基于行星轮系的桁架机械手的制作方法

本发明涉及核电站机器人技术领域,具体为一种基于行星轮系的桁架机械手。

背景技术：

现如今核电站反应堆都是利用金属铀等材料的链式裂变反应产生巨大的热能,在裂变的过程中,会产生一定的放射性污染物。核电站回路中，化学和容积控制系统RCV滤芯需要定期更换。

美国RoboProbe Technologies公司研制的一种7自由度的液压驱动操作手臂PREDATOR，用于核工厂设备的维护维修和核物质处理工作，有效减少了工作的事故率，能够以与人类相似的移动和速度完成工作任务。美国Schilling Robotics公司生产的TITAN系列机械手臂具有较强的抗辐射能力，其中TITAN T-Gamma由一个六关节的微缩主手进行控制，在屏幕上显示出操作状态，具有易于操作的特点，目前被核电力工厂及美国能源部应用在包括核电站的维修、日常核清理及核废物处理等方面。

现在国内大多采用人力更换，更换滤芯作业强度大，危险系数极高，无法避免强辐射危险。一旦发生事故，会造成人员和经济的极大损失。由于核电站作业环境复杂、核辐射及核泄漏的威胁，开发一款作业稳定性好的机械手显得尤为重要。

现有的相关抓取机械手,如申请号为201511002154.5的中国专利公开的托辊抓取机械手,其两个手爪外形分别为同一直径的半圆,其只能抓取同一种规格的圆柱型物体,对于不同直径的物体还需要更换不同规格的机械手指才能完成作业任务；如申请号为201610330802.8的中国专利公开的用于核电站更换滤芯的双作用机械手，其末端执行器一端用于松紧螺母，另一端用于更换滤芯，只能实现对单一螺母的定位与松紧，并且结构稳定性不够好。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于行星轮系的桁架机械手。该机械手可实现一次多螺母定位，夹取精度高，采用线性运动，稳定性好，工作效率显著提高。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：提供一种基于行星轮系的桁架机械手，其特征在于该机械手包括行星轮系结构、拨爪结构、上层、夹装结构、下层和外框架，所述上层和下层均能沿外框架的高度方向上下移动，行星轮系结构和拨爪结构按照上下位置分别固定在上层上，在下层上安装夹装结构；

所述上层包括拉取结构、上层顶板、上层边框、工字板电机、上层底板和工字板；上层顶板和上层底板通过上层边框固定连接，且上层顶板和上层底板能沿外框架的高度方向上下移动；所述工字板的四个边角上分别连接有一个导轨，四个导轨平行设置，且四个导轨的两端均固定在上层边框上，所述四个导轨中有一个导轨为滚珠丝杠，该滚珠丝杠的一端通过联轴器连接工字板电机，所述工字板电机通过电机基座和电机弯板固定于上层底板上；工字板电机驱动该滚珠丝杠转动；所述拉取结构固定在上层底板的下表面；

所述拉取结构包括拉钩和拉取电机，在上层底板的下表面，沿工字板的运动方向上，平行布置两根导轨，其中一根导轨为滚珠丝杠，滚珠丝杠通过联轴器与拉取电机连接，所述拉取电机通过电机弯板固定于上层底板的下表面，所述拉钩与上层底板下表面的滚珠丝杠的螺母座连接；

所述行星轮系结构包括拧螺母电机、后挡板、内啮合大齿轮、主动齿轮、驱动轴、挡片、行星轮、连接轴、大轴承、小轴承及万能拆装结构；所述拧螺母电机通过电机弯板、电机基座固定在工字板的上部，拧螺母电机的输出轴通过联轴器与驱动轴的一端连接，驱动轴的另一端穿过后挡板，并通过大轴承将后挡板与主动齿轮固定连接；所述内啮合大齿轮与主动齿轮同轴安装在后挡板的前部，在内啮合大齿轮与主动齿轮之间的空间内均匀布置有若干数量的行星轮，若干数量的行星齿轮均与内啮合大齿轮和主动齿轮相啮合，每个行星齿轮的前端面均设有万能拆装结构安装孔，万能拆装结构安装于万能拆装结构安装孔内，每个行星轮均通过相应的连接轴、小轴承与后挡板连接；同时在每个行星轮的前端面上均安装挡片；

