專利名稱：具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于特種機器人技術領域，具體來說是一種具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人。
背景技術：
磁吸附爬壁機器人是特種機器人的一種，其主要特點是能夠在船舶等大型結構件，以及電站水輪機葉片等人員難以現(xiàn)場維護的結構件的導磁壁面爬行，并完成多種作業(yè)方式(如焊接、打磨、缺陷檢測、夾取等)的一種自動化機械裝置。爬壁機器人應具有吸附、移動和作業(yè)三種功能。吸附功能應確保其可靠地吸附在結構件導磁壁面，在移動和作業(yè)時不會掉落；移動功能應使其具備前后移動、左右轉動功能，移動過程穩(wěn)定，且能適應不同曲率的作業(yè)壁面。爬壁機器人常見的吸附方式有固定軌道式、真空吸附、磁足式磁吸附、履帶式磁吸附、磁輪式磁吸附以及間隙式磁吸附五大類。與吸附方式相匹配的移動方式有導軌式、足式、履帶式和輪式四大類；作業(yè)機構通常是直角坐標系機械手臂或多關節(jié)機械手臂。磁足式爬壁機器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特點決定了其吸附力必須可調，多采用電磁鐵提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁機器人。足式爬壁機器人步法控制比較復雜，運動靈活性不好。另外，采用電磁鐵提供吸附力，需要消耗電能，且存在意外斷電造成的安全隱患。磁輪式爬壁機器人是靠磁輪的吸附力吸附在導磁壁面上。申請日為2004年I月5日、申請?zhí)枮?00410016429. 6的專利文獻涉及的“磁輪吸附式爬壁機器人”，其技術方案為包括左輪結構、支承架、檢測結構、滾輪、碼盤、位置校正結構、右輪結構，左輪結構和右輪結構相同，對稱固定在支承架的兩側，檢測結構固定在支承架的前邊，滾輪和碼盤固定在支承架的中間，位置校正結構連接在支承架最右側，其可適應壁面的曲率，繞支承架作一定角度的轉動，在機器人運動過程中校正機器人的位姿。本發(fā)明可完成石油筒壁等危險環(huán)境中的焊縫檢測。上述發(fā)明的特點是運動靈活性較好，但是由于磁輪的有效吸附面積小，磁能利用率不高，負載能力較差。履帶式磁吸附爬壁機器人是靠安裝在履帶式移動機構上的吸塊吸附在導磁壁面上。申請日為2000年I月26日、申請?zhí)枮?0200795. 9的專利文獻涉及的“履帶式永磁爬壁機構”，其主要技術方案為本爬行機構由車體，動力部分和行走機構三部分組成，車體是一個箱形柔性結構，在內部安裝動力部分，動力部分是兩個電動機及其減速機構，其輸出軸分別帶動車體兩側的主動鏈輪。行走機構安置在車體兩側，由主動鏈輪，導輪，永磁鐵及鏈條張緊機構組成，每一主動鏈輪帶動三根封閉式鏈條，在三根鏈條之間的兩個間隙處，沿鏈條全長視負重均勻布置永磁鐵。其特點是負載能力強，但是其運動靈活性較差，特別是在進行轉向運動時，由于履帶和導磁壁面之間接觸面積大，轉向阻力大，轉向半徑大，轉向靈活性差。[0008]間隙吸附式爬壁機器人是靠安裝在底盤上的與導磁壁面間具有一定間隙的永磁體吸附在導磁壁面上。申請日為2005年10月8日、申請?zhí)枮?00510086383. X的專利文獻涉及的“輪式非接觸磁吸附爬壁機器人”，其技術方案為包括輪式移動機構和永磁吸附裝置，輪式移動機構包括底盤、安裝在底盤上的驅動機構、由驅動機構驅動的驅動輪。所述驅動輪對稱布置，采用差動驅動方式，依靠驅動輪的差速實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向；永磁吸附裝置安裝在所述底盤上，所述永磁吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，磁能利用率高，吸附能力強。上述專利特點是吸附力大，但是由于所有的驅動輪都是不能相對車體轉向的圓柱輪，轉向阻力大，轉向靈活性差。直角坐標系機械手臂由直線運動副構成，申請日為2006年10月30日、申請?zhí)枮?00620149190. 4的專利文獻涉及的“多軸式機械手臂”，其特點是有三個直線運動副構成，可實現(xiàn)空間任意位置的作業(yè)，結構簡單，成本較低，但本身占用體積較大，末端工作裝置無法變化角度。多關節(jié)機械手臂由多個轉動副構成，動作靈活，占用體積小，但目前未見多關節(jié)機械手臂用在磁吸附式爬壁機器人領域的報道。綜上所述，現(xiàn)有的機械手臂爬壁機器人本身占用體積較大，末端工作裝置無法變化角度，還有運動靈活性較好而負載能力差，或者是負載能力強而運動靈活性差，未能較好地解決爬壁機器人移動和吸附的矛盾，并且綜合性能不好。

