一种模块化关节式动力机械手臂设备的制作方法

本申请实施例涉及人工智能技术领域，具体涉及一种模块化关节式动力机械手臂设备。

背景技术：

核辐射对人体存在致命的伤害，因此远距离操作设备是核设施不可缺少的工具，也是核工业的生命线。针对后处理、核设施退役产业，智能操作设备的必要性则显的尤为重要。近年来，高智能化、高可靠性、高恶劣环境适应性和功能多样性等逐渐成为核工业机器人应用的发展趋势。

目前，核工业机械手主要分为剑式、主从、电主从和动力机械手四大类。其中，动力机械手和电主从机械手由于不需要人力作为驱动，在负载能力和操作范围上都具有很大优势。但是这类设备普遍存在一个问题，为了实现电动、远程遥控等自动化智能化功能，手臂的电器和结构设计都比较复杂，手臂及关节内部往往安置有电机、减速器、传感器和线缆。这类布局模式，一方面考虑到手臂的自重和结构，手臂本体无法进行过多的屏蔽保护，这对内部的电子元器件的耐辐照性提出了一定的要求；另一方面，采用电器联通整条手臂的布局方式，给运维、检修和应急事故响应等工作增加了不少难度和实施成本，降低了作业的可操作性和时效性。

在核工业的多种机械手臂中，伸缩式主从机械手采用固定安装，机械贯穿，主手端由人力驱动，主手操控的动作幅度较大，从手作业的范围又较小。动力机械手的负载能力较强，但缺乏灵活智能的人机交互控制方式，并且普遍在手臂关节中布置电机、导电滑环体等，对于设备的制造成本和运维成本都有一定的影响。因此如何设计了一种模块化关节式的机械手臂成为本领域研究的重点。

技术实现要素：

为此，本申请实施例提供一种模块化关节式动力机械手臂设备，以解决现有技术中存在的机械手臂设计复杂，且制造和维护成本较高，人机交互控制方式精度较差的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种模块化关节式动力机械手臂设备，包括：动力箱、大臂、肘关节、小臂、腕关节、末端抓取装置，所述大臂的一端与所述动力箱连接，所述大臂的另一端和所述小臂的通过所述肘关节连接，所述小臂的一端通过所述腕关节与所述末端抓取装置连接，所述动力箱通过肩关节与基座或者移动平台相连。

进一步的，所述动力箱的内部结构包括用于为每个关节提供动力的动力层、用于采集各轴的输出扭矩并反馈至控制系统进而结算末端输出力的传感器层以及用于进行动力输出的齿轮箱层。

进一步的，所述动力层分布设置有伺服电机和减速器。

进一步的，所述传感器层安装有至少一个扭矩传感器，所述扭矩传感器的输入轴与减速器的输出轴相连，所述扭矩传感器的输出轴与齿轮箱的输入轴相连。

进一步的，所述齿轮箱层由至少一组齿轮组成，所述扭矩传感器的输出轴分别安装有小齿轮，动力箱的输出为至少一个同心轴，每个同心轴上安装有大齿轮，所述大齿轮分别与相应的所述小齿轮啮合。

进一步的，所述大臂和所述小臂由若干根同心管构成，所述同心管之间依靠润滑衬套相互支撑，每个同心管传递一个伺服电机的动力到关节处，所述动力每经过一个运动关节，由最外层的同心管负责驱动所述关节运动。

进一步的，所述大臂的同心管与所述肘关节连接；其中，所述大臂最外侧的同心管与肘关节的外壳固定连接，所述大臂内侧的若干个同心管分别与锥齿轮连接；最外侧的锥齿轮负责肘关节的运动，内侧的若干个锥齿轮通过与下一级的锥齿轮啮合来改变传动方向将动力传输至所述小臂的同心管。

采用本申请所述的模块化关节式动力机械手臂设备，简化了机械手臂关节整体构型，降低机械手臂整体重心，增强系统的稳定性，增加关节的装配精度，提高关节输出精度，能够根据目标示范应用场景需求，明确模块化机械手负载及操作空间的指标范围，实现针对不同需求下的模块化手臂灵活搭配。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备的关节旋转示意图；

图3为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备中动力箱的内部结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备中手臂的内部结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备中手臂关节的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备的内部结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备穿墙式固定安装的示意图；

