CN115106739B - 一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，涉及机械臂技术领域；包括：密闭基座，所述密闭基座设有安装腔，且所述密闭基座为金属材质；液压关节，所述液压关节安装在所述安装腔内；第一回转臂，所述第一回转臂位于所述基座外，且所述第一回转臂的一端与所述液压关节传动连接；电机关节，所述电机关节的一端与所述第一回转臂的另一端传动连接，所述电机关节外罩设有屏蔽罩；第二回转臂，所述第二回转臂的一端与所述电机关节的另一端传动连接，所述第二回转臂的另一端设有电动夹爪。本发明同时对液压关节和电机关节做物理屏蔽处理，以通过液压关节和电机关节的配合，能够在确保操作臂具有足够动作精度的同时，提高其负载能力。

Description

一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，属于聚变堆机器人微操作臂***设计领域，具体涉及一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂。

背景技术

聚变堆在运行过程中，包层、偏滤器等堆芯部件在聚变堆整个生命周期内多次通过遥控操作***进行维修、翻新。聚变堆机器人运行过程中，将面临强辐射、、高温、真空、强磁场、狭隘空间等苛刻环境，在功能需求、高剂量辐射作业环境等方面均有其特殊性。

聚变堆机器人要求至少能够耐受5×10⁶Gy的γ总辐照剂量，且为确保能够在较短的停堆时间内高效、精准地完成大量的遥控操作任务，通常采用纯电机驱动的方式进行控制，且耐辐照总剂量仅为1×10⁶Gy，但是聚变堆内部件重量大，，对液压驱动的方式需求较多。在机器人***设计中，微操作臂位于整个机械臂的末端部分，将直接影响其控制精度和整体功能的实现，且现有电子器件抗辐射能力较弱，同时受到控制器、驱动电机、绝缘材料、润滑及密封技术的限制，并且常规电机驱动的操作臂难以满足聚变堆的运维需求。

发明内容

针对现有电机驱动的操作臂难以满足聚变堆运维需求的技术问题；本发明提供了一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，能够在确保操作臂具有足够动作精度的同时，提高其负载能力。

本发明通过下述技术方案实现：

本发明提供了一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，包括：密闭基座，所述密闭基座设有安装腔，且所述密闭基座为金属材质；液压关节，所述液压关节安装在所述安装腔内；第一回转臂，所述第一回转臂位于所述基座外，且所述第一回转臂的一端与所述液压关节传动连接；电机关节，所述电机关节的一端与所述第一回转臂的另一端传动连接，所述电机关节外罩设有屏蔽罩；第二回转臂，所述第二回转臂的一端与所述电机关节的另一端传动连接，所述第二回转臂的另一端设有电动夹爪。

本发明提供的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，液压关节安装在金属材质的密闭基座内，能够由密闭基座为液压关节提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对液压关节的密封原件、润滑材料和控制器件造成影响，使得液压关节能够正常工作，同时，在电机关节外罩设有屏蔽罩，以通过屏蔽罩对电机关节提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对电机的正常工作造成影响。

其中，液压关节安装在密闭基座上，第一回转臂传动连接液压关节和电机关节，而电机关节通过第二回转臂带动电动夹爪工作，由于液压关节能够提供足够的载荷能力，从而使得操作臂有足够的载荷能力，而电机关节设置在靠近电动夹爪的一侧，使得电动夹爪有足够的位移精度，并通过电动夹爪夹持器件，使得操作臂有足够的动作精度。

综上，本发明提供的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，同时对液压关节和电机关节做物理屏蔽处理，以通过液压关节和电机关节的配合，能够在确保操作臂具有足够动作精度的同时，提高其负载能力。

在一可选的实施方式中，所述液压关节包括：液压执行器，所述液压执行器的第一转轴一端与所述第一回转臂的一端传动连接；液压旋转变压器，所述液压旋转变压器用于监测液压关节的转动角度；电液伺服阀，所述电液伺服阀用于控制所述液压执行器的第一转轴的转速和转向，以通过电液伺服阀和液压旋转变压器的配合精准的控制液压执行器动作。

