專(zhuān)利名稱(chēng)：具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是ー種具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人。
背景技術(shù)：
磁吸附爬壁機(jī)器人是特種機(jī)器人的ー種，其主要特點(diǎn)是能夠在船舶等大型結(jié)構(gòu)件，以及電站水輪機(jī)葉片等人員難以現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的結(jié)構(gòu)件的導(dǎo)磁壁面爬行，并完成多種作業(yè)方式(如焊接、打磨、缺陷檢測(cè)、夾取等)的一種自動(dòng)化機(jī)械裝置。、
爬壁機(jī)器人應(yīng)具有吸附、移動(dòng)和作業(yè)三種功能。吸附功能應(yīng)確保其可靠地吸附在結(jié)構(gòu)件導(dǎo)磁壁面，在移動(dòng)和作業(yè)時(shí)不會(huì)掉落；移動(dòng)功能應(yīng)使其具備前后移動(dòng)、左右轉(zhuǎn)動(dòng)功能，移動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定，且能適應(yīng)不同曲率的作業(yè)壁面。爬壁機(jī)器人常見(jiàn)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(lèi)。與吸附方式相匹配的移動(dòng)方式有導(dǎo)軌式、足式、履帶式和輪式四大類(lèi)；作業(yè)機(jī)構(gòu)通常是直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂或多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂。固定軌道式吸附方式需事先在作業(yè)表面鋪設(shè)軌道，不利于靈活操作；真空吸附方式靠真空吸盤(pán)吸附在結(jié)構(gòu)表面，需要的吸附設(shè)備較多，且真空吸盤(pán)吸附后不便于移動(dòng)；磁足式磁吸附方式是靠磁足提供的吸附カ吸附在壁面上，由于其行走特點(diǎn)決定了其吸附カ必須可調(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(jī)器人。足式爬壁機(jī)器人步法控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)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；磁輪式磁吸附方式是靠磁輪的吸附カ吸附在導(dǎo)磁壁面上。申請(qǐng)日為2004年I月5日、申請(qǐng)?zhí)枮?00410016429. 6的專(zhuān)利文獻(xiàn)涉及的“磁輪吸附式爬壁機(jī)器人”，其技術(shù)方案為包括左輪結(jié)構(gòu)、支承架、檢測(cè)結(jié)構(gòu)、滾輪、碼盤(pán)、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(duì)稱(chēng)固定在支承架的兩側(cè)，檢測(cè)結(jié)構(gòu)固定在支承架的前邊，滾輪和碼盤(pán)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(yīng)壁面的曲率，繞支承架作一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中校正機(jī)器人的位姿。本發(fā)明可完成石油筒壁等危險(xiǎn)環(huán)境中的焊縫檢測(cè)。上述發(fā)明的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)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(fù)載能力較差。履帶式磁吸附爬壁機(jī)器人是靠安裝在履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的吸塊吸附在導(dǎo)磁壁面上。申請(qǐng)日為2000年I月26日、申請(qǐng)?zhí)枮?0200795. 9的專(zhuān)利文獻(xiàn)涉及的“履帶式永磁爬壁機(jī)構(gòu)”，其主要技術(shù)方案為本爬行機(jī)構(gòu)由車(chē)體，動(dòng)カ部分和行走機(jī)構(gòu)三部分組成，車(chē)體是ー個(gè)箱形柔性結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部安裝動(dòng)カ部分，動(dòng)カ部分是兩個(gè)電動(dòng)機(jī)及其減速機(jī)構(gòu)，其輸出軸分別帶動(dòng)車(chē)體兩側(cè)的主動(dòng)鏈輪。行走機(jī)構(gòu)安置在車(chē)體兩側(cè)，由主動(dòng)鏈輪，導(dǎo)輪，永磁鐵及鏈條張緊機(jī)構(gòu)組成，每ー主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)三根封閉式鏈條，在三根鏈條之間的兩個(gè)間隙處，沿鏈條全長(zhǎng)視負(fù)重均勻布置永磁鐵。其特點(diǎn)是負(fù)載能力強(qiáng)，但是其運(yùn)動(dòng)靈活性較差，特別是在進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于履帶和導(dǎo)磁壁面之間接觸面積大，轉(zhuǎn)向阻カ大，轉(zhuǎn)向半徑大，轉(zhuǎn)向靈活性差。間隙吸附式爬壁機(jī)器人是靠安裝在底盤(pán)上的與導(dǎo)磁壁面間具有一定間隙的永磁體吸附在導(dǎo)磁壁面上。申請(qǐng)日為2005年10月8日、申請(qǐng)?zhí)枮?00510086383. X的專(zhuān)利文獻(xiàn)涉及的“輪式非接觸磁吸附爬壁機(jī)器人”，其技術(shù)方案為包括輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和永磁吸附裝置，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括底盤(pán)、安裝在底盤(pán)上的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪。所述驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)布置，采用差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，依靠驅(qū)動(dòng)輪的差速實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向；永磁吸附裝置安裝在所述底盤(pán)上，所述永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間是非接觸的，磁能利用率高，吸附能力強(qiáng)。上述專(zhuān)利特點(diǎn)是吸附カ大，但是由于所有的驅(qū)動(dòng)輪都是不能相對(duì)車(chē)體轉(zhuǎn)向的圓柱輪，轉(zhuǎn)向阻カ大，轉(zhuǎn)向靈活性差。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂由直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成，申請(qǐng)日為2006年10月30日、申請(qǐng)?zhí)枮?00620149190. 4的專(zhuān)利文獻(xiàn)涉及的“多軸式機(jī)械手臂”，其特點(diǎn)是有三個(gè)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)空間任意位置的作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但本身占用體積較大，末端工作裝置無(wú)法變化角度。多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂由多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，動(dòng)作靈活，占用體積小，但目前未見(jiàn)具有小折疊尺寸機(jī)械手臂應(yīng)用在磁吸附式爬壁機(jī)器人領(lǐng)域的報(bào)道。 綜上所述，現(xiàn)有的機(jī)械手臂爬壁機(jī)器人體積較大，末端工作裝置無(wú)法任意變化角度，還有運(yùn)動(dòng)靈活性較好而負(fù)載能力差，或者是負(fù)載能力強(qiáng)而運(yùn)動(dòng)靈活性差，未能較好地解決爬壁機(jī)器人移動(dòng)和吸附的矛盾，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(shù)在運(yùn)動(dòng)靈活性和負(fù)載能力兩方面綜合性能的不足，解決爬壁機(jī)器人吸附和移動(dòng)的矛盾，并且針對(duì)小折疊尺寸機(jī)械手臂存在靈活性不足的問(wèn)題，提供ー種能夠在導(dǎo)磁壁面上可靠地吸附并靈活移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種作業(yè)方式，小巧靈活的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下
