专利名称：具有多自由度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：
本实用新型属于特种机器人技术领域，具体来说是一种具有多自由度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一种，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。磁足式爬壁机器人是靠磁足提供的吸附力吸附在壁面上，由于其行走特点决定了其吸附力必须可调，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。磁轮式爬壁机器人是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上。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测。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，动力部分和行走机构三部分组成，车体是一个箱形柔性结构，在内部安装动力部分，动力部分是两个电动机及其减速机构，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，每一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，转向阻力大，转向半径大，转向灵活性差。[0008]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，吸附能力强。上述专利特点是吸附力大，但是由于所有的驱动轮都是不能相对车体转向的圆柱轮，转向阻力大，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，但目前未见多关节机械手臂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本身占用体积较大，末端工作装置无法变化角度，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，并且综合性能不好。
实用新型内容本实用新型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，并且针对机械手臂灵活性存在不足的问题，提供一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，小巧灵活的具有多自由度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，本实用新型的技术方案如下一种具有多自由度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，其特征在于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爬行机构的平台上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。所述多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、回转机构以及驱动模块，驱动模块底座固定在爬行机构的车架上；驱动模块包括电机和减速器，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动其相对于底座做水平回转，所述的大臂安装在转台上，电机和减速器驱动其相对转台竖直转动，所述小臂安装在大臂上，电机和减速器驱动其相对大臂竖直转动，所述的旋转模块安装在小臂的末端，相对小臂做轴向转动，旋转模块具有一个轴向转动自由度，其轴向转动的轴心和小臂与旋转模块之间轴向转动的轴心相互垂直；旋转模块的末端与末端工作模块连接。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、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、带动车轮的减速器、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。进一步的，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，再通过一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，锥齿轮轴的另一侧与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一侧，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；所述驱动减速电机为直流有刷电机。进一步的，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。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。进一步的，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。进一步的，减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，直流电机后接二级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。所述的多功能机械手臂，大臂为箱形结构，由薄板拼接而成，其横截面为中空的封闭形状；底座、转台、小臂及其他连接件均为薄壁结构，由薄板弯折或焊接而成。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。本实用新型的优点在于I、本实用新型所述爬行装置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，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，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、本实用新型所述的多功能爬壁机器人搭载有多功能机械手臂，手臂具有5个自由度，分别是I个水平回转自由度、2个竖直转动自由度和2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。3、本实用新型所述的多功能爬壁机器人在吸附式爬行装置、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，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、本实用新型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，后轮模块的吸附力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工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力矩。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为本实用新型总体外观图。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。[0044]图9为打磨模块结构示意图。图10为焊接模块结构示意图。图11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，打磨砂轮31，支撑外壳32，驱动装置33，焊枪34，连接件35，焊缝识别系统36，夹取机构37和夹具38。
具体实施方式
一种具有多自由度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爬行机构的平台上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。所述多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、回转机构以及驱动模块，驱动模块底座固定在爬行机构的车架上；驱动模块包括电机和减速器，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动其相对于底座做水平回转，所述的大臂安装在转台上，电机和减速器驱动其相对转台竖直转动，所述小臂安装在大臂上，电机和减速器驱动其相对大臂竖直转动，所述的旋转模块安装在小臂的末端，相对小臂做轴向转动，旋转模块具有一个轴向转动自由度，其轴向转动的轴心和小臂与旋转模块之间轴向转动的轴心相互垂直；旋转模块的末端与末端工作模块连接。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，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；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、带动车轮的减速器、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。进一步的，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，再通过一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，锥齿轮轴的另一侧与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一侧，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；所述驱动减速电机为直流有刷电机。进一步的，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。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。进一步的，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。进一步的，减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，直流电机后接二级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮底盘上。所述的多功能机械手臂，大臂为箱形结构，由薄板拼接而成，其横截面为中空的封闭形状；底座、转台、小臂及其他连接件均为薄壁结构，由薄板弯折或焊接而成。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。