在一可选的实施方式中，所述第一转轴为中空轴，且所述液压旋转变压器为中通的环状，以便于将操作臂的电缆从液压关节中穿过，一方面避免操作臂的电缆对液压关节的旋转造成干涉，另一方面操作臂的电缆布设在液压关节内部，可避免高剂量γ辐照对操作臂的电缆造成影响。

在一可选的实施方式中，所述电液伺服阀经耐辐照加固处理，以确保电液伺服阀有足够的耐辐照性能。

在一可选的实施方式中，所述第一回转臂为中空的金属壳体结构，以便于将操作臂的电缆从液压关节中部经第一回转臂内布设至电机关节，进而通过第一回转臂为操作臂的电缆通过物理屏蔽。

在一可选的实施方式中，所述电机关节包括：电机旋变器，所述电机旋变器一端与所述第一回转臂的一端传动连接；力矩电机，所述力矩电机的第二输出轴一端与所述电机旋变器的另一端传动连接；减速器，所述减速器输入端与所述力矩电机传动连接，所述减速器另一端与所述第二回转臂传动连接，以通过减速器降低力矩电机的输出转速，并配合和液压旋转变压器的配合精准的控制第二回转臂动作。

在一可选的实施方式中，所述减速器为谐波减速器，相对于采用普通行星减速器，可减少减速器的用料，从而减小体积及重量，利于***轻量化、小型化和关节集成设计。

在一可选的实施方式中，所述电机旋变器、所述力矩电机和所述减速器中部均设有中通的通道，以适应从电机关节中部穿线的使用需求，达到简化走形和对线缆耐辐照保护的双重目的。

在一可选的实施方式中，所述第二回转臂为中空的金属壳体结构，以便于将操作臂的电缆从电机关节中部经第二回转臂内布设至电动夹爪，进而通过第二回转臂为电动夹爪的电缆进行物理屏蔽。

在一可选的实施方式中，所述电动夹爪安装电子器件的一端位于所述第二回转臂内，以通过第二回转臂为电动夹爪的电子器件提供物理屏蔽，进一步提供电动夹爪的耐辐照性能。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，液压关节安装在金属材质的密闭基座内，能够由密闭基座为液压关节提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对液压关节的密封原件、润滑材料和控制器件等造成影响，使得液压关节能够正常工作，同时，在电机关节外罩设有屏蔽罩，以通过屏蔽罩对电机关节提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对电机的正常工作造成影响，并且由于液压关节能够提供足够的载荷能力，从而使得操作臂有足够的载荷能力，而电机关节设置在靠近电动夹爪的一侧，使得电动夹爪有足够的位移精度，并通过电动夹爪夹持器件，因此，本发明能够在确保操作臂具有足够动作精度的同时，提高其负载能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在附图中：

图1为本发明实施例耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂的立体结构示意图；

图2为本发明实施例耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂的剖面结构示意图；

图3为本发明实施例液压关节的剖面结构示意图；

图4为本发明实施例电机关节与电动夹爪相连的立体结构示意图；

图5为本发明实施例电机关节与电动夹爪相连的剖面结构示意图；

图6为本发明实施例力矩电机的剖视结构示意图；

图7为本发明实施例减速器的剖视结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

10-密闭基座，11-安装腔，12-基座盖板，13-基座侧板，14-电液接口，20-液压关节，21-液压执行器，22-第一转轴，23-液压旋转变压器，24-电液伺服阀，30-第一回转臂，40-电机关节，41-电机旋变器，42-力矩电机，43-减速器，43a-波发生器，43b-刚轮，43c-柔轮，43d-交叉滚子轴承，50-第二回转臂，60-电动夹爪，70-屏蔽罩。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请实施例的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“纵向”、“侧向”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“开有”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