ー種具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，包括爬行機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)，其特征在干所述操作機(jī)構(gòu)包括多功能機(jī)械手臂和末端工作模塊，多功能機(jī)械手臂的底座固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)上，末端工作模塊固定在多功能機(jī)械手臂的末端。多功能機(jī)械手臂包括底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、攝像頭和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具體包括底座與轉(zhuǎn)臺(tái)之間、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)模塊及相關(guān)連接部件。所述的多功能機(jī)械手臂具體包括底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)模塊、攝像頭、連接法蘭以及驅(qū)動(dòng)模塊，底座固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)的車(chē)架上，所述的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在底座上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)底座做水平轉(zhuǎn)動(dòng)；大臂安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)大臂相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)做豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的小臂安裝在大臂上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)小臂相對(duì)大臂豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的旋轉(zhuǎn)模塊一端與小臂采用法蘭連接，旋轉(zhuǎn)模塊相對(duì)小臂豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊自身做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊另一端通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)與末端工作模塊連接；所述的攝像頭安裝在末端工作模塊與旋轉(zhuǎn)模塊之間的法蘭結(jié)構(gòu)上；大臂外形輪廓為向ー側(cè)凹的樣條曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)的凹陷位置與曲率半徑使其折疊時(shí)能夠避開(kāi)底座與轉(zhuǎn)臺(tái)的空間，上述機(jī)械手臂包括5個(gè)自由度，分別是I個(gè)水平回轉(zhuǎn)自由度、3個(gè)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和I個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所述爬行機(jī)構(gòu)包括采用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(chē)架和安裝在車(chē)架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器；爬行機(jī)構(gòu)為三輪結(jié)構(gòu)，三輪均為驅(qū)動(dòng)輪，采用前輪受控轉(zhuǎn)向、兩后輪采用冗余控制轉(zhuǎn)向方式，依靠?jī)珊筝喌牟钏偌扒拜喌氖芸剞D(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向。后輪模塊包括底盤(pán)、環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)上的永磁體、穿過(guò)底盤(pán)的兩后輪、帶動(dòng)車(chē)輪的減速器、驅(qū)動(dòng)減速器的直流電機(jī)，后輪模塊的兩后輪對(duì)稱(chēng)布置。前輪模塊為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪 ，包括永磁體和車(chē)輪，前輪的永磁體采用沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體。2.進(jìn)ー步的，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪裝置，包括車(chē)體固定框架、轉(zhuǎn)臺(tái)框架、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾輪；所述車(chē)體固定框架和轉(zhuǎn)臺(tái)框架之間設(shè)置有一個(gè)被動(dòng)的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)框架和磁輪之間設(shè)置有獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)；所述側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括在轉(zhuǎn)臺(tái)框架前、后安裝的側(cè)傾轉(zhuǎn)軸，以及在車(chē)體固定框架安裝的自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承；所述轉(zhuǎn)臺(tái)框架包括依次相連的轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱、轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板和轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板；所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板和安裝在其上的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷盤(pán)式電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器，再通過(guò)ー級(jí)錐齒輪傳動(dòng)和一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸；所述車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板和安裝在其上的車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器，通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)磁輪滾動(dòng)；所述滾輪為磁輪，所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)互為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；側(cè)傾轉(