专利名称：具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是ー种具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人。
背景技术：
磁吸附爬壁机器人是特种机器人的ー种，其主要特点是能够在船舶等大型结构件，以及电站水轮机叶片等人员难以现场维护的结构件的导磁壁面爬行，并完成多种作业方式(如焊接、打磨、缺陷检测、夹取等)的一种自动化机械装置。、
爬壁机器人应具有吸附、移动和作业三种功能。吸附功能应确保其可靠地吸附在结构件导磁壁面，在移动和作业时不会掉落；移动功能应使其具备前后移动、左右转动功能，移动过程稳定，且能适应不同曲率的作业壁面。爬壁机器人常见的吸附方式有固定轨道式、真空吸附、磁足式磁吸附、履带式磁吸附、磁轮式磁吸附以及间隙式磁吸附五大类。与吸附方式相匹配的移动方式有导轨式、足式、履带式和轮式四大类；作业机构通常是直角坐标系机械手臂或多关节机械手臂。固定轨道式吸附方式需事先在作业表面铺设轨道，不利于灵活操作；真空吸附方式靠真空吸盘吸附在结构表面，需要的吸附设备较多，且真空吸盘吸附后不便于移动；磁足式磁吸附方式是靠磁足提供的吸附カ吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附カ必须可调，多采用电磁铁提供吸附力，如日本日立公司研制的八足磁吸附爬壁机器人。足式爬壁机器人步法控制比较复杂，运动灵活性不好。另外，采用电磁铁提供吸附力，需要消耗电能，且存在意外断电造成的安全隐患；磁轮式磁吸附方式是靠磁轮的吸附カ吸附在导磁壁面上。申请日为2004年I月5日、申请号为200410016429. 6的专利文献涉及的“磁轮吸附式爬壁机器人”，其技术方案为包括左轮结构、支承架、检测结构、滚轮、码盘、位置校正结构、右轮结构，左轮结构和右轮结构相同，对称固定在支承架的两侧，检测结构固定在支承架的前边，滚轮和码盘固定在支承架的中间，位置校正结构连接在支承架最右侧，其可适应壁面的曲率，绕支承架作一定角度的转动，在机器人运动过程中校正机器人的位姿。本发明可完成石油筒壁等危险环境中的焊缝检測。上述发明的特点是运动灵活性较好，但是由于磁轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力较差。履带式磁吸附爬壁机器人是靠安装在履带式移动机构上的吸块吸附在导磁壁面上。申请日为2000年I月26日、申请号为00200795. 9的专利文献涉及的“履带式永磁爬壁机构”，其主要技术方案为本爬行机构由车体，动カ部分和行走机构三部分组成，车体是ー个箱形柔性结构，在内部安装动カ部分，动カ部分是两个电动机及其減速机构，其输出轴分别带动车体两侧的主动链轮。行走机构安置在车体两侧，由主动链轮，导轮，永磁铁及链条张紧机构组成，每ー主动链轮带动三根封闭式链条，在三根链条之间的两个间隙处，沿链条全长视负重均匀布置永磁铁。其特点是负载能力强，但是其运动灵活性较差，特别是在进行转向运动时，由于履带和导磁壁面之间接触面积大，转向阻カ大，转向半径大，转向灵活性差。间隙吸附式爬壁机器人是靠安装在底盘上的与导磁壁面间具有一定间隙的永磁体吸附在导磁壁面上。申请日为2005年10月8日、申请号为200510086383. X的专利文献涉及的“轮式非接触磁吸附爬壁机器人”，其技术方案为包括轮式移动机构和永磁吸附装置，轮式移动机构包括底盘、安装在底盘上的驱动机构、由驱动机构驱动的驱动轮。所述驱动轮对称布置，采用差动驱动方式，依靠驱动轮的差速实现在导磁壁面上的转向；永磁吸附装置安装在所述底盘上，所述永磁吸附装置和导磁壁面间是非接触的，磁能利用率高，吸附能力強。上述专利特点是吸附カ大，但是由于所有的驱动轮都是不能相对车体转向的圆柱轮，转向阻カ大，转向灵活性差。直角坐标系机械手臂由直线运动副构成，申请日为2006年10月30日、申请号为200620149190. 4的专利文献涉及的“多轴式机械手臂”，其特点是有三个直线运动副构成，可实现空间任意位置的作业，结构简单，成本较低，但本身占用体积较大，末端工作装置无法变化角度。多关节机械手臂由多个转动副构成，动作灵活，占用体积小，但目前未见具有小折叠尺寸机械手臂应用在磁吸附式爬壁机器人领域的报道。 综上所述，现有的机械手臂爬壁机器人体积较大，末端工作装置无法任意变化角度，还有运动灵活性较好而负载能力差，或者是负载能力强而运动灵活性差，未能较好地解决爬壁机器人移动和吸附的矛盾，综合性能不好。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术在运动灵活性和负载能力两方面综合性能的不足，解决爬壁机器人吸附和移动的矛盾，并且针对小折叠尺寸机械手臂存在灵活性不足的问题，提供ー种能够在导磁壁面上可靠地吸附并灵活移动，能够实现多种作业方式，小巧灵活的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人。为实现上述目的，本发明的技术方案如下