结合图1，本实施例提供了一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，包括：密闭基座10，所述密闭基座10设有安装腔11，且所述密闭基座10为金属材质；液压关节20，所述液压关节20安装在所述安装腔11内；第一回转臂30，所述第一回转臂30位于所述基座外，且所述第一回转臂30的一端与所述液压关节20传动连接；电机关节40，所述电机关节40的一端与所述第一回转臂30的另一端传动连接，所述电机关节40外罩设有屏蔽罩70；第二回转臂50，所述第二回转臂50的一端与所述电机关节40的另一端传动连接，所述第二回转臂50的另一端设有电动夹爪60。

应当理解的是，遥操作机器人特种微操作臂为一套完整的耐辐照微操作臂关节***，由微操作臂本体和外部驱控设备两部分组成。其中微操作臂本体需采取耐辐照设计，是整机辐照试验的主体受试部件，液压油源、电控柜、电动夹爪60以及外部电缆等作为微操作臂关节***的辅助驱控试验设备，不进行辐照考核。

对于外部驱控设备，由电控柜(含软件)、液压***、可移动式基座和外部电缆敷设共组成。外部驱控设备整体处于外部无核环境，用于在上电功能测试环节为微操作臂提供电液动力和控制信号。而微操作臂液压关节20的动力输入，则是通过液压油源和输油管道提供的；微操作臂的液压关节20阀组控制信号，电动关节的动力及控制信号，电动夹爪60的动力及控制信号分别由外部电控柜通过液压关节20驱控电缆、电动关节驱控电缆和电动夹爪60驱控电缆来完成动力输送和控制信号交互。对于，操作臂本体外表面(包括密闭基座10、第一回转臂30、屏蔽罩、第二回转臂50和电动夹爪60的表面)整体避免凹槽式结构设计，可防止污染物沉积和附着。

具体的：

结合图2和图3，密闭基座10采去空腔式设计，在底座本体的基础上，设置有基座盖板12和基座侧板13，在基座的安装腔11内，集成液压***的高低压油路，无需附加液压管路的连接。同时在密闭基座10上设计电液接口，在需要对操作臂上电时，可通过电液接口实现外部控制***与内部电液元件的快速连接。

在本实施例中，电液接口布置在基座侧板13上，且与基座侧板13采取一体化构型设计。在基座侧面上部布置有2路电气接口，分别为电动关节驱动接口和液压关节20驱动接口。两路接口的电连接器均选用核工业级航空接插件，如：电动关节驱动接口采用HDC/YK33T4K310AG型插座、液压关节20驱动接口采用HDC/YK33T1K308AG型航插，其辐照等级为5×10⁶Gy。

密闭基座10安装基座侧板13的一侧，下部布置液压进出油管接头。管接头选用耐辐照液压管接头，可方便的完成液压油管的对插连接。管接头的密封O型圈采用耐辐照橡胶(通常为EPDM)，整体可耐辐照性能5×10⁶Gy(再高量级辐照需测试验证)。

对于密闭基座10的材料，采用可耐高剂量γ辐照的金属材料，如钨镍合金、铝合金等，在本实施例中，密闭基座10采用锻铝合金材料制作，设计壁厚为9～15mm，优选采用11mm的壁厚。通过计算得知，5×10⁶Gy的辐照剂量在通过基座腔壁后内部剂量衰减为4.24×10⁶Gy，可见基座金属壳体能起到一定的辐照衰减作用。

需要说明的是，对于γ射线，金属结构具有较好的耐辐射性能，只有长期高剂量率照射才会从宏观上表现出屈服强度和延展性等力学性能的变化。铝、不锈钢、铁、铜和铜合金等金属的辐射损伤剂量(材料或器件性能明显下降或失效时能够承受的累积剂量)在6×10⁹～5×10¹¹Gy之间。钨镍合金作为γ射线辐射屏蔽效果较佳的材质，不但耐辐射，而且对辐照剂量可以起到良好的屏蔽削弱效果。

结合图3，所述液压关节20包括：液压执行器21，所述液压执行器21的第一转轴22一端与所述第一回转臂30的一端传动连接；液压旋转变压器23，所述液压旋转变压器23用于监测液压关节20的转动角度；电液伺服阀24，所述电液伺服阀24用于控制所述液压执行器21的第一转轴22的转速和转向，以通过电液伺服阀24和液压旋转变压器23的配合精准的控制液压执行器21动作。