zhuǎn)軸一端安裝在車(chē)體固定框架上，另一端轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱和轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個(gè)支撐板上，轉(zhuǎn)向軸支承在圓錐滾子軸承上，轉(zhuǎn)向軸與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉(zhuǎn)向軸固接，角度傳感器支撐桿與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，轉(zhuǎn)向減速電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉(zhuǎn)向減速電機(jī)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(zhuǎn)臺(tái)上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另ー側(cè)與19齒直齒齒輪通過(guò)平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉(zhuǎn)向軸的下端與轉(zhuǎn)向基板連接，車(chē)輪左側(cè)安裝板、車(chē)輪右側(cè)安裝板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)向基板連接，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板連接，小同步帶輪軸與驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的輸出軸固接，小同步帶輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶輪軸上，車(chē)輪永磁體和車(chē)輪軛鐵通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸上，車(chē)輪軸通過(guò)第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車(chē)輪左側(cè)安裝板和車(chē)輪右側(cè)安裝板之間，大同步帶輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸的另ー偵牝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(guò)螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過(guò)螺釘安裝在車(chē)輪左側(cè)安裝板上，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與車(chē)輪軸之間通過(guò)同步帶傳動(dòng)；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向軸下部安裝有車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及滾輪；所述轉(zhuǎn)向軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)垂直正交；所述驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)為直流有刷電機(jī)。3.進(jìn)ー步的，所述的永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤(pán)上，所述永磁間隙吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間是非接觸式的，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)和導(dǎo)磁壁面之間的距離設(shè)定所述永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間的氣隙。4.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(guò)法蘭結(jié)構(gòu)分別與多功能機(jī)械手臂的末端連接。5進(jìn)ー步的，所述底盤(pán)為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)上的永磁體一起構(gòu)成磁路。6進(jìn)ー步的，減速器包括第一級(jí)行星齒輪減速器和第二級(jí)渦輪蝸桿減速器，直流電機(jī)后接ニ級(jí)減速器帶動(dòng)車(chē)輪，第二級(jí)渦輪蝸桿減速器通過(guò)螺釘連接安裝在后輪底盤(pán)上。7所述的多功能機(jī)械手臂的大臂、小臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、底座及連接法蘭均采用箱形結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)，材料均采用高強(qiáng)度鋁合金，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。上述封閉形狀類(lèi)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)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
I、本發(fā)明所述爬行機(jī)構(gòu)采用接觸式磁輪吸附(即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(fù)合方式，三輪結(jié)構(gòu)，所有車(chē)輪均為驅(qū)動(dòng)輪，采用冗余控制轉(zhuǎn)向方式，依靠?jī)珊筝喌牟钏偌扒拜喌氖芸剞D(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)靈活性好，可繞車(chē)體中心轉(zhuǎn)向，最小轉(zhuǎn)向半徑為0，機(jī)器人可在導(dǎo)磁壁面可靠吸附并實(shí)現(xiàn)自主靈活移動(dòng)。2、本發(fā)明搭載有小折疊尺寸機(jī)械手臂，手臂具有5個(gè)自由度，分別是ー個(gè)水平回轉(zhuǎn)自由度、三個(gè)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和ー個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多種工作方式。采用這種5自由度搭配的方式，可以使手臂末端在工作區(qū)域內(nèi)任意位置、任意角度進(jìn)行工作，較其他自由度較少的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)更加靈活。小折疊尺寸手臂，根據(jù)解釋是指臂折疊比較緊湊，折疊后尺寸較小，表現(xiàn)在各個(gè)臂的形狀，尤其是大臂采用曲線(xiàn)設(shè)計(jì)，在折疊時(shí)可以避讓其他結(jié)構(gòu)。3、本發(fā)明在吸附式爬行機(jī)構(gòu)、多功能機(jī)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(dòng)、可靠吸附，依靠多功能機(jī)械手臂末端換裝不同的工作裝置，可對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接、打磨、監(jiān)測(cè)等多種作業(yè)。4、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)引入冗余控制方式，前輪受控轉(zhuǎn)向，兩后輪采用冗余控制轉(zhuǎn)向方式，依靠?jī)珊筝喌牟钏偌扒拜喌氖芸剞D(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向，通過(guò)前輪轉(zhuǎn)向角度的精確控制提高了爬壁機(jī)器人轉(zhuǎn)向精度。5、本發(fā)明爬行機(jī)構(gòu)為三輪全驅(qū)動(dòng)吸附式爬行機(jī)構(gòu)，操作機(jī)構(gòu)為多功能機(jī)械手臂；所述爬行機(jī)構(gòu)的前輪模塊可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化的功能，后輪模塊的吸附カ可通過(guò)底盤(pán)與導(dǎo)磁壁面之間的間隙進(jìn)行調(diào)整；所述的末端工作裝置可根據(jù)不同的エ況換裝在多功能機(jī)械手臂的末端，實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)方式。
