本发明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差动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。本发明专利技术的优点在于在保证吸附力的同时提高了结构的紧凑性，同时环绕后轮在底盘上安装了永磁间隙吸附装置，保证爬壁机器人具有强负载能力，采用两种吸附方式相结合使吸附更加可靠，在相关领域尚未见应用。?
【技术实现步骤摘要】
本专利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差动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
本专利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差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下 一种具有多自由度机械手臂的差动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万向滚动磁轮装置的前轮模块、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，两个后轮作为驱动轮，采用后轮差动方式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；前轮模块采用万向滚动磁轮，包括环形永磁体和全方位轮，可跟随车体灵活转动。万向滚动磁轮装置包括中央的环形永磁体以及环形永磁体两侧的全方位轮，环形永磁体和两个全方位轮同轴放置，环形永磁体轴向充磁；两侧的全方位轮的轮毂为低碳钢，作为轭铁与中央的环形永磁体一起构成磁路的一部分；在轮毂的外缘分别均匀设置有方形凹槽，相对应的辊子轴两端为方形，安装在方形凹槽里；辊子安装在辊子轴上，辊子轴上的轴肩和套筒对辊子定位，辊子结构为在不锈钢轴承外缘包覆一层聚氨酯层，辊子与方形凹槽数量相匹配，均匀分布于轮毂周围，辊子轴线与轮毂的轴线正交，两侧的全方位轮交错布置，使得一侧全方位轮的辊子的轴向投影位于另一侧全方位轮的两个辊子中间，当车轮具有沿轴向的运动趋势时两侧全方位轮与地面接触的辊子绕自身轴线转动，使得车轮仍然保持纯滚动状态。进一步的，所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘上，所述永磁间隙吸附装置和导磁壁面间是非接触式的，通过调节底盘和导磁壁面之间的距离设定所述永磁吸附装置和导磁壁面间的气隙。 所述末端工作模块包括焊接模块、打磨模块或夹取模块，三种模块通过法兰结构分别与多功能机械手臂的末端连接。进一步的，所述底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮底盘上的永磁体一起构成磁路。进一步的，减速器包括第一级行星齿轮减速器和第二级涡轮蜗杆减速器，直流电机后接二级减速器带动车轮，第二级涡轮蜗杆减速本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.具有多自由度机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括爬行机构(I)、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(21)固定在爬行机构(I)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(21)、转台(22)、大臂(23)、小臂(24)、回转机构以及驱动模块，驱动模块底座(21)固定在爬行机构(I)的车架(6 )上；驱动模块包括电机和减速器，所述的转台(22)安装在底座(21)上，电机和减速器驱动其相对于底座(21)做水平回转，所述的大臂(23)安装在转台(22)上，电机和减速器驱动其相对转台(22)竖直转动，所述小臂(24)安装在大臂(23)上，电机和减速器驱动其相对大臂(23)竖直转动，所述的旋转模块(25)安装在小臂(24)的末端，相对小臂(24)做轴向转动，旋转模块(25)具有一个轴向转动自由度，其轴向转动的轴心和小臂(24)与旋转模块(25)之间轴向转动的轴心相互垂直；旋转模块(25)的末端与末端工作模块(3)连接； 所述爬行机构(I)包括采用万向滚动磁轮装置的前轮模块(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)上的电机驱动控制器；爬行机构(I)为三轮结构，两个后轮作为驱动轮，采用后轮差动方式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、驱动减速器的直流电机(12)，后轮模块(4)的两后轮对称布置；前轮模块(5)采用万向滚动磁轮，包括环形永磁体(14)和全方位轮(13)，可跟随车体灵活转动； 万向滚动磁轮装置包括中央的环形永磁体(14)以及环形永磁体(14)两侧的全方位轮(13)，环形永磁体(14)和两个全方位轮(13)同轴放置，环形永磁体(14)轴向充磁；两侧的全方位轮(13)的轮毂为低碳钢，作为轭铁与中央的环形永磁体(14) 一起构成磁路的一部分；在轮毂的外缘分别均匀设置有方形凹槽，相对应的辊子轴(18)两端为方形，安装在方形凹槽里；辊子(16)安装在辊子轴(18)上，辊子轴(18)上...
【专利技术属性】
技术研发人员：桂仲成，陈博翁，栗园园，官雪梅，贺骥，张帆，肖唐杰，李永龙，
申请(专利权)人：中国东方电气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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