即，液压驱动关节由控制器、伺服阀驱动板、电液伺服阀24、液压执行器21以及液压旋转变压器23构成负反馈控制回路，液压关节20连接密闭基座10和第一回转臂30两个部件，以通过液压执行器21的第一转轴22带动第一回转臂30，完成部件之间的相对回转运动。

可知的是，液压执行器21外壳固定于密闭基座10的壳体上，液压旋转变压器23的定子与液压执行器21外壳固定连接，液压旋转变压器23的转子通过一定压紧力，使其与液压执行器21第一转轴22连接，使得液压旋转变压器23能够对液压关节20转动角度进行实时测量。液压旋转变压器23采集液压关节20的转角信号，经解角卡转换为角度值数据，通过相应串口向控制器(通常为PLC)反馈，控制器将当前角度值与期望角度值进行对比，形成电液伺服阀24控制信号，并向电液伺服阀24驱动板发送控制指令帧，电液伺服阀24驱动板解析指令后，输出电流信号至电液伺服阀24，控制其开口方向和大小，实现对液压执行器21转速和转向的控制。

继续结合图3，液压执行器21包括：液压执行器21缸体、缸体前盖、缸体后盖、第一转轴22，结构件均采用金属材料，本身对辐照不敏感，可以承受强辐照。薄弱环节在于高辐照情况下的各类密封件，最容易发生老化失效现象。为满足***的耐辐照要求，本实施例的液压执行器21的密封件(Ο型圈)采用耐高辐照的5080HG6-408-79型丁腈橡胶材料进行制作，使得液压执行器21整体能够耐受5×10⁶Gy辐照。

另外，处于后端电动关节的元器件和执行元件，如无刷力矩电机42、电机测速旋转变压器等器件，其电气线束需要穿过液压关节20向后端敷设。而液压关节20作为密闭基座10与第一回转臂30连接的机构，部件之间会发生相对转动，因此后端线束在通过液压关节20时，必须保证不会随关节相对转动而发生牵扯、扭转、干涉的现象。

有鉴于此，在本实施例所述第一转轴22为中空轴，且所述液压旋转变压器23为中通的环状，以便于将操作臂的电缆从液压关节20中穿过，一方面避免操作臂的电缆对液压关节20的旋转造成干涉，另一方面操作臂的电缆布设在液压关节20内部，可避免高剂量γ辐照对操作臂的电缆造成影响。

具体来说，根据操作臂的使用环境可知液压关节20整体回转范围为：±90°，非多圈旋转关节，因此无需采用价格昂贵的电滑环，可采取从关节轴心穿线的方式避免线束与运动部件发生干涉。同时对线束采取上下两端固定的方式，在线束捆扎后套上护线套管，可防止液压关节20动作过程中牵引线束发生滑动现象。并在线缆敷设过程中，通过设置金属线夹对线束进行固定和走向约束，使线束布线合理美观、不发生干涉现象。

需要说明是，电液伺服阀24是液压执行器21的控制元件，其工作原理为：通过控制器向阀驱动板发送控制指令，驱动板解析指令后输出电流驱动信号，驱动电液伺服阀24的力矩线圈，调整阀的开度大小和方向，进而控制液压执行器21以一定的旋转速度和旋转方向运动。

在此基础上，所述电液伺服阀24经耐辐照加固处理，以确保电液伺服阀24有足够的耐辐照性能。在本实施例中，电液伺服阀24安装在密闭基座10内腔的底部，通过密闭基座10上的集成油路设计，实现整个液压***的连通。