6、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪的驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與車(chē)輪軸之間通過(guò)同步帶傳動(dòng),通過(guò)調(diào)節(jié)傳動(dòng)中心距可以獲得較大的安裝空間，安裝較大功率的驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)從而提高驅(qū)動(dòng)カ矩。7、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪設(shè)置了獨(dú)立的轉(zhuǎn)向自由度且使轉(zhuǎn)向軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)垂直正交，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪的獨(dú)立轉(zhuǎn)向，提高爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。8、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪設(shè)置了被動(dòng)的側(cè)傾自由度且通過(guò)側(cè)傾限制塊限制側(cè)傾轉(zhuǎn)角在正負(fù)10度以?xún)?nèi)，使爬壁機(jī)器人具有了較好的曲面適應(yīng)能力。9、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪的側(cè)傾限制塊通過(guò)機(jī)械限位實(shí)現(xiàn)限制側(cè)傾角度的功能。
10、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)和車(chē)輪滾動(dòng)都設(shè)置有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。


圖I為本發(fā)明總體外觀圖。圖2為吸附式爬行機(jī)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為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為前輪過(guò)轉(zhuǎn)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(jī)械手臂結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為多功能機(jī)械手臂俯視圖。圖10為多功能機(jī)械手臂折疊狀態(tài)圖。圖11為打磨模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖12為焊接模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖13為夾取模塊結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中爬行機(jī)構(gòu)I，多功能機(jī)械手臂2，末端工作模塊3，后輪模塊4，前輪模塊5，車(chē)架6，永磁體7，底盤(pán)8，車(chē)輪9，渦輪蝸桿減速器10，行星齒輪減速器11，直流電機(jī)12，同步帶13，減速器14，轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)板15，20齒直齒錐齒輪16，行星齒輪減速器17，電機(jī)18，轉(zhuǎn)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(chē)輪永磁體24，車(chē)輪軛鐵25，底座26，轉(zhuǎn)臺(tái)27，大臂28，小臂29，旋轉(zhuǎn)模塊30，攝像頭31，第一法蘭32，第二法蘭33,第一伺服電機(jī)34,第一諧波減速器35,第二伺服電機(jī)36,第二諧波減速器37,第三伺服電機(jī)38，第三諧波減速器39，第四伺服電機(jī)40，第四諧波減速器41，打磨砂輪42，支撐外殼43，驅(qū)動(dòng)裝置44，焊槍45，連接件46，焊縫識(shí)別系統(tǒng)47，夾取機(jī)構(gòu)48，夾具49。
具體實(shí)施例方式—種具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人包括爬行機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)，所述操作機(jī)構(gòu)包括多功能機(jī)械手臂和末端工作模塊，多功能機(jī)械手臂的底座固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)上，末端工作模塊固定在多功能機(jī)械手臂的末端。多功能機(jī)械手臂包括底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、攝像頭和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具體包括底座與轉(zhuǎn)臺(tái)之間、轉(zhuǎn)臺(tái)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(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)模塊及相關(guān)連接部件。所述的多功能機(jī)械手臂具體包括底座、轉(zhuǎn)臺(tái)、大臂、小臂、旋轉(zhuǎn)模塊、攝像頭、連接法蘭以及驅(qū)動(dòng)模塊，底座固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)的車(chē)架上，所述的轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在底座上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)底座做水平轉(zhuǎn)動(dòng)；大臂安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)大臂相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)做豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的小臂安裝在大臂上，電機(jī)和減速器驅(qū)動(dòng)小臂相對(duì)大臂豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的旋轉(zhuǎn)模塊一端與小臂采用法蘭連接，旋轉(zhuǎn)模塊相對(duì)小臂豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊自身做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊另一端通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)與末端工作模塊連接；所述的攝像頭安裝在末端工作模塊與旋轉(zhuǎn)模塊之間的法蘭結(jié)構(gòu)上；大臂外形輪廓為向ー側(cè)凹的樣條曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)的凹陷位置與曲率半徑使其折疊時(shí)能夠避開(kāi)底座與轉(zhuǎn)臺(tái)的空間，上述 機(jī)械手臂包括5個(gè)自由度，分別是I個(gè)水平回轉(zhuǎn)自由度、3個(gè)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和I個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所述爬行機(jī)構(gòu)包括采用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(chē)架和安裝在車(chē)架上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器；爬行機(jī)構(gòu)為三輪結(jié)構(gòu)，三輪均為驅(qū)動(dòng)輪，采用前輪受控轉(zhuǎn)向的方式在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向。