ー种具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括爬行机构、操作机构，其特征在干所述操作机构包括多功能机械手臂和末端工作模块，多功能机械手臂的底座固定在吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、摄像头和回转机构；回转机构具体包括底座与转台之间、转台与大臂之间、大臂与小臂之间、小臂与旋转模块之间、以及旋转模块自身的回转机构。回转机构包括旋转模块及相关连接部件。所述的多功能机械手臂具体包括底座、转台、大臂、小臂、旋转模块、摄像头、连接法兰以及驱动模块，底座固定在吸附式爬行机构的车架上，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动转台相对底座做水平转动；大臂安装在转台上，电机和减速器驱动大臂相对转台做竖直转动；所述的小臂安装在大臂上，电机和减速器驱动小臂相对大臂竖直转动；所述的旋转模块一端与小臂采用法兰连接，旋转模块相对小臂竖直转动，旋转模块自身做轴向转动，旋转模块另一端通过法兰结构与末端工作模块连接；所述的摄像头安装在末端工作模块与旋转模块之间的法兰结构上；大臂外形轮廓为向ー侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间，上述机械手臂包括5个自由度，分别是I个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和I个轴向转动自由度。所述爬行机构包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；爬行机构为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用前轮受控转向、两后轮采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向。后轮模块包括底盘、环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体、穿过底盘的两后轮、带动车轮的減速器、驱动减速器的直流电机，后轮模块的两后轮对称布置。前轮模块为驱动转向一体化磁轮 ，包括永磁体和车轮，前轮的永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体。2.进ー步的，驱动转向一体化磁轮装置，包括车体固定框架、转台框架、转向驱动机构、车轮驱动机构和滚轮；所述车体固定框架和转台框架之间设置有一个被动的侧倾转动结构，转台框架和磁轮之间设置有独立转向结构；所述侧倾转动结构包括在转台框架前、后安装的侧倾转轴，以及在车体固定框架安装的自润滑滑动轴承；所述转台框架包括依次相连的转台下支撑板、转台支撑立柱、转台盖板和转台上支撑板；所述转向驱动机构包括转向电机安装板和安装在其上的转向驱动电机，转向驱动电机采用直流无刷盘式电机，电机输出轴接行星齿轮减速器，再通过ー级锥齿轮传动和一级圆柱齿轮传动带动转向轴；所述车轮驱动机构包括驱动电机安装板和安装在其上的车轮滚动驱动减速电机，电机输出轴接行星齿轮减速器，通过同步带传动带动磁轮滚动；所述滚轮为磁轮，所述转向驱动电机和车轮滚动驱动减速电机互为独立的驱动结构；侧倾转轴一端安装在车体固定框架上，另一端转台下支撑板连接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板连接，转台盖板与转台上支撑板连接，圆锥滚子轴承安装在两个支撑板上，转向轴支承在圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板连接，角度传感器与角度传感器支撑杆连接，转向电机安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮连接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另ー侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴的下端与转向基板连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板连接，驱动减速电机与驱动电机安装板连接，小同步带轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带轮通过平键联接安装在小同步带轮轴上，车轮永磁体和车轮轭铁通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带轮通过平键联接安装在车轮轴的另ー侦牝大同步带轮和小同步带轮之间由同步带联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动；转向驱动机构还包括转向轴，转向轴下部安装有车轮驱动机构及滚轮；所述转向轴线与车轮轴线垂直正交；所述驱动减速电机为直流有刷电机。3.