其中，电液伺服阀24采用FF-101型双喷嘴挡板式力反馈二级电液伺服阀24，该伺服阀由电磁和液压两部分组成。电磁部分是永磁式力矩马达，由永久磁铁，导磁体，衔铁，控制线圈和弹簧管组成，采用双线圈冗余设计。液压部分是结构对称的二级液压放大器，前置级是双喷嘴挡板阀，功率级是四通滑阀。滑阀通过反馈杆与衔铁挡板组件相连，且滑阀位移，挡板位移，力矩马达输出力矩都与输出的电信号(电流)成比例变化。由于衔铁组件本身对辐照不敏感，对辐照敏感的部分为线圈漆包线层、引出线束及焊点处理、密封圈等方面。因此对该电液伺服阀24的薄弱环节进行耐辐照加固处理，以满足耐辐照要求。

电液伺服阀24对应耐辐照加固处理如下：

1)线圈部分

马达线圈由漆包线缠绕而成，漆包线由导体和绝缘层组成。为防止高辐照漆包线绝缘层老化破裂而导致线圈短路，采用耐辐照的聚酰亚胺漆包圆铜线(辐照耐受等级至少不低于5×10⁶Gy)进行线圈绕制。聚酰亚胺作为一种特种工程材料，具有很高的耐辐照性能。

2)引出线束及焊点处理

为达到耐辐照加固目的，将伺服阀电气引出线更换为核工业级K1类控制电缆HK1-KRJGP12×0.35mm²，该线束辐照等级高，可满足使用要求。

除了线束本身耐辐照以外，对线束与电气接线点的焊接及绝缘防护也需要进行耐辐照加固处理。在本实例中，首先，焊锡材料采用共晶焊锡。其次，在线束焊接完毕后，需要对焊点位置进行绝缘热缩保护，绝缘热缩指套及热缩管采用IE级K1类核工业级热缩管套，该热缩管套以三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、复合抗氧剂和复合抗辐射剂为原料构成的复合材料制作而成，热缩管套为双层结构，包括外层和内层，外层为热缩层，内层为热熔胶层，具备优异的防水防潮性能、耐热性能、耐辐射性能和耐高温高压水蒸气性能，在受到辐照累积剂量5×10⁶Gy后依然具有良好的使用性能。

焊点在进行热缩绝缘保护之后，再通过环氧酚醛树脂进行整体灌封。

通过上述处理可保证电气引出线束和焊接处理满足辐照要求。

3)密封圈

电液伺服阀24的进出油口需要用密封圈进行密封。可采用5080HG6-408-79型丁腈橡胶材料的密封圈进行改装设计。

另外，通过基座本体的物理屏蔽，可将辐照进行一定程度的衰减。为满足辐照耐受要求，通过对电液伺服阀24采取金属保护罩进行二次密封加固，使其满足耐辐照试验要求。

至于液压旋转变压器23，在本实施例中采用J60XFW245型单通道旋转变压器作为液压关节20旋转角度的检测器件，该旋转变压器测量精度达到15′，满足液压关节20的精度测量要求，并且通过耐辐照加固后的旋转变压器能满足5×10⁶Gy的辐照要求。

基于上述结构，在密闭基座10与基座盖板12、基座盖板12与液压执行器21之间采取金属密封式结构设计，以强化对密闭基座10内部元器件的物理屏蔽性能。

继续结合图3，所述第一回转臂30为中空的金属壳体结构，以便于将操作臂的电缆从液压关节20中部经第一回转臂30内布设至电机关节40，进而通过第一回转臂30为操作臂的电缆通过物理屏蔽。具体的，第一回转臂30包括外壳和盖板，壳体壁厚4～7mm，采用锻铝合金制作。

结合图4和图5，所述电机关节40包括：电机旋变器41，所述电机旋变器41一端与所述第一回转臂30的一端传动连接；力矩电机42，所述力矩电机42的第二输出轴(波发生器)一端与所述电机旋变器41的另一端传动连接；减速器43，所述减速器43输入端与所述力矩电机42传动连接，所述减速器43另一端与所述第二回转臂50传动连接，以通过减速器43降低力矩电机42的输出转速，并配合和液压旋转变压器23的配合精准的控制第二回转臂50动作。