后輪模塊包括底盤(pán)、環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)上的永磁體、穿過(guò)底盤(pán)的兩后輪、帶動(dòng)車(chē)輪的減速器、驅(qū)動(dòng)減速器的直流電機(jī)，后輪模塊的兩后輪對(duì)稱(chēng)布置。前輪模塊為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪，包括永磁體和車(chē)輪，前輪的永磁體采用 沿厚度方向磁化的環(huán)形永磁體。驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪裝置，包括車(chē)體固定框架、轉(zhuǎn)臺(tái)框架、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾輪；所述車(chē)體固定框架和轉(zhuǎn)臺(tái)框架之間設(shè)置有一個(gè)被動(dòng)的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)框架和磁輪之間設(shè)置有獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)；所述側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括在轉(zhuǎn)臺(tái)框架前、后安裝的側(cè)傾轉(zhuǎn)軸，以及在車(chē)體固定框架安裝的自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承；所述轉(zhuǎn)臺(tái)框架包括依次相連的轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱、轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板和轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板；所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板和安裝在其上的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷盤(pán)式電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器，再通過(guò)ー級(jí)錐齒輪傳動(dòng)和一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸；所述車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板和安裝在其上的車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器，通過(guò)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)磁輪滾動(dòng)；所述滾輪為磁輪，所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)互為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；側(cè)傾轉(zhuǎn)軸一端安裝在車(chē)體固定框架上，另一端轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱和轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個(gè)支撐板上，轉(zhuǎn)向軸支承在圓錐滾子軸承上，轉(zhuǎn)向軸與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉(zhuǎn)向軸固接，角度傳感器支撐桿與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，轉(zhuǎn)向減速電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板連接，20齒直齒錐齒輪固接在轉(zhuǎn)向減速電機(jī)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(zhuǎn)臺(tái)上支撐板的第一深溝球軸承支承，錐齒輪軸的另ー側(cè)與19齒直齒齒輪通過(guò)平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉(zhuǎn)向軸的下端與轉(zhuǎn)向基板連接，車(chē)輪左側(cè)安裝板、車(chē)輪右側(cè)安裝板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)向基板連接，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板連接，小同步帶輪軸與驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的輸出軸固接，小同步帶輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶輪軸上，車(chē)輪永磁體和車(chē)輪軛鐵通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸上，車(chē)輪軸通過(guò)第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車(chē)輪左側(cè)安裝板和車(chē)輪右側(cè)安裝板之間，大同步帶輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸的另ー側(cè)，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(guò)螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過(guò)螺釘安裝在車(chē)輪左側(cè)安裝板上，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與車(chē)輪軸之間通過(guò)同步帶傳動(dòng)；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)向軸，轉(zhuǎn)向軸下部安裝有車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及滾輪；所述轉(zhuǎn)向軸線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)垂直正交；所述驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)為直流有刷電機(jī)。永磁間隙吸附裝置環(huán)繞后輪安裝在底盤(pán)上，所述永磁間隙吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間是非接觸式的，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)和導(dǎo)磁壁面之間的距離設(shè)定所述永磁吸附裝置和導(dǎo)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(guò)法蘭結(jié)構(gòu)分別與多功能機(jī)械手臂的末端連接。底盤(pán)為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)上的永磁體一起構(gòu)成磁路。減速器包括第一級(jí)行星齒輪減速器和第二級(jí)渦輪蝸桿減速器，直流電機(jī)后接ニ級(jí)減速器帶動(dòng)車(chē)輪，第二級(jí)渦輪蝸桿減速器通過(guò)螺釘連接安裝在后輪底盤(pán)上。多功能機(jī)械手臂的大臂、小臂、轉(zhuǎn)臺(tái)、底座及連接法蘭均采用箱形結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)，材料均采用高強(qiáng)度鋁合金，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。上述封閉形狀類(lèi)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)。