實用新型內容本實用新型的目的是為克服已有技術在運動靈活性和負載能力兩方面綜合性能的不足，解決爬壁機器人吸附和移動的矛盾，并且針對機械手臂靈活性存在不足的問題，提供一種能夠在導磁壁面上可靠地吸附并靈活移動，能夠實現(xiàn)多種作業(yè)方式，小巧靈活的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案如下一種具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構、操作機構，其特征在于所述操作機構包括多功能機械手臂和末端工作模塊，多功能機械手臂的底座固定在爬行機構的平臺上，末端工作模塊固定在多功能機械手臂的末端。所述多功能機械手臂包括底座、轉臺、大臂、小臂、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座固定在爬行機構的車架上；驅動模塊包括電機和減速器，所述的轉臺安裝在底座上，電機和減速器驅動其相對于底座做水平回轉，所述的大臂安裝在轉臺上，電機和減速器驅動其相對轉臺豎直轉動，所述小臂安裝在大臂上，電機和減速器驅動其相對大臂豎直轉動，所述的旋轉模塊安裝在小臂的末端，相對小臂做軸向轉動，旋轉模塊具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂與旋轉模塊之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊的末端與末端工作模塊連接。所述爬行機構包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊、連接前后輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器；爬行機構為三輪結構，三輪均為驅動輪，采用前輪受控轉向、依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向。后輪模塊包括底盤、環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體、穿過底盤的兩后輪、帶動車輪的減速器、驅動減速器的直流電機，后輪模塊的兩后輪對稱布置。前輪模塊為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體和車輪，前輪的永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體。進一步的，驅動轉向一體化磁輪裝置，包括車體固定框架、轉臺框架、轉向驅動機構、車輪驅動機構和滾輪；所述車體固定框架和轉臺框架之間設置有一個被動的側傾轉動結構，轉臺框架和磁輪之間設置有獨立轉向結構；所述側傾轉動結構包括在轉臺框架前、后安裝的側傾轉軸，以及在車體固定框架安裝的自潤滑滑動軸承；所述轉臺框架包括依次相連的轉臺下支撐板、轉臺支撐立柱、轉臺蓋板和轉臺上支撐板；所述轉向驅動機構包括轉向電機安裝板和安裝在其上的轉向驅動電機，轉向驅動電機采用直流無刷盤式電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器，再通過一級錐齒輪傳動和一級圓柱齒輪傳動帶動轉向軸；所述車輪驅動機構包括驅動電機安裝板和安裝在其上的車輪滾動驅動減速電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器，通過同步帶傳動帶動磁輪滾動；所述滾輪為磁輪，所述轉向驅動電機和車輪滾動驅動減速電機互為獨立的驅動結構；側傾轉軸一端安裝在車體固定框架上，另一端轉臺下支撐板連接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個支撐板上，轉向軸支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸固接，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪連接安裝在錐齒輪軸上，錐齒輪軸由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另一側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸的下端與轉向基板連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板連接，小同步帶輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶輪軸上，車輪永磁體和車輪軛鐵通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸的另一側，大同步帶輪和小同步帶輪之間由同步帶聯(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上，驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動；轉向驅動機構還包括轉向軸，轉向軸下部安裝有車輪驅動機構及滾輪；所述轉向軸線與車輪軸線垂直正交；所述驅動減速電機為直流有刷電機。進一步的，所述的永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸式的，通過調節(jié)底盤和導磁壁面之間的距離設定所述永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙。所述末端工作模塊包括焊接模塊、打磨模塊或夾取模塊，三種模塊通過法蘭結構分別與多功能機械手臂的末端連接。進一步的，所述底盤為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體一起構成磁路。進一步的，減速器包括第一級行星齒輪減速器和第二級渦輪蝸桿減速器，直流電機后接二級減速器帶動車輪，第二級渦輪蝸桿減速器通過螺釘連接安裝在后輪底盤上。所述的多功能機械手臂，大臂為箱形結構，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座、轉臺、小臂及其他連接件均為薄壁結構，由薄板彎折或焊接而成。