公司都提出過較為成熟的設(shè)計方案，具有很高的應(yīng)用價值。但是已有的機械臂設(shè)計方案很多并沒有充分考慮有限空間尺寸和聚變裝置內(nèi)特殊環(huán)境工況的限制，往往只專注于機械臂自身的結(jié)構(gòu)或控制系統(tǒng)的設(shè)計，沒有考慮到高溫高真空的嚴苛運行環(huán)境。在現(xiàn)有的國內(nèi)機器人研究領(lǐng)域中，難以找出一種可以用于聚變實驗堆目標環(huán)境的多關(guān)節(jié)柔性維護機械臂設(shè)計方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明目的就是為了彌補已有技術(shù)的缺陷，提供一種用于EAST裝置的鉸鏈式雙自由度模塊化機械臂，以滿足EAST托卡馬克高溫真空環(huán)境下進行遙操作檢測和維護等操作的實際需求。由于EAST內(nèi)部幾何環(huán)境復(fù)雜，對遙操作機械臂進行模塊化設(shè)計，通過多個相同模塊的組合，形成長懸臂多自由度鉸鏈式機械臂系統(tǒng)。該裝置的主要特點是各個部件之間連接緊湊，徑向尺寸小，可以更好的滿足EAST真空室惡劣環(huán)境（高真空、核環(huán)境和工作范圍狹?。┫碌墓ぷ餍枨?，為后續(xù)EAST真空室的維護工作提供了保障。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種用于EAST裝置的鉸鏈式雙自由度模塊化機械臂，其特征在于：包括有由兩U形夾關(guān)節(jié)頭、雙水平連桿、機械臂筒體組成平行四邊連桿機構(gòu)以及與其配合的俯仰驅(qū)動桿、偏航驅(qū)動器和偏航驅(qū)動滑輪，所述兩U形夾關(guān)節(jié)頭均為開口水平且底彼此相對的U形結(jié)構(gòu)，所述U形關(guān)節(jié)頭底部分別設(shè)置有上、下兩個鉸接孔，上鉸接孔之間連接有兩個水平連桿，下鉸接孔之間連接有軸線水平的機械臂筒體，所述機械臂筒體內(nèi)設(shè)有沿四邊連桿機構(gòu)對角線方向上的俯仰驅(qū)動器，所述俯仰驅(qū)動器的一端與其中一個U形夾關(guān)節(jié)頭上鉸接孔及雙水平連桿共同鉸接在一起，且其下方的機械臂筒體內(nèi)安裝有偏航驅(qū)動器，所述偏航驅(qū)動器通過鋼絲繩與其對應(yīng)端固定在U形夾上的偏航驅(qū)動滑輪聯(lián)接，所述俯仰驅(qū)動器的另一端與另一個U形夾關(guān)節(jié)頭下鉸接孔及機械臂筒體共同鉸接在一起。

所述的俯仰驅(qū)動器為可伸縮的桿體結(jié)構(gòu)，其由驅(qū)動段、伸縮段和從動段三段組成，所述伸縮段為波紋管，其與兩端的驅(qū)動段和從動段之間通過法蘭固定連接，所述驅(qū)動段、伸縮段和從動段組成一個相互連通且密封的腔體結(jié)構(gòu)，所述驅(qū)動段對應(yīng)的腔體內(nèi)部依次布置有電機制動器、微型高溫電機、減速器、柔性聯(lián)軸器、組合軸承以及轉(zhuǎn)動安裝在組合軸承內(nèi)且與柔性聯(lián)軸器連接的行星滾柱絲杠端部，所述行星滾柱絲杠穿過伸縮段的波紋管，且伸出端與從動段腔體內(nèi)的螺母轉(zhuǎn)動配合，所述電機通過減速器、柔性聯(lián)軸器驅(qū)動行星滾柱絲杠與螺母嚙合，使行星滾柱絲杠在從動腔體內(nèi)的絲杠行程槽中運行，所述從動段的俯仰驅(qū)動器外端部連接有剛性聯(lián)接桿。