具体来讲，所述减速器43为谐波减速器，相对于采用普通行星减速器，可减少减速器的用料，从而减小体积及重量，利于***轻量化、小型化和关节集成设计。所述电机旋变器41、所述力矩电机42和所述减速器43中部均设有中通的通道，以适应从电机关节40中部穿线的使用需求，达到简化走形和对线缆保护的双重目的。

也就是说，电机关节40均采用中空器件，使整体构型紧凑，同时内部中空对线束形成物理屏蔽。电动关节控制回路由无刷力矩电机42、电机测速旋转变压器(电机旋变器41)、电机驱动器等器件组成。

力矩电机42的转速是通过电机测速旋转变压器进行监测的，经电机驱动板的旋变采集接口电路进行采集和解算后，得出当前电机转速V1，与设定转速V0对比的得出速度差量，由逻辑控制电路后根据差量计算输出控制信号，经功率放大后驱动执行电机按照一定的转速和旋向进行转动。

电动关节的位置反馈是按照电机的旋转圈数及方向进行计数，然后根据减速器43的减速比进行换算，得出当前关节的旋转角度，经过与控制器内置程序设定的初始位置对比得出差量，输出电机转速控制信号，进行关节位置的调整。

其中：

电机旋变器41，选用J60XFW245型单通道旋转变压器，通过对旋转变压器电磁线圈、导线、轴承等部件进行耐辐照设计后，能够满足5×10⁶Gy总剂量的辐照要求；由于测速旋转变压器本身无法计圈，可通过控制器计数程序进行旋转圈数的计数，然后根据公式计算出电动关节的转角，同时其本身无掉电保持功能，因此在工作之前需要对电动关节进行转角归零，采用该方式的旋转变压器，可兼具电机测速与关节测角两种功能；

力矩电机42(图6)，采用直流无刷力矩电机42，并采用无框空心轴设计；

减速器43(图7)，采用HMHG-32-100-I型谐波减速器43为基础，进行耐辐照加固设计处理，且在波发生器43a凸轮中部设计有大口径中空轴孔，适应从减速器43中心穿线的使用要求，可达到简化走线和对线缆保护的双重目的。

更具体的：

电机旋变器41，包括金属定子、金属转子、线圈及引出电缆组成。旋转变压器壳体和转轴采用2Cr13耐辐照材料，漆包线采用聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220，绕组采用玻璃纤维绑扎后进行1070聚酰亚胺浸渍漆处理，轴承选用符合《GJB 117B-2020耐辐射滚动轴承规范》的耐辐照轴承，旋变引出线束采用抗高辐照电缆。

力矩电机42，绝缘结构电磁线选用聚酰亚胺漆包圆铜线，槽绝缘和相间绝缘选用聚酰亚胺薄膜聚芳酰胺纤维纸柔软复合材料，引接线选用耐辐照特种专用电缆(PEEK绝缘线缆)，端部绑扎采用无碱带，浸渍漆选用耐辐射的聚酯亚胺浸渍漆，磁钢粘接选用环氧D97；轴承(ZGCr15/ZGCr15SiMn)、电工钢、磁钢(选择衫钴XG24/25稀土永磁材)，同样为抗辐射防老化材料，以使得力矩电机42的耐辐照总剂量超过5×10⁶Gy；电机漆包线采用聚酰亚胺漆包圆铜线QY-2/220，绕组采用玻璃纤维绑扎线进行绑扎后进行1070聚酰亚胺浸渍漆处理。

减速器43，结合图7可以看出，减速器43的辐照薄弱环节为滚子轴承部分，交叉滚子轴承43d的轴承圈和滚动体采用符合《GJB 117B-2020耐辐射滚动轴承规范》的ZGCr15/ZGCr15SiMn甲组轴承钢等材料制造，并采用KG400-3极压润滑脂进行润滑。