箱形結構就是薄板拼接而成的封閉結構，其截面為中空的封閉形狀，類似箱子的截面；薄壁結構的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定為封閉的箱形結構。本實用新型的優(yōu)點在于I、本實用新型所述爬行裝置采用接觸式磁輪吸附(即驅動轉向一體化磁輪)和非接觸式間隙吸附(即包括永磁間隙吸附裝置)的復合方式，三輪結構，所有車輪均為驅動輪，采用冗余控制轉向方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向，通過前輪轉向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉向精度，運動靈活性好，可繞車體中心轉向，最小轉向半徑為0，機器人可在導磁壁面可靠吸附并實現(xiàn)自主靈活移動。2、本實用新型所述的多功能爬壁機器人搭載有多功能機械手臂，手臂具有5個自由度，分別是I個水平回轉自由度、2個豎直轉動自由度和2個軸向轉動自由度，手臂末端可換裝焊接模塊、打磨模塊或夾取模塊三種不同的工作裝置，已實現(xiàn)多種工作方式。3、本實用新型所述的多功能爬壁機器人在吸附式爬行裝置、多功能機械手臂和末端工作模塊的相互配合下，能在大型鋼結構表面全位置自主靈活移動、可靠吸附，依靠多功能機械手臂末端換裝不同的工作裝置，可對大型鋼結構進行焊接、打磨、監(jiān)測等多種作業(yè)。4、轉向機構引入冗余控制方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向，通過前輪轉向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉向精度。5、本實用新型爬行機構為三輪全驅動吸附式爬行機構，操作機構為多功能機械手臂；所述爬行機構的前輪模塊可實現(xiàn)驅動轉向一體化的功能，后輪模塊的吸附力可通過底盤與導磁壁面之間的間隙進行調整；所述的末端工作裝置可根據(jù)不同的工況換裝在多功能機械手臂的末端，實現(xiàn)多種作業(yè)方式。 6、驅動轉向一體化磁輪的驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動，通過調節(jié)傳動中心距可以獲得較大的安裝空間，安裝較大功率的驅動減速電機從而提高驅動力矩。7、驅動轉向一體化磁輪設置了獨立的轉向自由度且使轉向軸線與車輪軸線垂直正交，可以實現(xiàn)車輪的獨立轉向，提高爬壁機器人運動靈活性。8、驅動轉向一體化磁輪設置了被動的側傾自由度且通過側傾限制塊限制側傾轉角在正負10度以內，使爬壁機器人具有了較好的曲面適應能力。9、驅動轉向一體化磁輪的側傾限制塊通過機械限位實現(xiàn)限制側傾角度的功能。10、驅動轉向一體化磁輪的轉向結構和車輪滾動都設置有獨立的驅動機構。

圖I為本實用新型總體外觀圖。圖2為吸附式爬行機構結構示意圖。圖3為后輪模塊結構示意圖。圖4為永磁間隙吸附裝置結構示意圖。圖5為驅動轉向一體化磁輪結構示意圖。圖6為前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖。圖7為磁輪剖視圖。圖8為多功能機械手臂結構示意圖。[0044]圖9為打磨模塊結構示意圖。圖10為焊接模塊結構示意圖。圖11為夾取模塊結構示意圖。附圖中爬行機構I，多功能機械手臂2，末端工作模塊3，后輪模塊4，前輪模塊5，車架6，永磁體7，底盤8，車輪9，渦輪蝸桿減速器10，行星齒輪減速器11，直流電機12，同步帶13，減速器14，轉向基礎板15，20齒直齒錐齒輪16，行星齒輪減速器17，電機18，轉向軸19，60齒圓柱齒輪20，19齒圓柱齒輪21，錐齒輪軸22，40齒直齒錐齒輪23，車輪永磁體24，車輪軛鐵25，底座26，轉臺27，大臂28，，小臂29，旋轉模塊30，打磨砂輪31，支撐外殼32，驅動裝置33，焊槍34，連接件35，焊縫識別系統(tǒng)36，夾取機構37和夾具38。
具體實施方式
一種具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人包括爬行機構、操作機構，所述操作機構包括多功能機械手臂和末端工作模塊，多功能機械手臂的底座固定在爬行機構的平臺上，末端工作模塊固定在多功能機械手臂的末端。所述多功能機械手臂包括底座、轉臺、大臂、小臂、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座固定在爬行機構的車架上；驅動模塊包括電機和減速器，所述的轉臺安裝在底座上，電機和減速器驅動其相對于底座做水平回轉，所述的大臂安裝在轉臺上，電機和減速器驅動其相對轉臺豎直轉動，所述小臂安裝在大臂上，電機和減速器驅動其相對大臂豎直轉動，所述的旋轉模塊安裝在小臂的末端，相對小臂做軸向轉動，旋轉模塊具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂與旋轉模塊之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊的末端與末端工作模塊連接。所述爬行機構包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊、連接前后輪的車架和安裝在車架上的電機驅動控制器；爬行機構為三輪結構，三輪均為驅動輪，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向；方式在導磁壁面上的轉向。