进ー步的，所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触式的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。4.所述末端工作模块包括焊接模块、打磨模块或夹取模块，三种模块通过法兰结构分别与多功能机械手臂的末端连接。5进ー步的，所述底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路。6进ー步的，減速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接ニ级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。7所述的多功能机械手臂的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金，箱形结构就是薄板拼接而成的封闭结构，其截面为中空的封闭形状。上述封闭形状类似箱子的截面，薄壁结构的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定为封闭的箱形结构。本发明的优点在于
I、本发明所述爬行机构采用接触式磁轮吸附(即驱动转向一体化磁轮)和非接触式间隙吸附(即包括永磁间隙吸附装置)的复合方式，三轮结构，所有车轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。2、本发明搭载有小折叠尺寸机械手臂，手臂具有5个自由度，分别是ー个水平回转自由度、三个竖直转动自由度和ー个轴向转动自由度，手臂末端可换装焊接模块、打磨模块或夹取模块三种不同的工作装置，已实现多种工作方式。采用这种5自由度搭配的方式，可以使手臂末端在工作区域内任意位置、任意角度进行工作，较其他自由度较少的机械手臂运动更加灵活。小折叠尺寸手臂，根据解释是指臂折叠比较紧凑，折叠后尺寸较小，表现在各个臂的形状，尤其是大臂采用曲线设计，在折叠时可以避让其他结构。3、本发明在吸附式爬行机构、多功能机械手臂和末端工作模块的相互配合下，能在大型钢结构表面全位置自主灵活移动、可靠吸附，依靠多功能机械手臂末端换装不同的工作装置，可对大型钢结构进行焊接、打磨、监测等多种作业。4、转向机构引入冗余控制方式，前轮受控转向，两后轮采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度。5、本发明爬行机构为三轮全驱动吸附式爬行机构，操作机构为多功能机械手臂；所述爬行机构的前轮模块可实现驱动转向一体化的功能，后轮模块的吸附カ可通过底盘与导磁壁面之间的间隙进行调整；所述的末端工作装置可根据不同的エ况换装在多功能机械手臂的末端，实现多种作业方式。
6、驱动转向一体化磁轮的驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动,通过调节传动中心距可以获得较大的安装空间，安装较大功率的驱动减速电机从而提高驱动カ矩。7、驱动转向一体化磁轮设置了独立的转向自由度且使转向轴线与车轮轴线垂直正交，可以实现车轮的独立转向，提高爬壁机器人运动灵活性。8、驱动转向一体化磁轮设置了被动的侧倾自由度且通过侧倾限制块限制侧倾转角在正负10度以内，使爬壁机器人具有了较好的曲面适应能力。9、驱动转向一体化磁轮的侧倾限制块通过机械限位实现限制侧倾角度的功能。
10、驱动转向一体化磁轮的转向结构和车轮滚动都设置有独立的驱动机构。
图I为本发明总体外观图。图2为吸附式爬行机构结构示意图。图3为后轮模块结构示意图。图4为永磁间隙吸附装置结构示意图。图5为驱动转向一体化磁轮结构示意图。图6为前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图。图7为磁轮剖视图。图8为多功能机械手臂结构示意图。图9为多功能机械手臂俯视图。图10为多功能机械手臂折叠状态图。图11为打磨模块结构示意图。图12为焊接模块结构示意图。图13为夹取模块结构示意图。附图中爬行机构I，多功能机械手臂2，末端工作模块3，后轮模块4，前轮模块5，车架6，永磁体7，底盘8，车轮9，涡轮蜗杆减速器10，行星齿轮减速器11，直流电机12，同步带13，减速器14，转向基础板15，20齿直齿锥齿轮16，行星齿轮减速器17，电机18，转向轴19，60齿圆柱齿轮20，19齿圆柱齿轮21，锥齿轮轴22，40齿直齿锥齿轮23，车轮永磁体24，车轮轭铁25，底座26，转台27，大臂28，小臂29，旋转模块30，摄像头31，第一法兰32，第二法兰33,第一伺服电机34,第一谐波减速器35,第二伺服电机36,第二谐波减速器37,第三伺服电机38，第三谐波减速器39，第四伺服电机40，第四谐波减速器41，打磨砂轮42，支撑外壳43，驱动装置44，焊枪45，连接件46，焊缝识别系统47，夹取机构48，夹具49。