以下结合附图进一步详细描述本实用新型。图I所示的具有5自由度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焊接模块。如图2所示，吸附式爬行装置由三部分构成，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接二级减速器带动车轮9，第一级为行星齿轮减速器11，第二级为涡轮蜗杆减速器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。前轮驱动电机及减速器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。具体的说，驱动转向一体化磁轮的侧倾转轴一端由安装在车体固定框架上的滑动轴承支承，另一端与转台下支撑板通过螺纹联接固接，转台上支撑板、转台支撑立柱和转台下支撑板通过螺钉连接，转台盖板与转台上支撑板通过螺钉连接，两个圆锥滚子轴承面对面安装在两个支撑板上，转向轴支承在这两个圆锥滚子轴承上，转向轴与60齿直齿齿轮通过平键连接，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通过螺钉连接，角度传感器与角度传感器支撑杆通过螺钉连接，转向电机安装板与转台上支撑板通过螺钉连接，转向减速电机与转向电机安装板通过螺钉连接，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齿直齿锥齿轮通过平键联接安装在锥齿轮轴上，锥齿轮轴由安装在转台上支撑板的深沟球轴承支承，锥齿轮轴的另一侧与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通过螺钉连接，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通过螺钉连接，驱动减速电机与驱动电机安装板通过螺钉连接，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，车轮轴通过两个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35的另一侧，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。参阅图8，本实用新型的机械手臂，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通过沿小臂29方向的轴向转动副连接在小臂29上；旋转模块30自身具有一个轴向转动副，该转动副的轴心与小臂29和旋转模块30之间的轴向转动副的轴心相互垂直；各运动副均采用伺服电机和谐波减速器驱动；底座26、转台27、大臂28、小臂29、选转模块30的主体结构材料均为高强度铝合金；大臂28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。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轴向转动,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、2个竖直转动自由度和2个轴向转动自由度。通过程序控制使各驱动模块协调动作，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。图9所示为末端工作模块3中的打磨模块，由打磨砂轮31、支撑外壳32和驱动装置33三部分组成；图10所示为末端工作模块3中的焊接模块，由焊枪34、连接件35和焊缝识别系统36组成，连接件35的一端固定焊枪34，另一端与多功能机械手臂2的末端相连；图11为末端工作模块3中的夹取模块，由夹取机构37和夹具38组成，夹取机构37可选用成熟的夹取产品，夹具38连接在夹取机构37的输出端，根据夹取对象的不同可设计成不同的形状。冗余控制转向方式是依靠两后轮的差速及前轮的受控转向共同实现在导磁壁面上的转向，控制上有冗余之处，这种方式使爬行机器人转向过程的受力更好，运动更精确。旋转模块分为两部分，两部分可相对转动，市场上有成熟产品如SCHUNK公司的prl模块。本实用新型不仅仅局限于以上实施例，在本实用新型保护范围内的任何修改，都认为落入本实用新型的保护范围内。工作时，爬行机构吸附在结构件表面，三轮轮为驱动轮，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，在不同的工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。本实用新型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；所述的末端工作装置可根据不同的工况换装在多功能机械手臂的末端，实现多种作业方式。
权利要求1.一种具有多自由度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，其特征在于 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)固定在爬行机构(I)的平台上，末端工作模块(3)固定在多功能机械手臂(2)的末端; 所述多功能机械手臂(2)包括底座(26)、转台(27)、大臂(28)、小臂(29)、回转机构以及驱动模块，驱动模块底座(26)固定在爬行机构(I)的车架(6)上；驱动模块包括电机(18)和减速器(14)，所述的转台(27)安装在底座(26)上，电机(18)和减速器(14)驱动其相对于底座(26)做水平回转，所述的大臂(28)安装在转台(27)上，电机(18)和减速器(14)驱动其相对转台(27 )竖直转动，所述小臂(29 )安装在大臂(28 )上，电机(18 )和减速器(14)驱动其相对大臂(28)竖直转动，所述的旋转模块(30)安装在小臂(29)的末端，相对小臂(29)做轴向转动，旋转模块(30)具有一个轴向转动自由度，其轴向转动的轴心和小臂(29)与旋转模块(30)之间轴向转动的轴心相互垂直；旋转模块(30)的末端与末端工作模块(3)连接； 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)的减速器(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所述的具有多自由度机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于所述驱动转向一体化磁轮包括车体固定框架、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(11)，再通过一级锥齿轮传动和一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(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)的另一侧与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一侧，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；所述驱动减速电机为直流有刷电机。
3.根据权利要求2所述的具有多自由度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3所述的具有多自由度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4所述的具有多自由度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(7 ) 一起构成磁路。
6.根据权利要求5所述的具有多自由度机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于减速器(14)包括第一级行星齿轮减速器(11)和第二级涡轮蜗杆减速器(10)，直流电机(12)后接二级减速器带动车轮，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6所述的具有多自由度机械手臂的全驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于所述的多功能机械手臂(2)，大臂(28)为箱形结构，由薄板拼接而成，其横截面为中空的封闭形状；底座(26)、转台、小臂(29)及其他连接件均为薄壁结构，由薄板弯折或焊接而成，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；薄壁结构的特征在于有薄板拼接而成。
专利摘要本实用新型属于特种机器人技术领域，具体来说是一种具有多自由度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爬行机构的平台上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。本实用新型的优点在于搭载有多功能机械手臂，手臂具有5个自由度，分别是1个水平回转自由度、2个竖直转动自由度和2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。
文档编号B62D57/024GK202805181SQ20122026533
公开日2013年3月20日 申请日期2012年6月7日 优先权日2012年6月7日
发明者桂仲成, 陈博翁, 栗园园, 官雪梅, 张帆, 李永龙, 徐立强, 金之铂, 徐进峰 申请人:中国东方电气集团有限公司