电机关节40的力矩电机42、电机旋变器41等器件均采用耐辐照PEEK绝缘导线作为引出线。

考虑力矩电机42与电机旋变器41的耐辐照薄弱环节为电磁线与安装线，力矩电机42与电机旋变器41的制作工艺过程中，需适当调整聚酰亚胺浸渍漆的使用剂量，对电磁线的绝缘起到一定的辐射保护作用，并在此基础上进行保护罩设计，以保证在5×10⁶Gy总辐射剂量下可以正常工作。

依据目前润滑脂的支撑材料，润滑脂可以达到2.2×10⁶Gy⁶⁰Co的总辐射剂量，在减速器43外部采取壁厚为9.39mm的钨镍合金保护罩壳进行加固。同样的其它齿轮传动、减速器43等，采用加固设计，本方案设计保护罩(屏蔽罩)的厚度为8-12mm。

再次结合图5，所述电动夹爪60安装电子器件的一端位于所述第二回转臂50内，以通过第二回转臂50为电动夹爪60的电子器件提供物理屏蔽，进一步提供电动夹爪60的耐辐照性能。

需要说明的是，操作臂末端的电动夹爪60选用内部集成伺服***的Z-EFG-100电动夹爪，结合图4，电动夹爪60通过丝杆螺母和连杆机构形式实现夹持动作。由于本实例中电动夹爪60未金属材料，本身具有较高的耐γ辐照性能。

在对本实施例提供的操作臂进行功能测试时，首先接通外部电源并启动油源。待工作稳定后，通过电控柜(PLC控制器)控制面板进行指令输入，由电控柜内部的PLC控制器采集后进行指令解析。输出对应的液压关节20驱动指令和电动关节驱动指令，经驱动放大之后驱动液压执行器21和电动关节模组进行转动，实现***要求的关节转动、平移、夹持等功能测试。并通过对应的旋变以及解码电路完成对关节角度的检测。

其中，电动关节和液压关节20的控制是通过电控柜内的控制器完成的：

液压关节20工作原理如下：控制器通向伺服阀驱动板发送指令帧，驱动板完成指令解析后，输出电流信号驱动电液伺服阀24，伺服阀控制旋转液压执行器21的正反向旋转，实现对液压关节20的控制；液压关节20的角度信号是通过液压旋转变压器采集后，接入旋变解角卡转换为角度值，通过相应串口向控制器进行反馈。

电动关节工作原理如下：控制器通过串口向电机驱动板发送指令帧，驱动板完成指令解析后，输出三相48V电机驱动信号，实现电机的正反转，经谐波减速器43带动关节完成转动；电机的转速监测是通过旋转变压器进行测量后接入驱动板旋变解码电路，转换为电机转速及转角信号。对于电动关节的角度值可通过计算电机旋转的圈数，通过减速器43比率换算后得出电动关节的旋转角度值。

末端电动夹爪60的工作原理如下：电动夹爪60的工作电源为24V，采用一根复合电缆同时完成对夹爪的供电和控制，实现末端夹持动作。

其中，液压关节20的旋转变压器和电液伺服阀24，电动关节的力矩电机42及测速旋变等器件的电气线束，通过内部走线的方式分别接入液压关节20驱动接口电连接器和电动关节驱动接口电连接器的接线焊杯上，然后通过外部电缆，经信号调理后接入电控柜接线端子，实现控制器功能端口与电元器件的物理连接。

总结来说，本实施例供的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，液压关节20安装在金属材质的密闭基座10内，能够由密闭基座10为液压关节20提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对液压关节20的密封原件、润滑材料和控制器件造成影响，使得液压关节20能够正常工作，同时，在电机关节40外罩设有屏蔽罩，以通过屏蔽罩对电机关节40提供物理屏蔽，避免高剂量γ辐照对电机的正常工作造成影响。

其中，液压关节20安装在密闭基座10上，第一回转臂30传动连接液压关节20和电机关节40，而电机关节40通过第二回转臂50带动电动夹爪60工作，由于液压关节20能够提供足够的载荷能力，从而使得操作臂有足够的载荷能力，而电机关节40设置在靠近电动夹爪60的一侧，使得电动夹爪60有足够的位移精度，并通过电动夹爪60夹持器件，使得操作臂有足够的动作精度。

