一种三平面分支六自由度并联爬壁机器人的制作方法
【专利摘要】一种三平面分支六自由度并联爬壁机器人，其主要包括动平台、激光枪、三个平面分支、复位机构和三个牵引腿，平面分支包括两个可伸缩的驱动腿，上端用横轴与动平台呈复合万向副联接，下端与永磁吸盘呈复合球副联接；牵引腿可刚性伸出、柔性缩回和摆动，上端与动平台球副联接，下端与永磁吸盘球副联接；复位机构通过横轴使平面分支复位；压弹簧使牵引腿复位，各腿与永磁吸盘协调运动，实现在磁性工件壁面爬行。吸附定位后，吸盘吸附力始终作用于动平台，爬壁机器人变成并联机器人，动平台带动激光枪可修复大型装备和工件缺陷。本发明具有结构简单、吸附能力强、运动灵活、控制简单、自重轻并且具有快速平动爬壁与大载荷六自由度灵活操作双重功能。
【专利说明】一种三平面分支六自由度并联爬壁机器人
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人，特别涉及一种具有爬壁功能的并联机器人。
【背景技术】
[0002]爬壁机器人是一种可以在垂直墙壁上攀爬完成超出人极限的自动化作业的机器人，近20年成为国内外机器人领域研究的热点和前沿。目前爬壁机器人已用于储油罐探伤检查、舰船喷漆、军事侦查、高楼消防、清洁和喷涂、核设备检查测厚等。
[0003]中国专利200710016408.8公开了一种铁基罐体爬壁机器人；中国专利CN1739925公开了一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人；中国专利CN1428226公开了一种履带式多吸盘爬壁机器人的实现方法及所述方法的机器人；中国专利CN101181913公开了一种串联式模块化爬壁机器人；中国专利CN101537619公开了一种模块化可重构蠕虫式爬壁机器人；中国专利CN102343588A公开了一种磁盘吸附式爬壁机器人；中国专利02158876公开了一种五足爬壁机器人；中国专利CN101746429A公开了一种六足仿生湿吸爬壁机器人。
[0004]申请号为201310104113.1的变胞爬壁并联机器人虽然吸附能力强、结构简单、运动灵活度高，却有以下不足:1、自由度为三，不能保证快速平动爬壁；2、定位后动平台相对吸附工件加工与操作自由度也为三，灵活性还是较差，不能满足复杂运动要求；3、驱动腿弹性复位精度较低，影响定位加工操作精度；4、牵引腿结构较复杂，尚待改进。
[0005]虽然上述爬壁类机器人各具特色，但用于极端条件下大型设备、装备及大工件表面缺陷现场修复和再制造一直是爬壁类机器人设计、研制和应用中面临的难题。特别是爬壁机器人应能快速平动爬壁，并满足动平台相对吸附工件的六自由度灵活加工与大载荷操作是尚待解决的关键问题。
【发明内容】
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[0006]本发明目的在于提供一种用于极端条件下大型设备、装备及大工件表面缺陷现场修复和再制造，吸附能力强、结构简单、运动灵活、控制简单、自重轻并且具有平动爬壁与大载荷六自由度灵活操作双重功能的三平面分支六自由度并联爬壁机器人。
[0007]本发明主要包括动平台、激光枪、复位机构、结构相同的三个平面分支和三个牵引腿，其中激光枪与动平台中心固连，三个平面分支与三个牵引腿在动平台与吸附的工件之间呈圆周交替均布。
[0008]所述三个结构相同的平面分支包括两个结构相同的由两节可伸缩杆构成的驱动腿，该两个驱动腿的上端分别通过转动副与横轴两端联接，该横轴两端开有相互平行且垂直横轴轴线的转动副孔，该横轴中间固连一个凸轮，该凸轮两侧通过转动副与动平台联接，上述两个驱动腿的下端通过复合球副与永磁吸盘A联接，在永磁吸盘A和复合球副之间设有吸盘复位弹簧A。
