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制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于特种机器人
，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。
技术介绍
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。本专利技术可完成石油筒壁等危险环境中的焊缝检测。上述专利技术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。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。
技术实现思路
本技术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，本技术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，转本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（1）、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（1）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（1）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（1）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（1）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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：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(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：实用新型
国别省市：