所述的偏航驅(qū)動器包括有驅(qū)動器密封盒，所述驅(qū)動器密封盒內(nèi)一端設(shè)置有兩根平行放置的行星滾柱絲杠，且兩行星滾柱絲杠的螺旋方向相反，所述兩行星滾柱絲杠均位于驅(qū)動器密封盒的兩側(cè)，且其一端均伸出驅(qū)動器密封盒外，所述兩行星滾柱絲杠上分別旋合有與其配合的螺母，所述螺母上套裝有齒輪，所述齒輪與安裝在驅(qū)動器密封盒中部的電機及減速器驅(qū)動輸出端的齒輪嚙合，所述驅(qū)動器密封盒內(nèi)另一端設(shè)置有與絲杠對應(yīng)的鋼絲繩，所述鋼絲繩的一端與絲杠端部通過絲杠聯(lián)接頭連接，且鋼絲繩外套裝有波紋管，所述波紋管一端與絲杠聯(lián)接頭連接，另一端與驅(qū)動器密封盒的端蓋連接，所述鋼絲繩的另一端伸出驅(qū)動器密封盒外，且均環(huán)繞在偏航驅(qū)動滑輪上。

所述的驅(qū)動器密封盒一端外設(shè)有用于保護絲杠且分別與兩絲杠對應(yīng)的絲杠軸套，另一端外設(shè)有用于卡裝固定方便鋼絲繩輸送的驅(qū)動器安裝法蘭。

本發(fā)明為一種由兩個U形關(guān)節(jié)頭、水平連桿、機械臂筒體、俯仰驅(qū)動器、偏航驅(qū)動器、偏航滑輪組構(gòu)成的平行四邊形連桿機構(gòu)的雙自由度模塊化機械臂。機械臂的雙自由度可以根據(jù)實際需求去除偏航驅(qū)動器和滑輪組或者以剛性桿替代俯仰驅(qū)動器，形成單自由度機械臂。該機械臂結(jié)構(gòu)單關(guān)節(jié)最多可以具有偏航和俯仰兩個自由度，可進行模塊化設(shè)計，根據(jù)實際需求增減關(guān)節(jié)臂節(jié)數(shù)和單關(guān)節(jié)的自由度；驅(qū)動器內(nèi)置于機械臂筒體內(nèi)部，大大減小了整體尺寸，結(jié)構(gòu)非常緊湊，便于在EAST裝配內(nèi)部復(fù)雜幾何環(huán)境內(nèi)運行，同時驅(qū)動器密封在密閉腔體內(nèi)，外部低速軸承采用固體潤滑鍍膜處理，可以滿足諸如EAST托卡馬克聚變裝置的高溫高真空嚴苛環(huán)境下的運行要求。

所述的機械臂各連桿之間鉸接處及旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動處均布置有高強度的固體潤滑滾針軸承，固體潤滑軸承是在常規(guī)潤滑軸承的基礎(chǔ)上，去除不適合真空環(huán)境的潤滑油或潤滑脂，進行二硫化鉬濺射處理后得到，適合于低速運動部件間的真空環(huán)境下的潤滑。

本發(fā)明通過四邊形連桿之間的鉸接運動關(guān)系，將驅(qū)動桿的線性運動轉(zhuǎn)化為機械臂的俯仰運動，并利用波紋管實現(xiàn)驅(qū)動桿線性運動的動密封。而且驅(qū)動關(guān)節(jié)可以根據(jù)實際運行工況和驅(qū)動載荷需要，合理設(shè)計四邊形結(jié)構(gòu)的連桿長度，得到合適的驅(qū)動桿單位行程所能驅(qū)動的俯仰角度值。所述的驅(qū)動關(guān)節(jié)驅(qū)動四邊形機構(gòu)的上下兩邊產(chǎn)生一定的俯仰角度，即驅(qū)動關(guān)節(jié)所在的機械臂筒體產(chǎn)生俯仰角度，四邊形機構(gòu)的兩側(cè)邊U形夾關(guān)節(jié)頭結(jié)構(gòu)始終保持豎直。