所述拨爪结构包括拨爪、拉杆、套筒、拨爪开合电机、齿轮、齿条和拉伸杆，所述套筒固定于工字板的下部上，拨爪开合电机通过电机基座和电机弯板固定于工字板上；所述拉伸杆前端穿过套筒，与若干数量的拨爪连接，拉伸杆后部设有齿条，所述拨爪开合电机的输出轴连接齿轮，齿轮与拉伸杆上的齿条相啮合；所述套筒的外部通过销轴均匀连接有与行星轮数量相匹配的拉杆，每个拉杆的另一端通过销轴连接相应拨爪的中部，拨爪数量与拉杆数量一致；

所述下层包括夹装驱动电机和下层板；下层板的四个边角与外框架连接，下层板能沿外框架的高度方向上下移动；在下层板的上表面沿工字板的运动方向上，平行布置有两个滚珠丝杠，这两个滚珠丝杠均通过联轴器连接有一个夹装驱动电机，夹装驱动电机通过电机弯板固定于下层板；在下层上的两个滚珠丝杠上安装有两个夹装结构，一个滚珠丝杠驱动一个夹装结构动作，夹装结构在相应滚珠丝杠的驱动下前后移动。

与现有技术相比,本发明的有益效果是：

1)本发明的行星轮系结构是一种新型高效的松紧螺母结构，在行星轮系中有四个行星轮，每个行星轮上加工有六角形孔，六角形孔内安装万能拆装结构，对于位置固定的多螺母结构，可实现一次多定位，使松紧螺母的时间大大缩短，且齿轮的啮合可以使各螺母受力接近一致。其安装的万能拆装结构，对工具和螺母尺寸匹配的要求远远降低，适应性更强。

2)本发明的拨爪结构上装有四个拨爪，通过拉伸杆的线性运动，同时控制四个拨爪的开合，以此可以实现一次拨多个螺母，且拉伸杆上装有齿条，通过拨爪开合电机上齿轮与齿条啮合驱动拉伸杆，拨爪工作精度高；在上下两个拨爪各有一个楔形块，在过滤器外盖的开合过程中用此结构卡住过滤器外盖，工作效率显著提高。

3)采用由夹装电机控制夹子运动的夹装结构，可以夹持不同尺寸的滤芯，且夹持稳定，此机械手工作时，采用两个结构相同的夹装结构轮流运动，可以有效减少桁架的结构尺寸。

4)本发明整体采用桁架结构，结构清晰，动作稳定，各层功能明确，与多关节手臂结构机械手相比，整体稳定性好。用对角线上的滚珠丝杠和螺母座配合实现桁架层(上层和下层)的运动，运动精度高，结构变形小。

附图说明

图1为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的总体主视结构示意图；

图2为本发明基于行星轮系的桁架机械手上层3的右视结构示意图；

图3为本发明基于行星轮系的桁架机械手上层的拉取结构示意图；

图4为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的行星轮系结构的等轴测结构示意图；

图5为本发明基于行星轮系的桁架机械手行星轮系结构的部分结构示意图；

图6为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的万能拆装结构的立体结构示意图；

图7为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的拨爪结构2的左视结构示意图；

图8为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的下层5的立体结构示意图；

图9为本发明基于行星轮系的桁架机械手一种实施例的夹装结构4的立体结构示意图；

图10为本发明基于行星轮系的桁架机械手的外框架的主视结构示意图；

图11为图10中A-A剖视结构示意图；

图中，1-行星轮系结构、2-拨爪结构、3-上层、4-夹装结构、5-下层、6-外框架、101-拧螺母电机、102-六边形底板、103-后挡板、104-内啮合大齿轮、105-主动齿轮、106-驱动轴、107-挡片、108-行星轮、109-连接轴、110-大轴承、111-小轴承、112-内圆筒、113-柱体、114-弹簧、201-拨爪、202-拉杆、203-套筒、204-拨爪开合电机、205-拉伸杆、206-齿轮、207-齿条、301-上层顶板、302-上层边框、303-工字板电机、304-拉钩、305-工字板、306-上层底板、307-拉取电机、401-夹装电机、402-轴、403-第一夹子、404-第二夹子、405-夹座、501-夹装驱动电机、502-下层板、601-右侧板、602-前侧板、603-下底板、604-框架电机。

具体实施方式

下面结合实例及其附图详细描述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明基于行星轮系的桁架机械手(参见图1)包括行星轮系结构1、拨爪结构2、上层3、夹装结构4、下层5和外框架6，所述上层3和下层5均能沿外框架的高度方向上下移动，行星轮系结构1和拨爪结构2按照上下位置分别固定在上层3上，在下层5上安装夹装结构4；