后輪模塊包括底盤、環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體、穿過底盤的兩后輪、帶動車輪的減速器、驅動減速器的直流電機，后輪模塊的兩后輪對稱布置。前輪模塊為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體和車輪，前輪的永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體。進一步的，驅動轉向一體化磁輪裝置，包括車體固定框架、轉臺框架、轉向驅動機構、車輪驅動機構和滾輪；所述車體固定框架和轉臺框架之間設置有一個被動的側傾轉動結構，轉臺框架和磁輪之間設置有獨立轉向結構；所述側傾轉動結構包括在轉臺框架前、后安裝的側傾轉軸，以及在車體固定框架安裝的自潤滑滑動軸承；所述轉臺框架包括依次相連的轉臺下支撐板、轉臺支撐立柱、轉臺蓋板和轉臺上支撐板；所述轉向驅動機構包括轉向電機安裝板和安裝在其上的轉向驅動電機，轉向驅動電機采用直流無刷盤式電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器，再通過一級錐齒輪傳動和一級圓柱齒輪傳動帶動轉向軸；所述車輪驅動機構包括驅動電機安裝板和安裝在其上的車輪滾動驅動減速電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器，通過同步帶傳動帶動磁輪滾動；所述滾輪為磁輪，所述轉向驅動電機和車輪滾動驅動減速電機互為獨立的驅動結構；側傾轉軸一端安裝在車體固定框架上，另一端轉臺下支撐板連接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個支撐板上，轉向軸支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸固接，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪連接安裝在錐齒輪軸上，錐齒輪軸由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另一側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸的下端與轉向基板連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板連接，小同步帶輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶輪軸上，車輪永磁體和車輪軛鐵通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸的另一側，大同步帶輪和小同步帶輪之間由同步帶聯(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上，驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶傳動；轉向驅動機構還包括轉向軸，轉向軸下部安裝有車輪驅動機構及滾輪；所述轉向軸線與車輪軸線垂直正交；所述驅動減速電機為直流有刷電機。進一步的，所述的永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸式的，通過調節(jié)底盤和導磁壁面之間的距離設定所述永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙。所述末端工作模塊包括焊接模塊、打磨模塊或夾取模塊，三種模塊通過法蘭結構分別與多功能機械手臂的末端連接。進一步的，所述底盤為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體一起構成磁路。進一步的，減速器包括第一級行星齒輪減速器和第二級渦輪蝸桿減速器，直流電機后接二級減速器帶動車輪，第二級渦輪蝸桿減速器通過螺釘連接安裝在后輪底盤上。所述的多功能機械手臂，大臂為箱形結構，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座、轉臺、小臂及其他連接件均為薄壁結構，由薄板彎折或焊接而成。箱形結構就是薄板拼接而成的封閉結構，其截面為中空的封閉形狀，類似箱子的截面；薄壁結構的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定為封閉的箱形結構。
以下結合附圖進一步詳細描述本實用新型。圖I所示的具有5自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人由三部分組成，包括吸附式爬行機構I、多功能機械手臂2和末端工作模塊3，多功能機械手臂2的底座安裝在吸附式爬行機構I的安裝平臺上，末端工作模塊3安裝在多功能機械手臂2的末端，末端工作模塊3有三個種類，分別是焊接模塊、打磨模塊和夾取模塊，圖I所示的末端工作模塊為焊接模塊。如圖2所示，吸附式爬行裝置由三部分構成，包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊5、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊4和連接前后輪的車架6。如圖3所示，后輪底盤8采用低碳鋼(如Q235)制造，除作為支撐后輪結構的功能夕卜，還作為軛鐵與環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤8上的永磁體7—起構成磁路的一部分，直流電機12接二級減速器帶動車輪9，第一級為行星齒輪減速器11，第二級為渦輪蝸桿減速器10，渦輪蝸桿減速器通過螺釘連接安裝在后輪底盤8上。