專利名稱：具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明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差動驅(qū)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(jié)構(gòu)件，以及電站水輪機葉片等人員難以現(xiàn)場維護的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(diào)，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(jié)構(gòu)、支承架、檢測結(jié)構(gòu)、滾輪、碼盤、位置校正結(jié)構(gòu)、右輪結(jié)構(gòu)，左輪結(jié)構(gòu)和右輪結(jié)構(gòu)相同，對稱固定在支承架的兩側(cè)，檢測結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)連接在支承架最右側(cè)，其可適應壁面的曲率，繞支承架作一定角度的轉(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)”，其主要技術方案為本爬行機構(gòu)由車體，動力部分和行走機構(gòu)三部分組成，車體是一個箱形柔性結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部安裝動力部分，動力部分是兩個電動機及其減速機構(gòu)，其輸出軸分別帶動車體兩側(cè)的主動鏈輪。行走機構(gòu)安置在車體兩側(cè)，由主動鏈輪，導輪，永磁鐵及鏈條張緊機構(gòu)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(zhuǎn)向運動時，由于履帶和導磁壁面之間接觸面積大，轉(zhuǎn)向阻力大，轉(zhuǎn)向半徑大，轉(zhuǎn)向靈活性差。
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(gòu)和永磁吸附裝置，輪式移動機構(gòu)包括底盤、安裝在底盤上的驅(qū)動機構(gòu)、由驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動的驅(qū)動輪。所述驅(qū)動輪對稱布置，采用差動驅(qū)動方式，依靠驅(qū)動輪的差速實現(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)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(qū)動輪都是不能相對車體轉(zhuǎn)向的圓柱輪，轉(zhuǎn)向阻力大，轉(zhuǎn)向靈活性差。直角坐標系機械手臂由直線運動副構(gòu)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(gòu)成，可實現(xiàn)空間任意位置的作業(yè)，結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動副構(gòu)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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?qū)崿F(xiàn)多種作業(yè)方式，小巧靈活的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下
一種具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構(gòu)、操作機構(gòu)，其特征在于
所述操作機構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)臺、大臂、小臂、回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊底座固定在爬行機構(gòu)的車架上；驅(qū)動模塊包括電機和減速器，所述的轉(zhuǎn)臺安裝在底座上，電機和減速器驅(qū)動其相對于底座做水平回轉(zhuǎn)，所述的大臂安裝在轉(zhuǎn)臺上，電機和減速器驅(qū)動其相對轉(zhuǎn)臺豎直轉(zhuǎn)動，所述小臂安裝在大臂上，電機和減速器驅(qū)動其相對大臂豎直轉(zhuǎn)動，所述的旋轉(zhuǎn)模塊安裝在小臂的末端，相對小臂做軸向轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)模塊具有一個軸向轉(zhuǎn)動自由度，其軸向轉(zhuǎn)動的軸心和小臂與旋轉(zhuǎn)模塊之間軸向轉(zhuǎn)動的軸心相互垂直；旋轉(zhuǎn)模塊的末端與末端工作模塊連接。所述爬行機構(gòu)包括采用萬向滾動磁輪裝置的前輪模塊、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(qū)動控制器；爬行機構(gòu)為三輪結(jié)構(gòu)，兩個后輪作為驅(qū)動輪，采用后輪差動方式實現(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)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(qū)動減速器的直流電機，后輪模塊的兩后輪對稱布置；前輪模塊采用萬向滾動磁輪，包括環(huán)形永磁體和全方位輪，可跟隨車體靈活轉(zhuǎn)動。