所述上层3(参见图2)包括拉取结构、上层顶板301、上层边框302、工字板电机303、上层底板306和工字板305；上层顶板301和上层底板306通过上层边框302固定连接，且上层顶板301和上层底板306能沿外框架的高度方向上下移动；所述工字板305的四个边角上分别连接有一个导轨，四个导轨平行设置，且四个导轨的两端均固定在上层边框302上，所述四个导轨中有一个导轨为滚珠丝杠，该滚珠丝杠的一端通过联轴器连接工字板电机303，所述工字板电机303通过电机基座和电机弯板固定于上层底板306；工字板电机303驱动该滚珠丝杠转动，进而带动工字板305沿四个导轨前后移动；所述拉取结构固定在上层底板306的下表面；

所述拉取结构(参见图3)包括拉钩304和拉取电机307，在上层底板306的下表面，沿工字板305的运动方向上，平行布置平行布置两根导轨，其中一根导轨为滚珠丝杠，滚珠丝杠通过通过联轴器与拉取电机307连接，所述拉取电机307通过电机弯板固定于上层底板306的下表面，所述拉钩304与上层底板306下表面的滚珠丝杠的螺母座连接，当拉取电机307带动与拉钩304连接的滚珠丝杠转动时，拉钩304前后移动，当拉取电机307带动与拉钩304连接的滚珠丝杠反向转动时，拉钩304后移，正向转动时，拉钩304前移；

所述行星轮系结构1(参见图4-5)包括拧螺母电机101、后挡板103、内啮合大齿轮104、主动齿轮105、驱动轴106、挡片107、行星轮108、连接轴109、大轴承110、小轴承111及万能拆装结构；所述拧螺母电机101通过电机弯板、电机基座固定在工字板305的上部，拧螺母电机的输出轴通过联轴器与驱动轴106的一端连接，驱动轴的另一端穿过后挡板103，并通过大轴承110将后挡板103与主动齿轮105固定连接；所述内啮合大齿轮104与主动齿轮105同轴安装在后挡板103的前部，在内啮合大齿轮104与主动齿轮105之间的空间内均匀布置有若干数量的行星轮108，若干数量的行星齿轮108均与内啮合大齿轮104和主动齿轮105相啮合，每个行星齿轮108的前端面均设有万能拆装结构安装孔，万能拆装结构安装于万能拆装结构安装孔内，每个行星轮108均通过相应的连接轴109、小轴承111与后挡板103连接；同时在每个行星轮108的前端面上均安装挡片107；

所述万能拆装结构安装孔为六边形，所述万能拆装结构(参见图6)包括内圆筒112、柱体113、弹簧114和六边形底板102；六边形底板102固定在行星轮108的万能拆装结构安装孔内，在六边形底板102的前端面中心安装内圆筒112；以内圆筒112为中心，在六边形底板102的前端面上安装若干数量的弹簧114，每个弹簧114的另一端均连接一个柱体113；所述柱体113与弹簧114接触部分为空心结构，不接触的部分为实心结构，弹簧能够插入柱体的空心结构中，且弹簧与柱体113的高度之和大于内圆筒112的高度，且高度差为一个螺母高度；当万能拆装结构与螺母接触后，随着工字板305的向前和向后运动，与柱体113连接的弹簧114将压缩和恢复，在松紧螺母时，与螺母接触部分的柱体113会被压入，随着行星轮旋转，柱体跟随行星轮转动，以此松紧螺母。圆筒112对周围柱体113起束缚作用，使周围柱体处于竖直状态。

当通过行星轮系结构1拧松螺母时，工字板电机303带动与工字板305相连的滚珠丝杠转动，从而使工字板305向前运动，与工字板305连接的行星轮系结构1向前运动，使万能拆装结构大致对准螺母即可，当柱体113与螺母接触后，此时与螺母接触的柱体113及与柱体相连的弹簧114会压缩，行星轮系结构1继续向前运动到指定位置，工字板电机303停止工作，此时拧螺母电机101启动，主动齿轮105做顺时针转动，行星轮108做逆时针转动，内啮合大齿轮104做顺时针转动，与之相对应的螺母做逆时针转动，进行拆卸，当螺母与内圆筒112接触时，拧螺母电机101停止工作，工字板电机303启动，工字板305向后运动，行星轮系结构1向后运动，完成螺母拧松。