具体实施例方式—种具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人包括爬行机构、操作机构，所述操作机构包括多功能机械手臂和末端工作模块，多功能机械手臂的底座固定在吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、摄像头和回转机构；回转机构具体包括底座与转台之间、转台与大臂之间、大臂与小臂之间、小臂与旋转模块之间、以及旋转模块自身的回转机构。回转机构包括旋转模块及相关连接部件。所述的多功能机械手臂具体包括底座、转台、大臂、小臂、旋转模块、摄像头、连接法兰以及驱动模块，底座固定在吸附式爬行机构的车架上，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动转台相对底座做水平转动；大臂安装在转台上，电机和減速器驱动大臂相对转台做竖直转动；所述的小臂安装在大臂上，电机和減速器驱动小臂相对大臂竖直转动；所述的旋转模块一端与小臂采用法兰连接，旋转模块相对小臂竖直转动，旋转模块自身做轴向转动，旋转模块另一端通过法兰结构与末端工作模块连接；所述的摄像头安装在末端工作模块与旋转模块之间的法兰结构上；大臂外形轮廓为向ー侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间，上述 机械手臂包括5个自由度，分别是I个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和I个轴向转动自由度。所述爬行机构包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块、连接前后轮的车架和安装在车架上的电机驱动控制器；爬行机构为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用前轮受控转向的方式在导磁壁面上的转向。后轮模块包括底盘、环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体、穿过底盘的两后轮、带动车轮的減速器、驱动减速器的直流电机，后轮模块的两后轮对称布置。前轮模块为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体和车轮，前轮的永磁体采用 沿厚度方向磁化的环形永磁体。驱动转向一体化磁轮装置，包括车体固定框架、转台框架、转向驱动机构、车轮驱动机构和滚轮；所述车体固定框架和转台框架之间设置有一个被动的侧倾转动结构，转台框架和磁轮之间设置有独立转向结构；所述侧倾转动结构包括在转台框架前、后安装的侧倾转轴，以及在车体固定框架安装的自润滑滑动轴承；所述转台框架包括依次相连的转台下支撑板、转台支撑立柱、转台盖板和转台上支撑板；所述转向驱动机构包括转向电机安装板和安装在其上的转向驱动电机，转向驱动电机采用直流无刷盘式电机，电机输出轴接行星齿轮减速器，再通过ー级锥齿轮传动和一级圆柱齿轮传动带动转向轴；所述车轮驱动机构包括驱动电机安装板和安装在其上的车轮滚动驱动减速电机，电机输出轴接行星齿轮减速器，通过同步带传动带动磁轮滚动；所述滚轮为磁轮，所述转向驱动电机和车轮滚动驱动减速电机互为独立的驱动结构；侧倾转轴一端安装在车体固定框架上，另一端转台下支撑板连接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板连接，转台盖板与转台上支撑板连接，圆锥滚子轴承安装在两个支撑板上，转向轴支承在圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板连接，角度传感器与角度传感器支撑杆连接，转向电机安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮连接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另ー侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴的下端与转向基板连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板连接，驱动减速电机与驱动电机安装板连接，小同步带轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带轮通过平键联接安装在小同步带轮轴上，车轮永磁体和车轮轭铁通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带轮通过平键联接安装在车轮轴的另ー侧，大同步带轮和小同步带轮之间由同步带联接，张紧辊轮与张紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带传动；转向驱动机构还包括转向轴，转向轴下部安装有车轮驱动机构及滚轮；所述转向轴线与车轮轴线垂直正交；所述驱动減速电机为直流有刷电机。永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触式的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。末端工作模块包括焊接模块、打磨模块或夹取模块，三种模块通过法兰结构分别与多功能机械手臂的末端连接。