萬向滾動磁輪裝置包括中央的環(huán)形永磁體以及環(huán)形永磁體兩側(cè)的全方位輪，環(huán)形永磁體和兩個全方位輪同軸放置，環(huán)形永磁體軸向充磁；兩側(cè)的全方位輪的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環(huán)形永磁體一起構(gòu)成磁路的一部分；在輪轂的外緣分別均勻設置有方形凹槽，相對應的輥子軸兩端為方形，安裝在方形凹槽里；輥子安裝在輥子軸上，輥子軸上的軸肩和套筒對輥子定位，輥子結(jié)構(gòu)為在不銹鋼軸承外緣包覆一層聚氨酯層，輥子與方形凹槽數(shù)量相匹配，均勻分布于輪轂周圍，輥子軸線與輪轂的軸線正交，兩側(cè)的全方位輪交錯布置，使得一側(cè)全方位輪的輥子的軸向投影位于另一側(cè)全方位輪的兩個輥子中間，當車輪具有沿軸向的運動趨勢時兩側(cè)全方位輪與地面接觸的輥子繞自身軸線轉(zhuǎn)動，使得車輪仍然保持純滾動狀態(tài)。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(diào)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座、轉(zhuǎn)臺、小臂及其他連接件均為薄壁結(jié)構(gòu)，由薄板彎折或焊接而成。箱形結(jié)構(gòu)就是薄板拼接而成的封閉結(jié)構(gòu)，其截面為中空的封閉形狀，類似箱子的截面；薄壁結(jié)構(gòu)的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定為封閉的箱形結(jié)構(gòu)。所述輪轂的外緣分別均勻設置有18個方形凹槽。本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、本發(fā)明所述爬行機構(gòu)采用接觸式磁輪吸附(即萬向滾動磁輪)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(jié)構(gòu)，依靠兩個后車輪作為驅(qū)動輪，采用后輪差動方式實現(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)向，前輪為萬向滾動磁輪，運動靈活性好，可繞車體中心轉(zhuǎn)向，最小轉(zhuǎn)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。在保證吸附力的同時提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性，同時環(huán)繞后輪在底盤上安裝了永磁間隙吸附裝置，保證爬壁機器人具有強負載能力，采用兩種吸附方式相結(jié)合使吸附更加可靠，在相關領域尚未見應用。
2、轉(zhuǎn)向機構(gòu)引入冗余控制方式，依靠兩后輪的差速及前輪的受控轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)向，通過前輪轉(zhuǎn)向角度的精確控制提高了爬壁機器人轉(zhuǎn)向精度。3、本發(fā)明所述機械手臂具有5個自由度，分別是I個水平回轉(zhuǎn)自由度、2個豎直轉(zhuǎn)動自由度和2個軸向轉(zhuǎn)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。4、本發(fā)明在吸附式爬行機構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行焊接、打磨、監(jiān)測等多種作業(yè)。5、本發(fā)明所述的多功能爬壁機器人的爬行機構(gòu)為三輪差動驅(qū)動吸附式爬行機構(gòu)，操作機構(gòu)為多功能機械手臂；所述爬行機構(gòu)的前輪模塊為萬象滾動磁輪，運動中始終保持純滾動狀態(tài) ，運動靈活；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(diào)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、萬向輪當磁吸附萬向輪裝置繞車輪軸心轉(zhuǎn)動時，兩側(cè)輥子組成的圓弧狀包絡線能實現(xiàn)萬向輪的滾動；當磁吸附萬向輪裝置有沿軸向的運動趨勢時，萬向輪與地面接觸的輥子將繞自身軸轉(zhuǎn)動，使得車輪仍保持純滾動狀態(tài)。7、萬向輪在一個大輪子周圍垂直方向上均勻分布若干小輪子，大輪子由電機驅(qū)動，小輪子可以自由轉(zhuǎn)動，使機器人在大輪子垂直方向側(cè)滑時為滑動摩擦，萬向輪提供一個沿著輪所在的分布圓切向方向的扭矩，實現(xiàn)萬向移動目的。
8、萬向輪中間加上了永磁鐵，中間軸對兩側(cè)萬向輪的特殊定位。9、萬向輪保持純滾動沿車輪軸向運動，能減小摩擦，方便轉(zhuǎn)向，往各個方向移動時更靈活。10、萬向輪裝配更容易定位(中間軸用于定位)，更方便，而且本專利的與地面的接觸為連續(xù)式。


圖I為本發(fā)明總體外觀圖。圖2為吸附式爬行機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為后輪模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為永磁間隙吸附裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為萬向滾動磁輪結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為萬向滾動磁輪磁路示意圖。圖7為萬向滾動磁輪裝配圖。圖8為多功能機械手臂結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為打磨模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖10為焊接模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為夾取模塊結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中爬行機構(gòu)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，全方位輪13，環(huán)形永磁體14，第一輪轂15，輥子16，套筒17，輥子軸18，第二輪轂19，螺釘20，底座21，轉(zhuǎn)臺22，大臂23，，小臂24，旋轉(zhuǎn)模塊25，打磨砂輪26，支撐外殼27，驅(qū)動裝置28，焊槍29，連接件30，焊縫識別系統(tǒng)31，夾取機構(gòu)32和夾具33。