本發(fā)明驅(qū)動桿內(nèi)部選用行星滾柱絲杠實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與線性運動之間的轉(zhuǎn)化，行星滾柱絲杠與滾珠絲杠相比，具有小導程（導程可以達到0.5mm）、大載荷（大于10kN）的顯著特點，結(jié)構(gòu)緊湊，可以提供足夠的減速比及輸出端的驅(qū)動扭矩。對于小載荷及空間尺寸充裕的情形，可以選用滾珠絲杠代替。

本發(fā)明采用微型高溫電機驅(qū)動，以減小驅(qū)動組件的尺寸，同時，通過行星減速器、滾柱絲杠、以及平行四邊形連桿機構(gòu)本身形成大于50000倍的減速比，可以在關(guān)節(jié)輸出端形成超過1000Nm的驅(qū)動力矩，遠大于同等情形下常規(guī)驅(qū)動關(guān)節(jié)所能產(chǎn)生的驅(qū)動力矩。

本發(fā)明驅(qū)動桿內(nèi)部電機控制與傳感器信息采集信號線通過真空密封插頭與外部相連。

本發(fā)明中機械臂驅(qū)動關(guān)節(jié)極限運行環(huán)境為： 100℃，10^-6pa（注：烘烤溫度可達150 ℃ ）；不考慮輻射和磁場的影響。

本發(fā)明采用真空動密封設(shè)計及固體自潤滑技術(shù)，解決了其在托卡馬克真空室高溫真空環(huán)境下的可靠運行的問題。

本發(fā)明的設(shè)計方法在真空技術(shù)，聚變堆技術(shù)，航空航天技術(shù)等領(lǐng)域都將有參考意義。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1）本發(fā)明的一種用于EAST裝置的鉸鏈式雙自由度模塊化機械臂，與現(xiàn)有技術(shù)相比可以更好的保證核聚變環(huán)境下機械臂穩(wěn)定可靠工作，保證在不破壞托克馬克真空環(huán)境條件下，機械臂可以更好的完成其真空室部件的維護工作。機械臂驅(qū)動關(guān)節(jié)通過內(nèi)部合理緊湊的空間布置，解決了機械臂在狹小空間運動，且要求運動范圍大的難題。

2) 用于托卡馬克真空室的多關(guān)節(jié)維護機械臂可以在不破壞真空環(huán)境的條件下，對真空室內(nèi)部部件進行監(jiān)測、探傷和修復(fù)，可以很大程度地減少裝置的停機維護的時間和經(jīng)濟成本。

3) 所有電子元件和驅(qū)動電機內(nèi)置在機械臂內(nèi)部，且做密封處理，將其工作環(huán)境與外部的真空環(huán)境隔離開來，有效地保護真空環(huán)境不受污染；同時其驅(qū)動力大，定位精度高。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為俯仰驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為俯仰驅(qū)動器的剖視圖。

圖4為偏航驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為偏航驅(qū)動器的剖視圖。

具體實施方式：

如圖1所示。一種用于EAST裝置的鉸鏈式雙自由度模塊化機械臂，包括有U形夾關(guān)節(jié)頭1，機械臂筒體2，水平連桿3，水平連桿4，U形夾關(guān)節(jié)頭5，俯仰驅(qū)動器6，偏航驅(qū)動器7和偏航驅(qū)動滑輪8構(gòu)成，雙水平連桿3、4的兩端分別與U形夾關(guān)節(jié)頭1和U形夾關(guān)節(jié)頭5的上鉸接孔鉸接，俯仰驅(qū)動器6的一端與機械臂筒體2及U形夾關(guān)節(jié)頭1的鉸接孔鉸接，俯仰驅(qū)動器的另一端與機械臂筒體2及U形夾關(guān)節(jié)頭5的上鉸接孔鉸接，偏航驅(qū)動器7與機械臂筒體靠近偏航旋轉(zhuǎn)軸線的一端固定，偏航驅(qū)動滑輪8位于U形夾關(guān)節(jié)頭5上，并同時與機械臂的前一關(guān)節(jié)U形夾或基座固連。