底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路。減速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接ニ级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。多功能机械手臂的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金，箱形结构就是薄板拼接而成的封闭结构，其截面为中空的封闭形状。上述封闭形状类似箱子的截面，薄壁结构的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定为封闭的箱形结构。图I所示的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人由三部分组成，包括吸附式爬行机构I、多功能机械手臂2和末端工作模块3，多功能机械手臂2的底座安装在吸附式爬行机构I的安装平台上，末端工作模块3安装在多功能机械手臂2的末端，末端工作模块3有三个种类，分别是焊接模块、打磨模块和夹取模块，图I所示的末端工作模块为夹取模块。如图2所示，吸附式爬行机构由三部分构成，包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块5、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块4和连接前后轮的车架6。 如图3所示，后轮底盘8采用低碳钢(如Q235)制造，除作为支撑后轮结构的功能夕卜，还作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘8上的永磁体7—起构成磁路的一部分，直流电机12接ニ级减速器带动车轮9，第一级为行星齿轮减速器11，第二级为涡轮蜗杆減速器10，涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘8上。永磁间隙吸附装置如图4所示，由12块厚度方向充磁的钕铁硼永磁体组成，每个后轮各布置6块永磁体，N极和S极交错排列构成磁路，环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。图5是前轮的三维模型图，图6是前轮过转向轴和锥齿轮轴的剖视图，图7是过前轮车轮轴的剖视图。其中，直流无刷电机18及行星齿轮减速器17经过20齿直齿锥齿轮16和40齿直齿锥齿轮23传动带动锥齿轮轴22旋转，锥齿轮轴22再通过19齿圆柱齿轮21和60齿圆柱齿轮20传动带动转向轴19旋转，转向轴19与转向基础板15通过螺钉联接固定。前轮驱动电机及減速器14采用直流有刷电机和行星齿轮减速器，通过同步带13传动带动前轮。前轮为磁轮，结构见图7。磁轮由I块永磁体和2块轭铁构成。所述永磁体采用沿厚度方向磁化的环形永磁体，永磁体可采用高性能永磁材料如NdFeB等制造,轭铁采用低碳钢(如Q235等)制造。车轮永磁体24和车轮轭铁25组成磁轮。參阅图8、9，本发明的机械手臂，包括底座26 ;转台27通过水平方向的转动副安装在底座26上；大臂28通过竖直方向的转动副安装在转台27上；小臂29通过竖直方向的转动副安装在大臂28上；旋转模块30通过螺纹连接与第一法兰32相连；第一法兰32通过竖直方向的转动副与小臂29相连；第ニ法兰33的一端通过螺纹连接与旋转模块30固连，另一端与末端工作模块连接；摄像头31通过螺纹连接与第二法兰33的上平面固连，并将镜头方向指向末端工作模块；第一伺服电机34、第二伺服电机36、第三伺服电机38、第四伺服电机40的输入端分别与第一谐波减速器35、第二谐波减速器37、第三谐波减速器39、第四谐波減速器41的输入端相连；第一谐波减速器35的外壳通过螺纹连接与转台27固连，输出轴通过键连接与底座26固连；第二谐波减速器37的外壳通过螺纹连接与转台27固连，输出轴通过键连接与大臂28的一端固连；第三谐波减速器39的外壳通过螺纹连接与小臂29的一端固连，输出轴通过键连接与大臂28的另一端固连；第四谐波减速器41的外壳通过螺栓连接与小臂29的另一端固连，输出端通过键连接与第一法兰32固连；底座26、转台27、大臂28、小臂29、第一法兰32、第二法兰33的材料均为高强度铝合金；大臂28、小臂29均采用箱形结构，其他结构件均采用薄壁结构，以减轻结构自重；旋转模块30可选用市场上的成熟产品。采用上述结构，转台27可相对底座26水平回转，大臂28可相对转台27竖直转动，小臂29可绕大臂28竖直转动，旋转模块30可相对小臂29竖直转动，旋转模块30的输出端和输入端可相对轴向转动，从而带动末端工作装置做轴向转动。以上各运动副使机械臂具有5个自由度，分别是I个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和I个轴向转动自由度。通过程序控制使第一伺服电机34、第二伺服电机36、第三伺服电机38、第四伺服电机40、旋转模块30协调动作，从而实现机械臂在工作半径内任意位置和任意角度的作业。