具體實施例方式一種具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人包括爬行機構(gòu)、操作機構(gòu)，所述操作機構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)臺、大臂、小臂、回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊底座固定在爬行機構(gòu)的車架上；驅(qū)動模塊包括電機和減速器，所述的轉(zhuǎn)臺安裝在底座上，電機和減速器驅(qū)動其相對于底座做水平回轉(zhuǎn)，所述的大臂安裝在轉(zhuǎn)臺上，電機和減速器驅(qū)動其相對轉(zhuǎn)臺豎直轉(zhuǎn)動，所述小臂安裝在大臂上，電機和減速器驅(qū)動其相對大臂豎直轉(zhuǎn)動，所述的旋轉(zhuǎn)模塊安裝在小臂的末端，相對小臂做軸向轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)模塊具有一個軸向轉(zhuǎn)動自由度，其軸向轉(zhuǎn)動的軸心和小臂與旋轉(zhuǎn)模塊之間軸向轉(zhuǎn)動的軸心相互垂直；旋轉(zhuǎn)模塊的末端與末端工作模塊連接；所述爬行機構(gòu)包括采用萬向滾動磁輪裝置的前輪模塊、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(qū)動控制器；爬行機構(gòu)為三輪結(jié)構(gòu)，兩個后輪作為驅(qū)動輪，采用后輪差動方式實現(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)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(qū)動減速器的直流電機，后輪模塊的兩后輪對稱布置；前輪模塊采用萬向滾動磁輪，包括環(huán)形永磁體和全方位輪，可跟隨車體靈活轉(zhuǎn)動；萬向滾動磁輪 裝置包括中央的環(huán)形永磁體以及環(huán)形永磁體兩側(cè)的全方位輪，環(huán)形永磁體和兩個全方位輪同軸放置，環(huán)形永磁體軸向充磁；兩側(cè)的全方位輪的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環(huán)形永磁體一起構(gòu)成磁路的一部分；在輪轂的外緣分別均勻設置有方形凹槽，相對應的輥子軸兩端為方形，安裝在方形凹槽里；輥子安裝在輥子軸上，輥子軸上的軸肩和套筒對輥子定位，輥子結(jié)構(gòu)為在不銹鋼軸承外緣包覆一層聚氨酯層，輥子與方形凹槽數(shù)量相匹配，均勻分布于輪轂周圍，輥子軸線與輪轂的軸線正交，兩側(cè)的全方位輪交錯布置，使得一側(cè)全方位輪的輥子的軸向投影位于另一側(cè)全方位輪的兩個輥子中間，當車輪具有沿軸向的運動趨勢時兩側(cè)全方位輪與地面接觸的輥子繞自身軸線轉(zhuǎn)動，使得車輪仍然保持純滾動狀態(tài)；
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(diào)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。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(jié)構(gòu)分別與多功能機械手臂的末端連接。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(gòu)成磁路。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(jié)構(gòu)，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座、轉(zhuǎn)臺、小臂及其他連接件均為薄壁結(jié)構(gòu)，由薄板彎折或焊接而成。箱形結(jié)構(gòu)就是薄板拼接而成的封閉結(jié)構(gòu)，其截面為中空的封閉形狀，類似箱子的截面；薄壁結(jié)構(gòu)的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定為封閉的箱形結(jié)構(gòu)。輪轂的外緣分別均勻設置有18個方形凹槽。下面結(jié)合附圖進一步詳細描述本發(fā)明。圖I所示的具有5自由度機械手臂的差動驅(qū)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(gòu)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(gòu)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，吸附式爬行機構(gòu)由三部分構(gòu)成，包括采用永磁間隙吸附裝置的后輪模塊4、采用萬向滾動磁輪的前輪模塊5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(jié)構(gòu)的功能外，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(gòu)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(gòu)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(diào)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。如圖5所示，萬向滾動磁輪裝置包括中央的環(huán)形永磁體14以及兩側(cè)的全方位輪13，環(huán)形永磁體14和兩個全方位輪13同軸放置。環(huán)形永磁體14內(nèi)孔直徑15毫米，外孔直徑75毫米，厚度30毫米，軸向充磁。