圖I所示的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人由三部分組成，包括吸附式爬行機(jī)構(gòu)I、多功能機(jī)械手臂2和末端工作模塊3，多功能機(jī)械手臂2的底座安裝在吸附式爬行機(jī)構(gòu)I的安裝平臺(tái)上，末端工作模塊3安裝在多功能機(jī)械手臂2的末端，末端工作模塊3有三個(gè)種類(lèi)，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夾取模塊。如圖2所示，吸附式爬行機(jī)構(gòu)由三部分構(gòu)成，包括采用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(chē)架6。 如圖3所示，后輪底盤(pán)8采用低碳鋼(如Q235)制造，除作為支撐后輪結(jié)構(gòu)的功能夕卜，還作為軛鐵與環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)8上的永磁體7—起構(gòu)成磁路的一部分，直流電機(jī)12接ニ級(jí)減速器帶動(dòng)車(chē)輪9，第一級(jí)為行星齒輪減速器11，第二級(jí)為渦輪蝸桿減速器10，渦輪蝸桿減速器通過(guò)螺釘連接安裝在后輪底盤(pán)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(gè)后輪各布置6塊永磁體，N極和S極交錯(cuò)排列構(gòu)成磁路，環(huán)繞后輪安裝在底盤(pán)上，所述永磁間隙吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間是非接觸的，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)和導(dǎo)磁壁面之間的距離設(shè)定所述永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間的氣隙。圖5是前輪的三維模型圖，圖6是前輪過(guò)轉(zhuǎn)向軸和錐齒輪軸的剖視圖，圖7是過(guò)前輪車(chē)輪軸的剖視圖。其中，直流無(wú)刷電機(jī)18及行星齒輪減速器17經(jīng)過(guò)20齒直齒錐齒輪16和40齒直齒錐齒輪23傳動(dòng)帶動(dòng)錐齒輪軸22旋轉(zhuǎn)，錐齒輪軸22再通過(guò)19齒圓柱齒輪21和60齒圓柱齒輪20傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸19旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向軸19與轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)板15通過(guò)螺釘聯(lián)接固定。前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速器14采用直流有刷電機(jī)和行星齒輪減速器，通過(guò)同步帶13傳動(dòng)帶動(dòng)前輪。前輪為磁輪，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。磁輪由I塊永磁體和2塊軛鐵構(gòu)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。車(chē)輪永磁體24和車(chē)輪軛鐵25組成磁輪。參閱圖8、9，本發(fā)明的機(jī)械手臂，包括底座26 ;轉(zhuǎn)臺(tái)27通過(guò)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副安裝在底座26上；大臂28通過(guò)豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)27上；小臂29通過(guò)豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副安裝在大臂28上；旋轉(zhuǎn)模塊30通過(guò)螺紋連接與第一法蘭32相連；第一法蘭32通過(guò)豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)副與小臂29相連；第ニ法蘭33的一端通過(guò)螺紋連接與旋轉(zhuǎn)模塊30固連，另一端與末端工作模塊連接；攝像頭31通過(guò)螺紋連接與第二法蘭33的上平面固連，并將鏡頭方向指向末端工作模塊；第一伺服電機(jī)34、第二伺服電機(jī)36、第三伺服電機(jī)38、第四伺服電機(jī)40的輸入端分別與第一諧波減速器35、第二諧波減速器37、第三諧波減速器39、第四諧波減速器41的輸入端相連；第一諧波減速器35的外殼通過(guò)螺紋連接與轉(zhuǎn)臺(tái)27固連，輸出軸通過(guò)鍵連接與底座26固連；第二諧波減速器37的外殼通過(guò)螺紋連接與轉(zhuǎn)臺(tái)27固連，輸出軸通過(guò)鍵連接與大臂28的一端固連；第三諧波減速器39的外殼通過(guò)螺紋連接與小臂29的一端固連，輸出軸通過(guò)鍵連接與大臂28的另一端固連；第四諧波減速器41的外殼通過(guò)螺栓連接與小臂29的另一端固連，輸出端通過(guò)鍵連接與第一法蘭32固連；底座26、轉(zhuǎn)臺(tái)27、大臂28、小臂29、第一法蘭32、第二法蘭33的材料均為高強(qiáng)度鋁合金；大臂28、小臂29均采用箱形結(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；旋轉(zhuǎn)模塊30可選用市場(chǎng)上的成熟產(chǎn)品。采用上述結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)27可相對(duì)底座26水平回轉(zhuǎn)，大臂28可相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)27豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂29可繞大臂28豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊30可相對(duì)小臂29豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊30的輸出端和輸入端可相對(duì)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)末端工作裝置做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。以上各運(yùn)動(dòng)副使機(jī)械臂具有5個(gè)自由度，分別是I個(gè)水平回轉(zhuǎn)自由度、3個(gè)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和I個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。通過(guò)程序控制使第一伺服電機(jī)34、第二伺服電機(jī)36、第三伺服電機(jī)38、第四伺服電機(jī)40、旋轉(zhuǎn)模塊30協(xié)調(diào)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在工作半徑內(nèi)任意位置和任意角度的作業(yè)。參閱圖10，大臂28的輪廓為向ー側(cè)凹的樣條曲線(xiàn)，且曲線(xiàn)的凹陷處在折疊狀態(tài)時(shí)可以避開(kāi)底座26、轉(zhuǎn)臺(tái)27、第一伺服電機(jī)34和第一諧波減速器35的空間，以降低機(jī)械臂在折置狀態(tài)的最小聞度。圖11所示為末端工作模塊3中的打磨模塊，由打磨砂輪42、支撐外殼43和驅(qū)動(dòng)裝、置44三部分組成；圖12所示為末端工作模塊3中的焊接模塊，由焊槍45、連接件46和焊縫識(shí)別系統(tǒng)47組成，連接件46的一端固定焊槍45，另一端與多功能機(jī)械手臂2的末端相連；圖13為末端工作模塊3中的夾取模塊，由夾取機(jī)構(gòu)48和夾具49組成，夾取機(jī)構(gòu)48可選用成熟的夾取產(chǎn)品，夾具49連接在夾取機(jī)構(gòu)48的輸出端，根據(jù)夾取對(duì)象的不同可設(shè)計(jì)成不同的形狀。旋轉(zhuǎn)模塊為ー個(gè)獨(dú)立的功能模塊，本身具有驅(qū)動(dòng)裝置，可驅(qū)動(dòng)其首尾兩端做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。