參阅图10，大臂28的轮廓为向ー侧凹的样条曲线，且曲线的凹陷处在折叠状态时可以避开底座26、转台27、第一伺服电机34和第一谐波减速器35的空间，以降低机械臂在折置状态的最小闻度。图11所示为末端工作模块3中的打磨模块，由打磨砂轮42、支撑外壳43和驱动装、置44三部分组成；图12所示为末端工作模块3中的焊接模块，由焊枪45、连接件46和焊缝识别系统47组成，连接件46的一端固定焊枪45，另一端与多功能机械手臂2的末端相连；图13为末端工作模块3中的夹取模块，由夹取机构48和夹具49组成，夹取机构48可选用成熟的夹取产品，夹具49连接在夹取机构48的输出端，根据夹取对象的不同可设计成不同的形状。旋转模块为ー个独立的功能模块，本身具有驱动装置，可驱动其首尾两端做相对转动。此模块可选用成熟产品，如SCHUNK公司的PRL模块产品。所述箱形结构就是薄板拼接而成的封闭结构，其截面为中空的封闭形状，类似箱子的截面；薄壁结构的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定为封闭的箱形结构。本发明所述的多功能爬壁机器人的爬行机构为三轮全驱动吸附式爬行机构，操作机构为多功能机械手臂；所述爬行机构的前轮模块驱动转向一体化磁轮；后轮模块的吸附力可通过底盘与导磁壁面之间的间隙进行调整；多功能机械手臂各关节自由度靠伺服电机驱动，由程序控制转动角度和速度，以实现末端工作模块的定位、姿态调整和工作轨迹调整；末端工作模块有三种，分别是焊接模块、打磨模块和夹取模块，在不同的エ况下换装不同的末端工作模块。爬行机构、多功能机械手臂和末端工作模块之间靠程序实现协调动作，以完成作业需求。本发明不仅仅局限于以上实施例，在本发明保护范围内的任何修改，都认为落入本发明的保护范围内。
权利要求
1.ー种具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括爬行机构(I)、操作机构，其特征在干 所述操作机构包括多功能机械手臂(2)和末端工作模块(3)，多功能机械手臂(2)的底座(26)固定在吸附式爬行机构(I)上，末端工作模块(3)固定在多功能机械手臂(2)的末端; 所述的多功能机械手臂(2)具体包括底座(26)、转台(27)、大臂(28)、小臂(29)、旋转模块(30)、摄像头(31)、连接法兰以及驱动模块，底座(26)固定在吸附式爬行机构(I)的车架(6)上，所述的转台(27)安装在底座(26)上，电机(18)和减速器(14)驱动转台(27)相对底座(26)做水平转动；大臂(28)安装在转台(27)上，电机(18)和減速器(14)驱动大臂(28)相对转台(27)做竖直转动；所述的小臂(29)安装在大臂(28)上，电机(18)和減速器(14)驱动小臂(29)相对大臂(28)竖直转动；所述的旋转模块(30) —端与小臂(29)采用法兰连接，旋转模块(30)相对小臂(29)竖直转动，旋转模块(30)自身做轴向转动，旋转模块(30)另一端通过法兰结构与末端工作模块(3)连接；所述的摄像头(31)安装在末端工作模块(3)与旋转模块(30)之间的法兰结构上；大臂(28)外形轮廓为向ー侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座(26)与转台(27)的空间，上述机械手臂包括5个自由度，分别是I个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和I个轴向转动自由度； 所述爬行机构(I)包括采用驱动转向一体化磁轮的前轮模块(5)、采用永磁间隙吸附装置的后轮模块(4)、连接前后轮的车架(6)和安装在车架(6)上的电机(18)驱动控制器；爬行机构(I)为三轮结构，三轮均为驱动轮，采用前轮受控转向、两后轮采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向； 后轮模块(4)包括底盘(8)、环绕车轮(9)安装在后轮底盘(8)上的永磁体(7)、穿过底盘(8)的两后轮、带动车轮(9)的減速器(14)、驱动减速器(14)的直流电机(12)，后轮模块(4)的两后轮对称布置； 前轮模块(5 )为驱动转向一体化磁轮，包括永磁体(7 )和车轮(9 )，前轮的永磁体(7 )采用沿厚度方向磁化的环形永磁体。
2.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于驱动转向一体化磁轮装置，包括车体固定框架、转台框架、转向驱动机构、车轮驱动机构和滚轮；所述车体固定框架和转台框架之间设置有ー个被动的侧倾转动结构，转台框架和磁轮之间设置有独立转向结构；所述侧倾转动结构包括在转台框架前、后安装的侧倾转轴，以及在车体固定框架安装的自润滑滑动轴承；所述转台框架包括依次相连的转台下支撑板、转台支撑立柱、转台盖板和转台上支撑板；所述转向驱动机构包括转向电机安装板和安装在其上的转向驱动电机，转向驱动电机采用直流无刷盘式电机，电机输出轴接行星齿轮减速器(17) (11),再通过ー级锥齿轮传动和ー级圆柱齿轮传动带动转向轴(19);所述车轮驱动机构包括驱动电机安装板和安装在其