当通过行星轮系结构1拧紧螺母时，工字板电机303带动与工字板305相连的滚珠丝杠转动，从而工字板305向前运动，与工字板305连接的行星轮系结构1向前运动，使万能拆装结构大致对准螺母即可，此时与螺母接触的柱体113及与柱体113相连的弹簧114会压缩，当螺母与内圆筒112接触后，工字板电机303停止工作，拧螺母电机101启动，主动齿轮105做逆时针转动，行星轮108做顺时针转动，内啮合大齿轮104做逆时针转动，与之相对应的螺母做顺时针转动，当螺母拧紧后，拧螺母电机101停止工作，工字板电机303启动，工字板305向后运动，然后行星轮系结构1向后运动，完成螺母拧紧。

所述拨爪结构2(参见图7)包括拨爪201、拉杆202、套筒203、拨爪开合电机204、齿轮206、齿条207和拉伸杆205，所述套筒203固定于工字板305的下部上，拨爪开合电机204通过电机基座和电机弯板固定于工字板305上；所述拉伸杆208前端穿过套筒203，与若干数量的拨爪201连接，拉伸杆208后部设有齿条207，所述拨爪开合电机204的输出轴连接齿轮206，齿轮206与拉伸杆208上的齿条207相啮合；所述套筒203的外部通过销轴均匀连接有与行星轮数量相匹配的拉杆202，每个拉杆202的另一端通过销轴连接相应拨爪201的中部，拨爪201数量与拉杆数量一致；

拨爪开合电机204启动，与齿轮206啮合的齿条207向前移动，拉伸杆208前移，拉杆202转动，拨爪201张开，从而可以将相应数量的螺母同时拨开；当拨爪开合电机204反向转动时，与齿轮206啮合的齿条207向后移动，拉伸杆208后移，拉杆202转动，拨爪201收缩，可以将相应数量的螺母同时拨回。

所述下层5(参见图8)包括夹装驱动电机501和下层板502；下层板502的四个边角与外框架6连接，下层板502能沿外框架的高度方向上下移动；在下层板502的上表面沿工字板305的运动方向上，平行布置有两个滚珠丝杠，这两个滚珠丝杠均通过联轴器连接有一个夹装驱动电机501，夹装驱动电机501通过电机弯板固定于下层板502；

在下层5上的两个滚珠丝杠上安装有两个夹装结构4，一个滚珠丝杠驱动一个夹装结构4动作，夹装结构4在相应滚珠丝杠的驱动下前后移动；每个夹装结构4(参见图9)包括夹装电机401、轴402、第一夹子403、第二夹子404和夹座405；所述夹座405的两端穿过下层5上的两个滚珠丝杠，且与其中一个滚珠丝杠的螺母座连接；在夹座405的中部左右对称安装有第一夹子403和第二夹子404，所述第二夹子404通过销轴与夹座405连接，第一夹子403与轴402固连，夹装电机401的输出端的齿轮与轴402上的齿轮相啮合；所述夹装电机401通过电机基座固定于夹座405上；夹装电机401动作，带动第一夹子403夹紧和放松；第一夹子403和第二夹子404张合恰好能加紧待抓取部件。

本发明的进一步特征在于所述外框架6的左右两个侧面上，分别平行对称布置有两个滚珠丝杠导轨(参见图11)，上层顶板301、上层底板306及下层板502的四个边角均与外框架6上的四个滚珠丝杠导轨连接；且位于上层顶板301对角线位置上的两个滚珠丝杠导轨同时驱动整个上层3上下移动，另外两个对角线位置上的滚珠丝杠导轨同时驱动整个下层5上下移动。采用位于对角线位置上的两个滚珠丝杠导轨控制上层3或下层5的整体上下移动，能够显著提高结构稳定性好，且结构不易变形。外框架为桁架，桁架层结构指上层3、下层5构成的结构。

所述外框架6(参见图10)包括左侧板、右侧板601、后侧板、前侧板602、上底板、下底板603和框架电机604；左侧板、右侧板601、后侧板、前侧板602、上底板、下底板603组装成外部框架结构，在左侧板和右侧板601上沿高度方向上分别平行布置两根滚珠丝杠导轨，每个滚珠丝杠导轨均通过联轴器连接一个框架电机604，框架电机604通过电机基座固定于下底板上；框架电机604可带动滚珠丝杠转动，从而使上层3、下层5上下移动。