此模塊可選用成熟產(chǎn)品，如SCHUNK公司的PRL模塊產(chǎn)品。所述箱形結(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(lèi)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)。本發(fā)明所述的多功能爬壁機(jī)器人的爬行機(jī)構(gòu)為三輪全驅(qū)動(dòng)吸附式爬行機(jī)構(gòu)，操作機(jī)構(gòu)為多功能機(jī)械手臂；所述爬行機(jī)構(gòu)的前輪模塊驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪；后輪模塊的吸附力可通過(guò)底盤(pán)與導(dǎo)磁壁面之間的間隙進(jìn)行調(diào)整；多功能機(jī)械手臂各關(guān)節(jié)自由度靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由程序控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，以實(shí)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，在不同的エ況下?lián)Q裝不同的末端工作模塊。爬行機(jī)構(gòu)、多功能機(jī)械手臂和末端工作模塊之間靠程序?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)動(dòng)作，以完成作業(yè)需求。本發(fā)明不僅僅局限于以上實(shí)施例，在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的任何修改，都認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，包括爬行機(jī)構(gòu)(I)、操作機(jī)構(gòu)，其特征在干 所述操作機(jī)構(gòu)包括多功能機(jī)械手臂(2)和末端工作模塊(3)，多功能機(jī)械手臂(2)的底座(26)固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)(I)上，末端工作模塊(3)固定在多功能機(jī)械手臂(2)的末端; 所述的多功能機(jī)械手臂(2)具體包括底座(26)、轉(zhuǎn)臺(tái)(27)、大臂(28)、小臂(29)、旋轉(zhuǎn)模塊(30)、攝像頭(31)、連接法蘭以及驅(qū)動(dòng)模塊，底座(26)固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)(I)的車(chē)架(6)上，所述的轉(zhuǎn)臺(tái)(27)安裝在底座(26)上，電機(jī)(18)和減速器(14)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)(27)相對(duì)底座(26)做水平轉(zhuǎn)動(dòng)；大臂(28)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)(27)上，電機(jī)(18)和減速器(14)驅(qū)動(dòng)大臂(28)相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)(27)做豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的小臂(29)安裝在大臂(28)上，電機(jī)(18)和減速器(14)驅(qū)動(dòng)小臂(29)相對(duì)大臂(28)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)；所述的旋轉(zhuǎn)模塊(30) —端與小臂(29)采用法蘭連接，旋轉(zhuǎn)模塊(30)相對(duì)小臂(29)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊(30)自身做軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)模塊(30)另一端通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)與末端工作模塊(3)連接；所述的攝像頭(31)安裝在末端工作模塊(3)與旋轉(zhuǎn)模塊(30)之間的法蘭結(jié)構(gòu)上；大臂(28)外形輪廓為向ー側(cè)凹的樣條曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)的凹陷位置與曲率半徑使其折疊時(shí)能夠避開(kāi)底座(26)與轉(zhuǎn)臺(tái)(27)的空間，上述機(jī)械手臂包括5個(gè)自由度，分別是I個(gè)水平回轉(zhuǎn)自由度、3個(gè)豎直轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和I個(gè)軸向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度； 所述爬行機(jī)構(gòu)(I)包括采用驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(chē)架(6)和安裝在車(chē)架(6)上的電機(jī)(18)驅(qū)動(dòng)控制器；爬行機(jī)構(gòu)(I)為三輪結(jié)構(gòu)，三輪均為驅(qū)動(dòng)輪，采用前輪受控轉(zhuǎn)向、兩后輪采用冗余控制轉(zhuǎn)向方式，依靠?jī)珊筝喌牟钏偌扒拜喌氖芸剞D(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向； 后輪模塊(4)包括底盤(pán)(8)、環(huán)繞車(chē)輪(9)安裝在后輪底盤(pán)(8)上的永磁體(7)、穿過(guò)底盤(pán)(8)的兩后輪、帶動(dòng)車(chē)輪(9)的減速器(14)、驅(qū)動(dòng)減速器(14)的直流電機(jī)(12)，后輪模塊(4)的兩后輪對(duì)稱(chēng)布置； 前輪模塊(5 )為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪，包括永磁體(7 )和車(chē)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(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，其特征在于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向一體化磁輪裝置，包括車(chē)體固定框架、轉(zhuǎn)臺(tái)框架、轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和滾輪；所述車(chē)體固定框架和轉(zhuǎn)臺(tái)框架之間設(shè)置有ー個(gè)被動(dòng)的側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)框架和磁輪之間設(shè)置有獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)；所述側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括在轉(zhuǎn)臺(tái)框架前、后安裝的側(cè)傾轉(zhuǎn)軸，以及在車(chē)體固定框架安裝的自潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承；所述轉(zhuǎn)臺(tái)框架包括依次相連的轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱、轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板和轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板；所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板和安裝在其上的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用直流無(wú)刷盤(pán)式電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器(17