永磁間隙吸附裝置如圖4所示，由12塊厚度方向充磁的釹鐵硼永磁體組成，每個后輪各布置6塊永磁體，N極和S極交錯排列構成磁路，環(huán)繞后輪安裝在底盤上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸的，通過調節(jié)底盤和導磁壁面之間的距離設定所述永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙。圖5是前輪的三維模型圖，圖6是前輪過轉向軸和錐齒輪軸的剖視圖，圖7是過前輪車輪軸的剖視圖。其中，直流無刷電機及行星齒輪減速器17經過20齒直齒錐齒輪16和40齒直齒錐齒輪23傳動帶動錐齒輪軸22旋轉，錐齒輪軸22再通過19齒圓柱齒輪21和60齒圓柱齒輪20傳動帶動轉向軸19旋轉，轉向軸19與轉向基礎板15通過螺釘聯(lián)接固定。前輪驅動電機及減速器14采用直流有刷電機和行星齒輪減速器，通過同步帶13傳動帶動前輪。前輪為磁輪，結構見圖7。磁輪由I塊永磁體和2塊軛鐵構成。所述永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體，永磁體可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造,軛鐵采用低碳鋼(如Q235等)制造。具體的說，驅動轉向一體化磁輪的側傾轉軸一端由安裝在車體固定框架上的滑動軸承支承，另一端與轉臺下支撐板通過螺紋聯(lián)接固接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板通過螺釘連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板通過螺釘連接，兩個圓錐滾子軸承面對面安裝在兩個支撐板上，轉向軸支承在這兩個圓錐滾子軸承上，轉向軸與60齒直齒齒輪通過平鍵連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸固接，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板通過螺釘連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿通過螺釘連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板通過螺釘連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板通過螺釘連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪通過平鍵聯(lián)接安裝在錐齒輪軸上，錐齒輪軸由安裝在轉臺上支撐板的深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另一側與齒直齒齒輪通過平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸的下端與轉向基板通過螺釘連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板通過螺釘連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板通過螺釘連接，小同步帶輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶輪軸上，車輪永磁體和車輪軛鐵通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸上，車輪軸通過兩個深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶輪通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸35的另一側，大同步帶輪和小同步帶輪之間由同步帶聯(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上。參閱圖8，本實用新型的機械手臂，包括底座26 ;轉臺27通過水平方向的轉動副安裝在底座26上；大臂28通過豎直方向的轉動副安裝在轉臺27上；小臂29通過豎直方向的轉動副安裝在大臂28上；旋轉模塊30通過沿小臂29方向的軸向轉動副連接在小臂29上；旋轉模塊30自身具有一個軸向轉動副，該轉動副的軸心與小臂29和旋轉模塊30之間的軸向轉動副的軸心相互垂直；各運動副均采用伺服電機和諧波減速器驅動；底座26、轉臺27、大臂28、小臂29、選轉模塊30的主體結構材料均為高強度鋁合金；大臂28采用箱形結構，其他結構件均采用薄壁結構，以減輕結構自重。采用上述結構，轉臺27可相對底座26水平回轉，大臂28可相對轉臺27豎直轉動，小臂29可繞大臂28豎直轉動,旋轉模塊30可相對小臂29軸向轉動,旋轉模塊30的輸出端和輸入端可相對軸向轉動，從而帶動末端工作裝置做軸向轉動。以上各運動副使機械臂具有5個自由度，分別是I個水平回轉自由度、2個豎直轉動自由度和2個軸向轉動自由度。通過程序控制使各驅動模塊協(xié)調動作，從而實現(xiàn)機械臂在工作半徑內任意位置和任意角度的作業(yè)。