本发明的进一步特征在于所述外框架前侧板的高度与滤芯移动平台的高度一致。

本发明的进一步特征在于所述行星轮的数量为2-6个。优选行星轮的数量为四个。

本发明的进一步特征在于位于上、下位置的两个拨爪上各设有一个楔形块，在过滤器外盖的开合过程中用此结构卡住过滤器外盖，进一步提高工作效率。

本发明基于行星轮系的桁架机械手的整体工作过程如下：

抽出滤芯过程为：框架电机604带动控制上层3移动的滚珠丝杠转动，上层3下移，当主动齿轮105中心与滤芯外盖中心重合时，框架电机604停止动作，然后完成螺母拧松；框架电机604带动控制上层3移动的滚珠丝杠转动，上层3上移，当拨爪拉伸杆205中心与滤芯外盖中心重合时，框架电机604停止工作，此时工字板电机303带动与工字板305相连的滚珠丝杠转动，工字板305向前运动，到合适位置，工字板电机303停止运动，然后剥螺母，上层3上移，用拨爪201上的楔形结构将滤芯盖拨开，工字板电机303带动与工字板305相连的滚珠丝杠转动，工字板305向后运动。框架电机604带动控制上层3移动的滚珠丝杠转动，上层3继续向上移动，然后拉取电机307带动与拉钩304相连的滚珠丝杠转动，拉钩304向前运动，此时拉钩304应位于滤芯圆环的下方，框架电机604带动控制上层3移动的滚珠丝杠转动，上层3继续向上运动，当拉钩304前端圆环中心与滤芯圆环平齐时，框架电机604停止工作，拉取电机307带动与拉钩304相连的滚珠丝杠转动，滤芯被拉出。当拉钩304运动到极点时，拉取电机307停止工作，下层5上移，当第二夹子404与滤芯接触时，下层5停止上移。夹装电机401动作，带动第一夹子403将其夹紧，拉钩304前移，当拉钩304与滤芯环口接触后，停止前移，上层3下移，同时拉钩后移，然后上层3上移到指定位置。夹装驱动电机501带动与夹装结构4连接的滚珠丝杠转动，夹装结构4带动滤芯移动，当夹装结构4到端点时，下层5下移到指定位置，夹装电机401动作，第一夹子403松开，然后另一夹装结构做相同运动，将滤芯继续抽出。至此，完成滤芯抽出过程。

装入滤芯过程：上层3下移，当拉手位于滤芯圆环的下方时，停止动作，然后拉取电机307带动与拉钩304相连的滚珠丝杠转动，拉钩304向后运动，此时上层3上移，当拉钩304前端圆环中心与滤芯圆环平齐时，停止上移，拉取电机307带动与拉钩304相连的滚珠丝杠转动，滤芯被拉入；当拉钩304运动到极点时，夹装电机401动作，带动第一夹子403将其夹紧，拉钩304后移，当拉钩304与滤芯圆环接触后，停止后移，上层3下移，同时拉钩304前移，然后上层3上移到指定位置。下层5上移到滤芯中心与滤芯孔中心平齐，夹装驱动电机501带动与夹装结构4连接的滚珠丝杠转动，夹装结构4带动滤芯移动，当夹装结构4到端点时，夹装电机401动作，第一夹子403松开，另一夹装结构做相同过程，当此夹装结构4到极点后，夹装电机401动作，第一夹子403松开，上层3下移，拉钩304对准滤芯将其推入，上层3下移，用拨爪201的楔形结构将外盖合上，然后上层3上移，当拨爪拉伸杆208中心与滤芯外盖中心对齐时停止运动，框架电机604停止工作，此时工字板电机303带动与工字板305相连的滚珠丝杠转动，工字板305向前运动，工字板电机303停止运动，将螺母拨回，框架电机604带动控制上层3移动的滚珠丝杠转动，上层3下移，当主动齿轮105中心与滤芯中心平齐时，框架电机604停止动作，然后完成螺母拧紧，然后上层3、下层5回到原始位置。

本申请的机械手是针对核电站更换滤芯工况设计的，同时也适用于其他需要更换此类柱体结构的工况；本申请机械手结构更加稳定，可以实现一次对多个螺母的同时定位，同时还设计了拨爪结构，以此来完成拨螺母过程，夹装结构通过电机控制夹子转动来夹持物体；相比于之前的机械手(如上文提到的申请号为201511002154.5的专利)克服了稳定性不好，对于多个螺母需要依次定位，过程繁琐，夹持物体规格有要求较高的缺点。

本发明中所述的前后、上下、左右是相对过滤器的位置而言的。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护范围。