) (11),再通過(guò)ー級(jí)錐齒輪傳動(dòng)和ー級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向軸(19);所述車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板和安裝在其上的車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)，電機(jī)輸出軸接行星齒輪減速器(17) (11)，通過(guò)同步帶(13)傳動(dòng)帶動(dòng)磁輪滾動(dòng)；所述滾輪為磁輪，所述轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)和車(chē)輪滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)互為獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)；側(cè)傾轉(zhuǎn)軸一端安裝在車(chē)體固定框架上，另一端轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板、轉(zhuǎn)臺(tái)支撐立柱和轉(zhuǎn)臺(tái)下支撐板連接，轉(zhuǎn)臺(tái)蓋板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，圓錐滾子軸承安裝在兩個(gè)支撐板上，轉(zhuǎn)向軸(19)支承在圓錐滾子軸承上，轉(zhuǎn)向軸(19)與60齒直齒齒輪連接，角度傳感器輸入軸與轉(zhuǎn)向軸(19)固接，角度傳感器支撐桿與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，角度傳感器與角度傳感器支撐桿連接，轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)臺(tái)上支撐板連接，轉(zhuǎn)向減速電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)安裝板連接，20齒直齒錐齒輪(16)固接在轉(zhuǎn)向減速電機(jī)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(zhuǎn)臺(tái)上支撐板的第一深溝球軸承支承,錐齒輪軸(22)的另ー側(cè)與19齒直齒齒輪通過(guò)平鍵聯(lián)接，19齒直齒齒輪與60齒直齒齒輪嚙合，轉(zhuǎn)向軸(19)的下端與轉(zhuǎn)向基板連接，車(chē)輪左側(cè)安裝板、車(chē)輪右側(cè)安裝板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板與轉(zhuǎn)向基板連接，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝板連接，小同步帶(13)輪軸與驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)的輸出軸固接，小同步帶(13)輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在小同步帶(13)輪軸上，車(chē)輪永磁體(24)和車(chē)輪軛鐵(25)通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸上，車(chē)輪軸通過(guò)第一深溝球軸承和第二深溝球軸承支承在車(chē)輪左側(cè)安裝板和車(chē)輪右側(cè)安裝板之間，大同步帶(13)輪通過(guò)平鍵聯(lián)接安裝在車(chē)輪軸的另ー側(cè)，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(guò)螺釘連接，張緊輥輪支撐桿通過(guò)螺釘安裝在車(chē)輪左側(cè)安裝板上，驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)與車(chē)輪軸之間通過(guò)同步帶(13 )傳動(dòng)；轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)向軸(19 ),轉(zhuǎn)向軸 (19)下部安裝有車(chē)輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及滾輪；所述轉(zhuǎn)向軸(19)線(xiàn)與車(chē)輪軸線(xiàn)垂直正交；所述驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)為直流有刷電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)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(pán)(8)上，所述永磁間隙吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間是非接觸式的，通過(guò)調(diào)節(jié)底盤(pán)(8)和導(dǎo)磁壁面之間的距離設(shè)定所述永磁吸附裝置和導(dǎo)磁壁面間的氣隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)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(guò)法蘭結(jié)構(gòu)分別與多功能機(jī)械手臂(2)的末端連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，其特征在于進(jìn)ー步的，所述底盤(pán)(8)為低碳鋼，作為軛鐵與環(huán)繞車(chē)輪安裝在后輪底盤(pán)(8)上的永磁體一起構(gòu)成磁路。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，其特征在于進(jìn)ー步的，減速器包括第一級(jí)行星齒輪減速器(17) (11)和第二級(jí)渦輪蝸桿減速器(10)，直流電機(jī)(12)后接ニ級(jí)減速器帶動(dòng)車(chē)輪，第二級(jí)渦輪蝸桿減速器(10)通 過(guò)螺釘連接安裝在后輪底盤(pán)(8)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，其特征在干所述的多功能機(jī)械手臂(2)的大臂(28)、小臂(29)、轉(zhuǎn)臺(tái)、底座(26)及連接法蘭均采用箱形結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)，材料均采用高強(qiáng)度鋁合金，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。
全文摘要
本發(fā)明屬于特種機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)是一種具有小折疊尺寸機(jī)械手臂的全驅(qū)動(dòng)磁吸附式多功能爬壁機(jī)器人，包括爬行機(jī)構(gòu)、操作機(jī)構(gòu)，所述操作機(jī)構(gòu)包括多功能機(jī)械手臂和末端工作模塊，多功能機(jī)械手臂的底座固定在吸附式爬行機(jī)構(gòu)上，末端工作模塊固定在多功能機(jī)械手臂的末端。本發(fā)明所述爬行機(jī)構(gòu)采用接觸式磁輪吸附和非接觸式間隙吸附的復(fù)合方式，三輪結(jié)構(gòu)，所有車(chē)輪均為驅(qū)動(dòng)輪，采用冗余控制轉(zhuǎn)向方式，依靠?jī)珊筝喌牟钏偌扒拜喌氖芸剞D(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)在導(dǎo)磁壁面上的轉(zhuǎn)向，運(yùn)動(dòng)靈活性好，可繞車(chē)體中心轉(zhuǎn)向，最小轉(zhuǎn)向半徑為0，機(jī)器人可在導(dǎo)磁壁面可靠吸附并實(shí)現(xiàn)自主靈活移動(dòng)。
文檔編號(hào)B62D57/024GK102700646SQ20121018501
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)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, 莫堃, 賀驥, 陳博翁 申請(qǐng)人:中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司