通過上述鉸接，U形夾關(guān)節(jié)頭1，機械臂筒體2，雙水平連桿3、4和U形夾關(guān)節(jié)頭5、共同構(gòu)成平行四邊形連桿機構(gòu)，俯仰驅(qū)動器6構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)的對角線，根據(jù)平行四邊形鉸鏈機構(gòu)的相互運動關(guān)系，當俯仰驅(qū)動器6的長度增長或者縮短時，機械臂筒體2和雙水平連桿3、4和將發(fā)生一定角度的俯仰運動，而U形夾關(guān)節(jié)頭1和5的軸線仍保持豎直，同時偏航驅(qū)動器7通過輸出鋼絲繩22和鋼絲繩23與偏航驅(qū)動滑輪8聯(lián)接，鋼絲繩22,23的運行速度相等，方向相反，驅(qū)動機械臂相對于前一關(guān)節(jié)U形夾或基座做水平偏航運動。

如圖2和3所示。一種用于真空環(huán)境下的內(nèi)置式四邊形結(jié)構(gòu)俯仰驅(qū)動關(guān)節(jié)，所述俯仰驅(qū)動器，包括有桿端聯(lián)接頭9、桿端聯(lián)接頭10、高溫電機11、行星減速器12、柔性聯(lián)軸器13、組合軸承14、行星滾柱絲杠15、波紋管16、絲杠配套螺母17、絲杠行程槽18以及剛性聯(lián)接桿19，桿端聯(lián)接頭9、10分別與U形夾關(guān)節(jié)頭1、5通過固體自潤滑軸承鉸接，驅(qū)動器內(nèi)部高溫電機11與行星減速器12組合在一起，通過柔性聯(lián)軸器13驅(qū)動行星滾柱絲杠15進行旋轉(zhuǎn)運動，行星滾柱絲杠15通過組合軸承14組裝在驅(qū)動器上，另一端與配套螺母17嚙合，驅(qū)動螺母及與其固連的剛性聯(lián)接桿19沿驅(qū)動器軸線方向做直線往復(fù)運動，從而實現(xiàn)俯仰驅(qū)動器7整體結(jié)構(gòu)的伸長和縮短，驅(qū)動器伸縮過程中，波紋管16聯(lián)接在相對運動的兩個法蘭之間，起到真空密封作用，行星滾柱絲杠15可以在絲杠行程槽18中前進或后退。

如圖4和5所示。一種用于真空環(huán)境下的內(nèi)置式四邊形結(jié)構(gòu)俯仰驅(qū)動關(guān)節(jié)，所述偏航驅(qū)動器，包括有驅(qū)動器密封盒20、驅(qū)動器安裝法蘭21、驅(qū)動鋼絲繩22、驅(qū)動鋼絲23、電機及減速器24、絲杠聯(lián)接頭25、絲杠聯(lián)接頭26、齒輪27、齒輪28、齒輪29、螺母30、螺母31、絲杠32以及絲杠33構(gòu)成，電機及減速器24驅(qū)動齒輪29，傳遞至齒輪27齒輪28，螺母30及31分別與齒輪27及28固連，經(jīng)齒輪組產(chǎn)生同速同向旋轉(zhuǎn)運動，絲杠32、絲杠33具有相反旋向螺紋，分別與螺母30、螺母31嚙合，在螺母驅(qū)動下產(chǎn)生同速反向直線運動，同時絲杠32、絲杠33通過絲杠聯(lián)接頭25、絲杠聯(lián)接頭26分別與鋼絲繩23、鋼絲繩22聯(lián)接，并最終環(huán)繞在偏航驅(qū)動滑輪8上，驅(qū)動滑輪產(chǎn)生水平偏航運動。