具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人制造技術

本實用新型專利技術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動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構、操作機構，所述操作機構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的平臺上，末端工作模塊固定在多功能機械手臂的末端。本實用新型專利技術的優點在于在保證吸附力的同時提高了結構的緊湊性，同時環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合使吸附更加可靠，在相關領域尚未見應用。?（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于特種機器人
，具體來說是一種具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人。
技術介紹
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構件，以及電站水輪機葉片等人員難以現場維護的結構件的導磁壁面爬行，并完成多種作業方式(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、移動和作業三種功能。吸附功能應確保其可靠地吸附在結構件導磁壁面，在移動和作業時不會掉落；移動功能應使其具備前后移動、左右轉動功能，移動過程穩定，且能適應不同曲率的作業壁面。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；作業機構通常是直角坐標系機械手臂或多關節機械手臂。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，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、申請號為200410016429. 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構、支承架、檢測結構、滾輪、碼盤、位置校正結構、右輪結構，左輪結構和右輪結構相同，對稱固定在支承架的兩側，檢測結構固定在支承架的前邊，滾輪和碼盤固定在支承架的中間，位置校正結構連接在支承架最右側，其可適應壁面的曲率，繞支承架作一定角度的轉動，在機器人運動過程中校正機器人的位姿。本專利技術可完成石油筒壁等危險環境中的焊縫檢測。上述專利技術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上的吸塊吸附在導磁壁面上。申請日為2000年I月26日、申請號為00200795. 9的專利文獻涉及的“履帶式永磁爬壁機構”，其主要技術方案為本爬行機構由車體，動力部分和行走機構三部分組成，車體是一個箱形柔性結構，在內部安裝動力部分，動力部分是兩個電動機及其減速機構，其輸出軸分別帶動車體兩側的主動鏈輪。行走機構安置在車體兩側，由主動鏈輪，導輪，永磁鐵及鏈條張緊機構組成，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，特別是在進行轉向運動時，由于履帶和導磁壁面之間接觸面積大，轉向阻力大，轉向半徑大，轉向靈活性差。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、申請號為200510086383. 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和永磁吸附裝置，輪式移動機構包括底盤、安裝在底盤上的驅動機構、由驅動機構驅動的驅動輪。所述驅動輪對稱布置，采用差動驅動方式，依靠驅動輪的差速實現在導磁壁面上的轉向；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，但是由于所有的驅動輪都是不能相對車體轉向的圓柱輪，轉向阻力大，轉向靈活性差。直角坐標系機械手臂由直線運動副構成，申請日為2006年10月30日、申請號為200620149190. 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成，可實現空間任意位置的作業，結構簡單，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。多關節機械手臂由多個轉動副構成，動作靈活，占用體積小，但目前未見多關節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。
技術實現思路
本技術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，能夠實現多種作業方式，小巧靈活的具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人。為實現上述目的，本技術的技術方案如下一種具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構、操作機構，其特征在于所述操作機構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、轉臺、大臂、小臂、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座固定在爬行機構的車架上；驅動模塊包括電機和減速器，所述的轉臺安裝在底座上，電機和減速器驅動其相對于底座做水平回轉，所述的大臂安裝在轉臺上，電機和減速器驅動其相對轉臺豎直轉動，所述小臂安裝在大臂上，電機和減速器驅動其相對大臂豎直轉動，所述的旋轉模塊安裝在小臂的末端，相對小臂做軸向轉動，旋轉模塊具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂與旋轉模塊之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊的末端與末端工作模塊連接。所述爬行機構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動控制器；爬行機構為三輪結構，兩個后輪作為驅動輪，采用后輪差動方式實現在導磁壁面上的轉向。后輪模塊包括底盤、環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，包括環形永磁體和全方位輪，可跟隨車體靈活轉動。萬向滾動磁輪裝置包括中央的環形永磁體以及環形永磁體兩側的全方位輪，環形永磁體和兩個全方位輪同軸放置，環形永磁體軸向充磁；兩側的全方位輪的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環形永磁體一起構成磁路的一部分；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，輥子結構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，兩側的全方位輪交錯布置，使得一側全方位輪的輥子的軸向投影位于另一側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全方位輪與地面接觸的輥子繞自身軸線轉動，使得車輪仍然保持純滾動狀態。進一步的，所述的永磁間隙吸附裝置環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，通過調節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構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，作為軛鐵與環繞車輪安裝在后輪底盤上的永磁體一起構成磁路。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，第二級渦輪蝸桿本文檔來自技高網...