[0009]所述三个结构相同的三个牵引腿包括永磁吸盘B、吸盘复位弹簧B、拉弹簧、拉杆、丝母、套、丝杠、轴承、电动机B、压弹簧和球副，其中套是一端封闭、另一端为开口、外侧设有圆柱凸台的套筒，其封闭端通过球副与动平台联接，电动机B设在套的封闭端的套筒内，该电动机B的转轴朝向套的开口端，该转轴与丝杠的一端同轴相连，该丝杠靠近电动机B转轴的一端套有轴承，该轴承外环固定在套的内壁上；上述丝杠为一端开口、外壁带有螺纹的圆柱筒；丝母为两端开口、内壁带有螺纹的圆柱筒，该丝母大口径端与上述丝杠螺纹联接，该丝母外壁轴向设有凹槽，套的开口端设有键，该键置于上述丝母的凹槽内；压弹簧上端与动平台联接，下端与套的圆柱凸台联接，实现牵引腿复位；上述拉杆上端设有短粗圆柱，与上述丝杠下端的圆柱孔滑动配合，该拉杆中部为细长圆柱，与上述丝母小口径端圆柱通孔滑动配合，该拉杆下端设有圆柱凸台，该圆柱凸台与拉弹簧下端固连，该拉弹簧上端与套的圆柱凸台固连，上述拉杆下端与通过球副与永磁吸盘B联接，吸盘复位弹簧B置于拉杆下端与永磁吸盘B之间。吸附定位后，电动机B正转，带动丝杠转动并驱动丝母和拉杆沿其轴线向下移，实现牵引腿刚性伸长；待吸盘吸附工件，电动机B反转，驱动丝母沿其轴线向上移动，通过拉弹簧牵引拉杆，对动平台施加弹簧牵引力，确保增大吸附力。爬行时，动平台和丝母继续上移，迫使拉杆和永磁吸盘B脱离工件，同时拉杆上端圆柱插入丝母下端圆孔，利用圆柱与圆孔之间的空气阻尼避免吸盘脱离工件后拉弹簧导致的冲击，实现牵引腿柔性缩回。
[0010]所述的复位机构包括机架，压板，丝杠轴，电动机A，其中机架上、下端分别与电动机A和动平台中心固连，电动机A与丝杠轴同轴连接，压板为中间带有丝母的三角板，与丝杠轴构成螺旋副；定位前，电动机驱动丝杠使压板下移，压向横轴的凸轮，迫使三个平面分支同时复位，由于复位是刚性的，复位精度高；三个平面分支的永磁吸盘吸附定位后，电动机驱动丝杠使压板上移，脱离三个横轴的凸轮，使系统成为六自由度并联机器人。
[0011]本发明的爬壁过程:六个吸盘都吸附工件后，三个平面分支驱动腿伸长，牵引腿缩回，带动其三个吸盘脱离工件；三个平面分支驱动腿伸长不同，使动平台及牵引腿相对工件向预定方向平移；所有牵引腿伸长，带动其三个吸盘吸附工件后，三个平面分支逐个缩回带动其吸盘脱离工件，复位机构迫使三个平面分支复位；压弹簧迫使所有相同伸长的牵引腿相对动台复位，三个平面分支再伸长，驱动腿吸盘吸附工件新点位，实现迈步。重复上述过程，可以实现该机器人沿工件壁面任意方向平动爬行。
[0012]本发明的定位操作过程:牵引腿电动机正转，通过螺旋传动实现该腿刚性伸长和吸附工件；复位机构迫使三个平面分支复位和吸附工件；牵引腿电动机反转，驱动丝母沿其轴线向上移，拉弹簧牵引拉杆，实现该腿柔性缩回，将吸盘吸附力传给动平台。该机器人变成三平面分支六自由度并联机器人，实现六自由度定点操作加工。
[0013]本发明与现有技术相比具有如下优点:结构简单、吸附能力强、运动灵活、控制简单、自重轻并且具有快速平动爬壁与大载荷六自由度灵活操作双重功能，可以完成极端条件下对太空站、核/水电站、采矿/冶金/装卸设备、采/输/储油气设备、大型舰船/飞机等大型设备、装备及大工件表面缺陷现场修复和再制造，探伤检查、除锈、喷漆及军事侦查等任务。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明没有复位机构的立体示意简图。
[0015]图2是本发明的平面分支结构示意简图。
[0016]图3是本发明的主视剖面示意简图。[0017]图中:1-平面分支，2-牵引腿，3-磁性工件，4-激光枪，5-动平台，6复位机构；1_1永磁吸盘A，1-2吸盘复位弹簧A，1-3复合球副，1-4伸缩腿，1-5转动副，1-6横轴；2_1永磁吸盘B，2-2吸盘复位弹簧B，2-3拉弹簧，2-4拉杆，2-5丝母，2-6套，2-7丝杠，2-8轴承，2-9电动机B，2-10压弹簧，2-11球副；6-1压板，6-2丝杠轴，6_3机架，6-4电动机A
【具体实施方式】