圖9所示為末端工作模塊3中的打磨模塊，由打磨砂輪31、支撐外殼32和驅動裝置33三部分組成；圖10所示為末端工作模塊3中的焊接模塊，由焊槍34、連接件35和焊縫識別系統(tǒng)36組成，連接件35的一端固定焊槍34，另一端與多功能機械手臂2的末端相連；圖11為末端工作模塊3中的夾取模塊，由夾取機構37和夾具38組成，夾取機構37可選用成熟的夾取產品，夾具38連接在夾取機構37的輸出端，根據(jù)夾取對象的不同可設計成不同的形狀。冗余控制轉向方式是依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向共同實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向，控制上有冗余之處，這種方式使爬行機器人轉向過程的受力更好，運動更精確。旋轉模塊分為兩部分，兩部分可相對轉動，市場上有成熟產品如SCHUNK公司的prl模塊。本實用新型不僅僅局限于以上實施例，在本實用新型保護范圍內的任何修改，都認為落入本實用新型的保護范圍內。工作時，爬行機構吸附在結構件表面，三輪輪為驅動輪，多功能機械手臂各關節(jié)自由度靠伺服電機驅動，由程序控制轉動角度和速度，以實現(xiàn)末端工作模塊的定位、姿態(tài)調整和工作軌跡調整；末端工作模塊有三種，分別是焊接模塊、打磨模塊和夾取模塊，在不同的工況下?lián)Q裝不同的末端工作模塊。爬行機構、多功能機械手臂和末端工作模塊之間靠程序實現(xiàn)協(xié)調動作，以完成作業(yè)需求。本實用新型所述的多功能爬壁機器人的爬行機構為三輪全驅動吸附式爬行機構，操作機構為多功能機械手臂；所述爬行機構的前輪模塊驅動轉向一體化磁輪；后輪模塊的吸附力可通過底盤與導磁壁面之間的間隙進行調整；所述的末端工作裝置可根據(jù)不同的工況換裝在多功能機械手臂的末端，實現(xiàn)多種作業(yè)方式。
權利要求1.一種具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構(I)、操作機構，其特征在于 所述操作機構包括多功能機械手臂(2)和末端工作模塊(3)，多功能機械手臂(2)的底座(26)固定在爬行機構(I)的平臺上，末端工作模塊(3)固定在多功能機械手臂(2)的末端; 所述多功能機械手臂(2)包括底座(26)、轉臺(27)、大臂(28)、小臂(29)、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座(26)固定在爬行機構(I)的車架(6)上；驅動模塊包括電機(18)和減速器(14)，所述的轉臺(27)安裝在底座(26)上，電機(18)和減速器(14)驅動其相對于底座(26)做水平回轉，所述的大臂(28)安裝在轉臺(27)上，電機(18)和減速器(14)驅動其相對轉臺(27 )豎直轉動，所述小臂(29 )安裝在大臂(28 )上，電機(18 )和減速器(14)驅動其相對大臂(28)豎直轉動，所述的旋轉模塊(30)安裝在小臂(29)的末端，相對小臂(29)做軸向轉動，旋轉模塊(30)具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂(29)與旋轉模塊(30)之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊(30)的末端與末端工作模塊(3)連接； 所述爬行機構(I)包括采用驅動轉向一體化磁輪的前輪模塊(5)、采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊(4)、連接前后輪的車架(6)和安裝在車架(6)上的電機(18)驅動控制器；爬行機構(I)為三輪結構，三輪均為驅動輪，采用依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉向實現(xiàn)在導磁壁面上的轉向； 后輪模塊(4)包括底盤(8)、環(huán)繞車輪(9)安裝在后輪底盤(8)上的永磁體(7)、穿過底盤(8)的兩后輪、帶動車輪(9)的減速器(14)、驅動減速器(14)的直流電機(12)，后輪模塊(4)的兩后輪對稱布置，前輪模塊(5)為驅動轉向一體化磁輪，包括永磁體(7)和車輪(9)，前輪的永磁體(7 )采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體。
2.根據(jù)權利要求I所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述驅動轉向一體化磁輪包括車體固定框架、轉臺框架、轉向驅動機構、車輪驅動機構和滾輪；所述車體固定框架和轉臺框架之間設置有一個被動的側傾轉動結構，轉臺框架和磁輪之間設置有獨立轉向結構；所述側傾轉動結構包括在轉臺框架前、后安裝的側傾轉軸，以及在車體固定框架安裝的自潤滑滑動軸承；所述轉臺框架包括依次相連的轉臺下支撐板、轉臺支撐立柱、轉臺蓋板和轉臺上支撐板；所述轉向驅動機構包括轉向電機安裝板和安裝在其上的轉向驅動電機，轉向驅動電機采用直流無刷盤式電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器(11)，再通過一級錐齒輪傳動和一級圓柱齒輪傳動帶動轉向軸(19);所述車輪驅動機構包括驅動電機安裝板和安裝在其上的車輪滾動驅動減速電機，電機輸出軸接行星齒輪減速器(11 )，通過同步帶(13)傳動帶動磁輪滾動；所述滾輪為磁輪，所述轉向驅動電機和車輪滾動驅動減速電機互為獨立的驅動結構；側傾轉軸一端安裝在車體固定框架上，另一端轉臺下支撐板連接，轉臺上支撐板、轉臺支撐立柱和轉臺下支撐板連接，轉臺蓋板與轉臺上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個支撐板上，轉向軸(19)支承在圓錐滾子軸承上，轉向軸(19)與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉向軸(19)固接，角度傳感器支撐桿與轉臺上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉向電機安裝板與轉臺上支撐板連接，轉向減速電機與轉向電機安裝板連接，20齒直齒錐齒輪(16)固接在轉向減速電機輸出軸上，與之相嚙合的40齒直齒錐齒輪(23)連接安裝在錐齒輪軸(22)上，錐齒輪軸(22)由安裝在轉臺上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸(22)的另一側與19齒直齒齒輪通過平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉向軸(19)的下端與轉向基板連接，車輪左側安裝板、車輪右側安裝板、驅動電機安裝板與轉向基板連接，驅動減速電機與驅動電機安裝板連接，小同步帶(13 )輪軸與驅動減速電機的輸出軸固接，小同步帶(13)輪通過平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶(13)輪軸上，車輪永磁體(24)和車輪軛鐵(25)通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸上，車輪軸通過第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車輪左側安裝板和車輪右側安裝板之間，大同步帶(13)輪通過平鍵聯(lián)接安裝在車輪軸的另一側，大同步帶(13)輪和小同步帶(13)輪之間由同步帶(13)聯(lián)接，張緊輥輪與張緊輥輪支撐桿之間通過螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過螺釘安裝在車輪左側安裝板上，驅動減速電機與車輪軸之間通過同步帶(13)傳動；轉向驅動機構還包括轉向軸(19)，轉向軸(19)下部安裝有車輪驅動機構及滾輪；所述轉向軸(19)線與車輪軸線垂直正交；所述驅動減速電機為直流有刷電機。
3.根據(jù)權利要求2所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述的永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤(8)上，所述永磁間隙吸附裝置和導磁壁面間是非接觸式的，通過調節(jié)底盤(8)和導磁壁面之間的距離設定所述永磁吸附裝置和導磁壁面間的氣隙。
4.根據(jù)權利要求3所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述末端工作模塊(3)包括焊接模塊、打磨模塊或夾取模塊，三種模塊通過法蘭結構分別與多功能機械手臂(2)的末端連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述底盤(8)為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車輪安裝在后輪底盤(8)上的永磁體(7 ) 一起構成磁路。
6.根據(jù)權利要求5所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于減速器(14)包括第一級行星齒輪減速器(11)和第二級渦輪蝸桿減速器(10)，直流電機(12)后接二級減速器帶動車輪，第二級渦輪蝸桿減速器(10)通過螺釘連接安裝在后輪底盤(8)上。
7.根據(jù)權利要求6所述的具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述的多功能機械手臂(2)，大臂(28)為箱形結構，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座(26)、轉臺、小臂(29)及其他連接件均為薄壁結構，由薄板彎折或焊接而成，箱形結構就是薄板拼接而成的封閉結構，其截面為中空的封閉形狀；薄壁結構的特征在于有薄板拼接而成。
專利摘要本實用新型屬于特種機器人技術領域，具體來說是一種具有多自由度機械手臂的全驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構、操作機構，所述操作機構包括多功能機械手臂和末端工作模塊，多功能機械手臂的底座固定在爬行機構的平臺上，末端工作模塊固定在多功能機械手臂的末端。本實用新型的優(yōu)點在于搭載有多功能機械手臂，手臂具有5個自由度，分別是1個水平回轉自由度、2個豎直轉動自由度和2個軸向轉動自由度，手臂末端可換裝焊接模塊、打磨模塊或夾取模塊三種不同的工作裝置，已實現(xiàn)多種工作方式。
文檔編號B62D57/024GK202805181SQ20122026533
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權日2012年6月7日
發(fā)明者桂仲成, 陳博翁, 栗園園, 官雪梅, 張帆, 李永龍, 徐立強, 金之鉑, 徐進峰 申請人:中國東方電氣集團有限公司