图8为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备固定基座安装的入腔作业的示意图；

图9为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备的安装示意图。

上述图1-6中，1为动力箱，2为大臂，3为肘关节，4为小臂，5为腕关节，6为末端抓取装置，7为肩关节，8为小臂旋转关节，9为大臂旋转关节，10为动力层，11为传感器层，12为齿轮箱层，13为大齿轮，14为小齿轮，15为同心输出轴，16为锥齿轮，17为手臂壁管，18为手臂同心管，19为手臂关节，18a为小臂的同心管，18b为大臂的同心管。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面基于本申请所述的一种模块化关节式动力机械手臂设备，对其实施例进行详细描述。如图1-6所示，其分别为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备的结构示意图，具体实现过程包括以下部分：动力箱1、大臂2、肘关节3、小臂4、腕关节5、末端抓取装置6。其中，所述大臂2一端与所述动力箱1连接，所述大臂2的另一端和所述小臂4的通过所述肘关节3连接，所述小臂4的一端通过所述腕关节5与所述末端抓取装置6连接，所述动力箱1通过肩关节7与基座或者移动平台相连，从而实现机械手臂的“6+1”自由度，其自由度分布如图2所示，机械手臂的6个自由度分别为肩关节7、大臂旋转关节9、肘关节3、小臂旋转关节8、腕关节5、末端旋转关节，另外1个自由度为末端手抓的开合。

如图3所示，其为本申请实施例提供的一种模块化关节式动力机械手臂设备中动力箱的内部结构示意图。

所述动力箱1的内部结构主要分为三层，具体包括用于为每个关节提供动力的动力层10、用于采集各轴的输出扭矩并反馈至控制系统进而结算末端输出力的传感器层11以及用于进行动力输出的齿轮箱层12。其中，所述动力层10分布设置有伺服电机和减速器；所述传感器层11安装有至少一个扭矩传感器，所述扭矩传感器的输入轴与减速器的输出轴相连，所述扭矩传感器的输出轴与齿轮箱的输入轴相连；所述齿轮箱层12由至少一组齿轮组成，所述扭矩传感器的输出轴分别安装有小齿轮14，动力箱1的输出为至少一个同心轴，每个同心轴上安装有大齿轮13，所述大齿轮13分别与相应的所述小齿轮14啮合。需要说明的是，所述齿轮箱主要作用包括：第一是将输出到各个同心管的不同动力源分布到动力箱1的四周，方便电机的固定；第二是进一步起到减速增扭的作用。

在一个具体实施过程中，在动力层10可分布设置6个伺服电机和减速器，用于给每个关节提供动力。传感器层11安装设置6个扭矩传感器，扭矩传感器的输入轴与减速器的输出轴相连，扭矩传感器的输出轴与齿轮箱的输入轴相连，用于采集各轴的输出扭矩，并反馈至控制系统，进而结算末端输出力。齿轮箱由6组齿轮组成，扭矩传感器的输出轴分别安装小齿轮14，所述动力箱1的输出设置为6个同心轴，每个轴上安装有大齿轮13，并分别与相应的小齿轮14啮合，从而完成动力传输。

如图4-6所示，所述大臂2和所述小臂4的结构类似，都是由若干根同心管构成，在所述大臂2处，所述同心管之间依靠润滑衬套相互支撑，每个同心管传递一个伺服电机的动力到关节处，所述动力每经过一个运动关节，由最外层的同心管负责驱动所述关节运动，在后续的臂管结构中将会减少一层臂管结构，由于大臂2与小臂4结构类似，在此不再重复赘述。

所述肘关节3和所述腕关节5的结构相似。在肘关节3处，所述大臂的同心管18b与所述肘关节3连接。其中，所述大臂2最外侧的同心管与肘关节3的外壳固定连接，所述大臂2内侧的若干个同心管分别与锥齿轮16连接；最外侧的锥齿轮16负责肘关节3的运动，内侧的若干个锥齿轮16通过与下一级的锥齿轮16啮合来改变传动方向将动力传输至所述小臂的同心管18a，由于腕关节5与肘关节3结构类似，在此不再重复赘述。

如图7-9所示，在具体实施过程中，可采用图7形式进行固定安装，其可用于热室、手套箱、容器等贯穿式作业。这种方式可以确保含有电子元器件的动力箱1布置在安全的绿区，只有不含电气设备的手臂在辐射环境中工作，从而便于检修和维护。除此之外，可采用图8形式进行基座安装，其可用于生产线、检修大厅、车辆、移动底盘等，该类型设备跟随安装平台进行移动，从而使得应用领域和作业面更加广泛。另外，还可采用图9形式实现移动平台安装，其可用于退役厂房、热室、检修平台等。该种双臂配置方式，使得操作感官和形式更接近真实双手作业，操作将更灵活方便。需要说明的是，在实际实施过程中可按照需要进行灵活安装和设置，上述举例不做具体限定。

采用本申请所述的模块化关节式动力机械手臂设备，简化了机械手臂关节19整体构型，降低机械手臂整体重心，增强系统的稳定性，增加关节的装配精度，提高关节输出精度，能够根据目标示范应用场景需求，明确模块化机械手负载及操作空间的指标范围，实现针对不同需求下的模块化手臂灵活搭配。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用模块化的硬件来实现。以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

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