[0018]在图1和图3所示的三平面分支六自由度并联爬壁机器人的示意图中，激光枪4与动平台5中心固连，结构相同的三个平面分支I与三个牵引腿在动平台与磁性工件3之间呈圆周交替均布。如图2所示，三个结构相同的平面分支包括两个结构相同的由两节可伸缩杆构成的驱动腿1-4，该两个驱动腿的上端分别通过转动副1-5与横轴1-6两端联接，该横轴两端开有相互平行且垂直横轴轴线的转动副孔，该横轴中间固连一个凸轮，该凸轮两侧通过转动副与动平台联接，上述两个驱动腿的下端通过复合球副1-3与永磁吸盘1-1联接，在永磁吸盘和复合球副之间设有吸盘复位弹簧1-2。三个结构相同的三个牵引腿2中的套2-6是一端封闭、另一端为开口、外侧设有圆柱凸台的套筒，其封闭端通过球副2-11与动平台联接，电动机B2-9设在套的封闭端的套筒内，该电动机B的转轴朝向套的开口端，该转轴与丝杠2-7的一端同轴相连，该丝杠靠近电动机B转轴的一端套有轴承2-8，该轴承外环固定在套的内壁上；上述丝杠为一端开口、外壁带有螺纹的圆柱筒；丝母2-5为两端开口、内壁带有螺纹的圆柱筒，该丝母大口径端与上述丝杠螺纹联接，该丝母外壁轴向设有凹槽，套的开口端设有键，该键置于上述丝母的凹槽内；压弹簧2-10上端与动平台联接，下端与套的圆柱凸台联接，实现牵引腿复位；拉杆2-4上端设有短粗圆柱，与上述丝杠下端的圆柱孔滑动配合，该拉杆中部为细长圆柱，与上述丝母小口径端圆柱通孔滑动配合，该拉杆下端设有圆柱凸台，该圆柱凸台与拉弹簧2-3下端固连，该拉弹簧上端与套的圆柱凸台固连，上述拉杆下端与通过球副与永磁吸盘B2-1联接，吸盘复位弹簧B2-2置于拉杆下端与永磁吸盘B之间。复位机构6中的机架6-3上、下端分别与电动机A6-4和动平台中心固连，电动机A与丝杠轴6-2同轴连接，压板6-1为中间带有丝母的三角板，与丝杠轴构成螺旋副；定位前，电动机驱动丝杠使压板下移，压向横轴的凸轮，迫使三个平面分支同时刚性复位；三个平面分支的永磁吸盘吸附定位后，电动机驱动丝杠使压板上移，脱离三个横轴的凸轮，使系统成为六自由度并联机器人。
【权利要求】
1.一种三平面分支六自由度并联爬壁机器人，其特征在于:它的激光枪与动平台中心固连，机构相同的三个平面分支与三个牵引腿在动平台与吸附的工件之间呈圆周交替均布；所述三个结构相同的平面分支包括两个结构相同的由两节可伸缩杆构成的驱动腿，该两个驱动腿的上端分别通过转动副与横轴两端联接，该横轴两端开有相互平行且垂直横轴轴线的转动副孔，该横轴中间固连一个凸轮，该凸轮两侧通过转动副与动平台联接，上述两个驱动腿的下端通过复合球副与永磁吸盘A联接，在永磁吸盘A和复合球副之间设有吸盘复位弹簧A ;所述三个结构相同的三个牵引腿包括永磁吸盘B、吸盘复位弹簧B、拉弹簧、拉杆、丝母、套、丝杠、轴承、电动机B、压弹簧和球副，其中套是一端封闭、另一端为开口、外侧设有圆柱凸台的套筒，其封闭端通过球副与动平台联接，电动机B设在套的封闭端的套筒内，该电动机B的转轴朝向套的开口端,该转轴与丝杠的一端同轴相连，该丝杠靠近电动机B转轴的一端套有轴承，该轴承外环固定在套的内壁上；上述丝杠为一端开口、外壁带有螺纹的圆柱筒；丝母为两端开口、内壁带有螺纹的圆柱筒，该丝母大口径端与上述丝杠螺纹联接，该丝母外壁轴向设有凹槽，套的开口端设有键，该键置于上述丝母的凹槽内；压弹簧上端与动平台联接，下端与套的圆柱凸台联接；上述拉杆上端设有短粗圆柱，与上述丝杠下端的圆柱孔滑动配合，该拉杆中部为细长圆柱，与上述丝母小口径端圆柱通孔滑动配合，该拉杆下端设有圆柱凸台，该圆柱凸台与拉弹簧下端固连，该拉弹簧上端与套的圆柱凸台固连，上述拉杆下端通过球副与永磁吸盘B联接，吸盘复位弹簧B置于拉杆下端与永磁吸盘B之间；复位机构包括机架，压板，丝杠轴，电动机A，其中机架上、下端分别与电动机A和动平台中心固连，电动机A与丝杠轴同轴连接，压板为中间带有丝母的三角板，与丝杠轴构成螺旋副。
【文档编号】B62D57/024GK103612684SQ201310651656
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2013年12月5日 优先权日:2013年12月5日
【发明者】路懿, 周科科, 路扬, 叶妮佳 申请人:燕山大学