上的车轮滚动驱动减速电机，电机输出轴接行星齿轮减速器(17) (11)，通过同步带(13)传动带动磁轮滚动；所述滚轮为磁轮，所述转向驱动电机和车轮滚动驱动减速电机互为独立的驱动结构；侧倾转轴一端安装在车体固定框架上，另一端转台下支撑板连接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板连接，转台盖板与转台上支撑板连接，圆锥滚子轴承安装在两个支撑板上，转向轴(19)支承在圆锥滚子轴承上，转向轴(19)与60齿直齿齿轮连接，角度传感器输入轴与转向轴(19)固接，角度传感器支撑杆与转台上支撑板连接，角度传感器与角度传感器支撑杆连接，转向电机安装板与转台上支撑板连接，转向减速电机与转向电机安装板连接，20齿直齿锥齿轮(16)固接在转向减速电机输出轴上，与之相啮合的40齿直齿锥齿轮(23)连接安装在锥齿轮轴(22)上,锥齿轮轴(22)由安装在转台上支撑板的第一深沟球轴承支承,锥齿轮轴(22)的另ー侧与19齿直齿齿轮通过平键联接，19齿直齿齿轮与60齿直齿齿轮啮合，转向轴(19)的下端与转向基板连接，车轮左侧安装板、车轮右侧安装板、驱动电机安装板与转向基板连接，驱动减速电机与驱动电机安装板连接，小同步带(13)轮轴与驱动减速电机的输出轴固接，小同步带(13)轮通过平键联接安装在小同步带(13)轮轴上，车轮永磁体(24)和车轮轭铁(25)通过平键联接安装在车轮轴上，车轮轴通过第一深沟球轴承和第二深沟球轴承支承在车轮左侧安装板和车轮右侧安装板之间，大同步带(13)轮通过平键联接安装在车轮轴的另ー侧，大同步带(13)轮和小同步带(13)轮之间由同步带(13)联接，张紧辊轮与张 紧辊轮支撑杆之间通过螺钉连接，张紧辊轮支撑杆通过螺钉安装在车轮左侧安装板上，驱动减速电机与车轮轴之间通过同步带(13 )传动；转向驱动机构还包括转向轴(19 ),转向轴 (19)下部安装有车轮驱动机构及滚轮；所述转向轴(19)线与车轮轴线垂直正交；所述驱动減速电机为直流有刷电机。
3.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘(8)上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触式的，通过调节底盘(8)和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。
4.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于所述末端工作模块(3)包括焊接模块、打磨模块或夹取模块，三种模块通过法兰结构分别与多功能机械手臂(2)的末端连接。
5.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于进ー步的，所述底盘(8)为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘(8)上的永磁体一起构成磁路。
6.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于进ー步的，減速器包括第一级行星齿轮减速器(17) (11)和第二级涡轮蜗杆减速器(10)，直流电机(12)后接ニ级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器(10)通 过螺钉连接安装在后轮底盘(8)上。
7.根据权利要求I所述的具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在干所述的多功能机械手臂(2)的大臂(28)、小臂(29)、转台、底座(26)及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金，箱形结构就是薄板拼接而成的封闭结构，其截面为中空的封闭形状。
全文摘要
本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是一种具有小折叠尺寸机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括爬行机构、操作机构，所述操作机构包括多功能机械手臂和末端工作模块，多功能机械手臂的底座固定在吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。本发明所述爬行机构采用接触式磁轮吸附和非接触式间隙吸附的复合方式，三轮结构，所有车轮均为驱动轮，采用冗余控制转向方式，依靠两后轮的差速及前轮的受控转向实现在导磁壁面上的转向，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。
文档编号B62D57/024GK102700646SQ20121018501
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者官雪梅, 张帆, 李永龙, 栗园园, 桂仲成, 莫堃, 贺骥, 陈博翁 申请人:中国东方电气集团有限公司