综上，本实施例提供的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，同时对液压关节20和电机关节40做物理屏蔽处理，以通过液压关节20和电机关节40的配合，能够在确保操作臂具有足够动作精度的同时，提高其负载能力。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，包括：

密闭基座（10），所述密闭基座（10）设有安装腔（11），且所述密闭基座（10）为金属材质；

液压关节（20），所述液压关节（20）安装在所述安装腔（11）内；

所述液压关节（20）包括：

液压执行器（21），所述液压执行器（21）的第一转轴（22）一端与第一回转臂（30）的一端传动连接；

液压旋转变压器（23），所述液压旋转变压器（23）用于监测液压关节（20）的转动角度；

电液伺服阀（24），所述电液伺服阀（24）用于控制所述液压执行器（21）的第一转轴（22）的转速和转向；

所述第一转轴（22）为中空轴，且所述液压旋转变压器（23）为中通的环状；

第一回转臂（30），所述第一回转臂（30）为中空的金属壳体结构，所述第一回转臂（30）位于所述基座外，且所述第一回转臂（30）的一端与所述液压关节（20）传动连接；

电机关节（40），所述电机关节（40）的一端与所述第一回转臂（30）的另一端传动连接，所述电机关节（40）外罩设有屏蔽罩（70）；

第二回转臂（50），所述第二回转臂（50）的一端与所述电机关节（40）的另一端传动连接，所述第二回转臂（50）的另一端设有电动夹爪（60）；

其中，所述密闭基座（10）的材质为钨镍合金或锻铝合金、壁厚为9～15mm，以将所述密闭基座（10）外侧核聚变堆散发出的剂量为5×10⁶Gy的γ辐照剂量衰减至4.24×10⁶Gy后辐照至所述液压关节（20）；

所述电液伺服阀（24）经耐辐照加固处理，所述电液伺服阀（24）为FF-101型双喷嘴挡板式力反馈二级电液伺服阀，所述电液伺服阀（24）的电磁部分为永磁式力矩马达，所述电液伺服阀（24）液压部分是结构对称的二级液压放大器，且所述电液伺服阀（24）的马达线圈为聚酰亚胺漆包圆铜线；

所述电液伺服阀（24）的电气引出线为核工业级K1类控制电缆HK1-KRJGP1 2×0.35mm²，且所述电液伺服阀（24）电气接线点与线束采用共晶焊锡焊接，并在线束焊接完毕后采用IE级K1类核工业级热缩管套进行热缩保护处理，且热缩保护处理采用的热缩管套以三元乙丙橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、十溴二苯乙烷、三氧化二锑、复合抗氧剂和复合抗辐射剂为原料构成的复合材料制作而成，热缩保护处理采用的热缩管套为外层为热缩层、内层为热熔胶层的双层结构，所述电液伺服阀（24）电气接线与线束点焊接后通过环氧酚醛树脂进行整体灌封；

所述电液伺服阀（24）采用5080 HG6-408-79型丁腈橡胶材料的密封圈密封。

2.根据权利要求1所述的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，所述电机关节（40）包括：

电机旋变器（41），所述电机旋变器（41）一端与所述第一回转臂（30）的一端传动连接；

力矩电机（42），所述力矩电机（42）的第二输出轴一端与所述电机旋变器（41）的另一端传动连接；

减速器（43），所述减速器（43）输入端与所述力矩电机（42）传动连接，所述减速器（43）另一端与所述第二回转臂（50）传动连接。

3.根据权利要求2所述的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，所述减速器（43）为谐波减速器（43）。

4.根据权利要求2所述的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，所述电机旋变器（41）、所述力矩电机（42）和所述减速器（43）中部均设有中通的通道。

5.根据权利要求1所述的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，所述第二回转臂（50）为中空的金属壳体结构。

6.根据权利要求5所述的耐高剂量γ辐照的电液协同操作臂，其特征在于，所述电动夹爪（60）安装电子器件的一端位于所述第二回转臂（50）内。