【技術保護點】
具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構（1）、操作機構，其特征在于：所述操作機構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（1）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）、轉臺（22）、大臂（23）、小臂（24）、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座（21）固定在爬行機構（1）的車架（6）上；驅動模塊包括電機和減速器，所述的轉臺（22）安裝在底座（21）上，電機和減速器驅動其相對于底座（21）做水平回轉，所述的大臂（23）安裝在轉臺（22）上，電機和減速器驅動其相對轉臺（22）豎直轉動，所述小臂（24）安裝在大臂（23）上，電機和減速器驅動其相對大臂（23）豎直轉動，所述的旋轉模塊（25）安裝在小臂（24）的末端，相對小臂（24）做軸向轉動，旋轉模塊（25）具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂（24）與旋轉模塊（25）之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊（25）的末端與末端工作模塊（3）連接；所述爬行機構（1）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）上的電機驅動控制器；爬行機構（1）為三輪結構，兩個后輪作為驅動輪，采用后輪差動方式實現在導磁壁面上的轉向；后輪模塊（4）包括底盤（8）、環繞車輪（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，包括環形永磁體（14）和全方位輪（13），可跟隨車體靈活轉動；萬向滾動磁輪裝置包括中央的環形永磁體（14）以及環形永磁體（14）兩側的全方位輪（13），環形永磁體（14）和兩個全方位輪（13）同軸放置，環形永磁體（14）軸向充磁；兩側的全方位輪（13）的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環形永磁體（14）一起構成磁路的一部分；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）結構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，兩側的全方位輪（13）交錯布置，使得一側全方位輪（13）的輥子（16）的軸向投影位于另一側全方位輪（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全方位輪（13）與地面接觸的輥子（16）繞自身軸線轉動，使得車輪（9）仍然保持純滾動狀態。...

【技術特征摘要】
1.具有多自由度機械手臂的差動驅動磁吸附式多功能爬壁機器人，包括爬行機構(I)、操作機構，其特征在于 所述操作機構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(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)、轉臺(22)、大臂(23)、小臂(24)、回轉機構以及驅動模塊，驅動模塊底座(21)固定在爬行機構(I)的車架(6 )上；驅動模塊包括電機和減速器，所述的轉臺(22)安裝在底座(21)上，電機和減速器驅動其相對于底座(21)做水平回轉，所述的大臂(23)安裝在轉臺(22)上，電機和減速器驅動其相對轉臺(22)豎直轉動，所述小臂(24)安裝在大臂(23)上，電機和減速器驅動其相對大臂(23)豎直轉動，所述的旋轉模塊(25)安裝在小臂(24)的末端，相對小臂(24)做軸向轉動，旋轉模塊(25)具有一個軸向轉動自由度，其軸向轉動的軸心和小臂(24)與旋轉模塊(25)之間軸向轉動的軸心相互垂直；旋轉模塊(25)的末端與末端工作模塊(3)連接； 所述爬行機構(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)上的電機驅動控制器；爬行機構(I)為三輪結構，兩個后輪作為驅動輪，采用后輪差動方式實現在導磁壁面上的轉向； 后輪模塊(4)包括底盤(8)、環繞車輪(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，包括環形永磁體(14)和全方位輪(13)，可跟隨車體靈活轉動； 萬向滾動磁輪裝置包括中央的環形永磁體(14)以及環形永磁體(14)兩側的全方位輪(13)，環形永磁體(14)和兩個全方位輪(13)同軸放置，環形永磁體(14)軸向充磁；兩側的全方位輪(13)的輪轂為低碳鋼，作為軛鐵與中央的環形永磁體(14) 一起構成磁路的一部分；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(1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：桂仲成，陳博翁，栗園園，官雪梅，賀驥，張帆，肖唐杰，李永龍，
申請(專利權)人：中國東方電氣集團有限公司，
類型：實用新型
國別省市：