兩側(cè)的全方位輪13的輪轂采用低碳鋼(如Q235)制造，作為軛鐵與中央的環(huán)形永磁體14 一起構(gòu)成磁路的一部分。磁路示意如圖6中的虛線回路所示。全方位輪13的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示，第一輪轂15和第二輪轂19直徑98毫米，采用低碳鋼(如Q235)制造。在第一輪轂15和第二輪轂19 的外緣分別均勻設置有18個方形凹槽，相對應的輥子軸18兩端為方形，可安裝在方形凹槽里。輥子16安裝在輥子軸18上，靠輥子軸18上的軸肩和套筒17定位。輥子16內(nèi)徑5毫米，外徑16毫米，厚度5毫米，結(jié)構(gòu)為在不銹鋼軸承外緣包覆一層2毫米厚的聚氨酯層。輥子16共有18個，均勻分布于輪轂周圍，輥子16軸線與第一輪轂15和第二輪轂19的軸線正交。第一輪轂15和第二輪轂19通過螺釘20進行連接。兩側(cè)的全方位輪交錯布置，使得一側(cè)全方位輪的輥子的軸向投影位于另一側(cè)全方位輪的兩個輥子中間。參閱圖8，本發(fā)明的機械手臂，包括底座；轉(zhuǎn)臺通過水平方向的轉(zhuǎn)動副安裝在底座上；大臂通過豎直方向的轉(zhuǎn)動副安裝在轉(zhuǎn)臺上；小臂通過豎直方向的轉(zhuǎn)動副安裝在大臂上；旋轉(zhuǎn)模塊通過沿小臂方向的軸向轉(zhuǎn)動副連接在小臂上；旋轉(zhuǎn)模塊30自身具有一個軸向轉(zhuǎn)動副，該轉(zhuǎn)動副的軸心與小臂和旋轉(zhuǎn)模塊之間的軸向轉(zhuǎn)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(qū)動；底座、轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂、選轉(zhuǎn)模塊的主體結(jié)構(gòu)材料均為高強度鋁合金；大臂采用箱形結(jié)構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)件均采用薄壁結(jié)構(gòu)，以減輕結(jié)構(gòu)自重?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)包括底座與轉(zhuǎn)臺之間、轉(zhuǎn)臺與大臂之間、大臂與小臂之間、小臂與旋轉(zhuǎn)模塊之間、以及旋轉(zhuǎn)模塊自身的回轉(zhuǎn)機構(gòu)。采用上述結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺22可相對底座21水平回轉(zhuǎn)，大臂23可相對轉(zhuǎn)臺22豎直轉(zhuǎn)動，小臂24可繞大臂23豎直轉(zhuǎn)動,旋轉(zhuǎn)模塊25可相對小臂24軸向轉(zhuǎn)動,旋轉(zhuǎn)模塊25的輸出端和輸入端可相對軸向轉(zhuǎn)動，從而帶動末端工作裝置做軸向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)自由度、2個豎直轉(zhuǎn)動自由度和2個軸向轉(zhuǎn)動自由度。通過程序控制使各驅(qū)動模塊協(xié)調(diào)動作，從而實現(xiàn)機械臂在工作半徑內(nèi)任意位置和任意角度的作業(yè)。旋轉(zhuǎn)模塊分為兩部分，兩部分可相對轉(zhuǎn)動，市場上有成熟產(chǎn)品借用，如SCHUNK公司的Pr I模塊。圖9所示為末端工作模塊3中的打磨模塊，由打磨砂輪26、支撐外殼27和驅(qū)動裝置28三部分組成。圖10所示為末端工作模塊3中的焊接模塊，由焊槍29、連接件30和焊縫識別系統(tǒng)31組成，連接件30的一端固定焊槍29，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(gòu)32和夾具33組成，夾取機構(gòu)32可選用成熟的夾取產(chǎn)品，夾具33連接在夾取機構(gòu)32的輸出端，根據(jù)夾取對象的不同可設計成不同的形狀。本發(fā)明不僅僅局限于以上實施例，在本發(fā)明保護范圍內(nèi)的任何修改，都認為落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。工作時，爬行機構(gòu)吸附在結(jié)構(gòu)件表面，兩個后輪為驅(qū)動輪，靠兩后輪的差速驅(qū)動實現(xiàn)爬行機構(gòu)的轉(zhuǎn)向，前輪的萬向滾動輪為隨動輪，跟隨后輪動作；多功能機械手臂各關節(jié)自 由度靠伺服電機驅(qū)動，由程序控制轉(zhuǎn)動角度和速度，以實現(xiàn)末端工作模塊的定位、姿態(tài)調(diào)整和工作軌跡調(diào)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(gòu)、多功能機械手臂和末端工作模塊之間靠程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)動作，以完成作業(yè)需求。
權(quán)利要求
1.具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構(gòu)(I)、操作機構(gòu)，其特征在于 所述操作機構(gòu)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(21)固定在爬行機構(gòu)(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(21)、轉(zhuǎn)臺(22)、大臂(23)、小臂(24)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊底座(21)固定在爬行機構(gòu)(I)的車架(6 )上；驅(qū)動模塊包括電機和減速器，所述的轉(zhuǎn)臺(22)安裝在底座(21)上，電機和減速器驅(qū)動其相對于底座(21)做水平回轉(zhuǎn)，所述的大臂(23)安裝在轉(zhuǎn)臺(22)上，電機和減速器驅(qū)動其相對轉(zhuǎn)臺(22)豎直轉(zhuǎn)動，所述小臂(24)安裝在大臂(23)上，電機和減速器驅(qū)動其相對大臂(23)豎直轉(zhuǎn)動，所述的旋轉(zhuǎn)模塊(25)安裝在小臂(24)的末端，相對小臂(24)做軸向轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)模塊(25)具有一個軸向轉(zhuǎn)動自由度，其軸向轉(zhuǎn)動的軸心和小臂(24)與旋轉(zhuǎn)模塊(25)之間軸向轉(zhuǎn)動的軸心相互垂直；旋轉(zhuǎn)模塊(25)的末端與末端工作模塊(3)連接； 所述爬行機構(gòu)(I)包括采用萬向滾動磁輪裝置的前輪模塊(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)上的電機驅(qū)動控制器；爬行機構(gòu)(I)為三輪結(jié)構(gòu)，兩個后輪作為驅(qū)動輪，采用后輪差動方式實現(xiàn)在導磁壁面上的轉(zhuǎn)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、驅(qū)動減速器的直流電機(12)，后輪模塊(4)的兩后輪對稱布置；前輪模塊(5)采用萬向滾動磁輪，包括環(huán)形永磁體(14)和全方位輪(13)，可跟隨車體靈活轉(zhuǎn)動； 萬向滾動磁輪裝置包括中央的環(huán)形永磁體(14)以及環(huán)形永磁體(14)兩側(cè)的全方位輪(13)，環(huán)形永磁體(14)和兩個全方位輪(13)同軸放置，環(huán)形永磁體(14)軸向充磁；兩側(cè)的全方位輪(13)的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環(huán)形永磁體(14) 一起構(gòu)成磁路的一部分；在輪轂的外緣分別均勻設置有方形凹槽，相對應的輥子軸(18)兩端為方形，安裝在方形凹槽里；輥子(16)安裝在輥子軸(18)上，輥子軸(18)上的軸肩和套筒(17)對輥子(16)定位，輥子(16)結(jié)構(gòu)為在不銹鋼軸承外緣包覆一層聚氨酯層，輥子(16)與方形凹槽數(shù)量相匹配，均勻分布于輪轂周圍，輥子軸(18)線與輪轂的軸線正交，兩側(cè)的全方位輪(13)交錯布置，使得一側(cè)全方位輪(13)的輥子(16)的軸向投影位于另一側(cè)全方位輪(13)的兩個輥子(16)中間，當車輪(9)具有沿軸向的運動趨勢時兩側(cè)全方位輪(13)與地面接觸的輥子(16)繞自身軸線轉(zhuǎn)動，使得車輪(9)仍然保持純滾動狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)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(diào)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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)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(jié)構(gòu)分別與多功能機械手臂(2)的末端連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)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(9)安裝在后輪底盤(8)上的永磁體(7) —起構(gòu)成磁路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于減速器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(9)，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。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)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(23)為箱形結(jié)構(gòu)，由薄板拼接而成，其橫截面為中空的封閉形狀；底座(21)、轉(zhuǎn)臺(22)、小臂(24)及其他連接件均為薄壁結(jié)構(gòu)，由薄板彎折或焊接而成； 箱形結(jié)構(gòu)就是薄板拼接而成的封閉結(jié)構(gòu)，其截面為中空的封閉形狀，類似箱子的截面；薄壁結(jié)構(gòu)的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定為封閉的箱形結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有多自由度機械手臂的差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人，其特征在于所述輪轂外緣分別均勻設置有18個方形凹槽。
全文摘要
本發(fā)明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差動驅(qū)動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構(gòu)、操作機構(gòu)，所述操作機構(gòu)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(gòu)的平臺上，末端工作模塊固定在多功能機械手臂的末端。本發(fā)明的優(yōu)點在于在保證吸附力的同時提高了結(jié)構(gòu)的緊湊性，同時環(huán)繞后輪在底盤上安裝了永磁間隙吸附裝置，保證爬壁機器人具有強負載能力，采用兩種吸附方式相結(jié)合使吸附更加可靠，在相關領域尚未見應用。
文檔編號B25J18/04GK102699893SQ20121018501
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者官雪梅, 張帆, 李永龍, 栗園園, 桂仲成, 肖唐杰, 賀驥, 陳博翁 申請人:中國東方電氣集團有限公司