CN102672704B - 具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是一种具有小折叠尺寸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吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。本发明搭载有小折叠尺寸机械手臂，采用这种5自由度搭配的方式，可以使手臂末端在工作区域内任意位置、任意角度进行工作，较其他自由度较少的机械手臂运动更加灵活。小折叠尺寸手臂，根据解释是指臂折叠比较紧凑，折叠后尺寸较小，表现在各个臂的形状，尤其是大臂采用曲线设计，在折叠时可以避让其他结构。

Description

具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人

技术领域

本发明属于特种机器人技术领域，具体来说是一种具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人。

背景技术

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。

固定轨道式吸附方式需事先在作业表面铺设轨道，不利于灵活操作；真空吸附方式靠真空吸盘吸附在结构表面，需要的吸附设备较多，且真空吸盘吸附后不便于移动；磁足式磁吸附方式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；磁轮式磁吸附方式是靠磁轮的吸附力吸附在导磁壁面上。申请日为2004年1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。本发明可完成石油筒壁等危险环境中的焊缝检测。上述发明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1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：本吸附式爬行机构由车体，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，但目前未见具有小折叠尺寸机械手臂应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。

发明内容

本发明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，并且针对小折叠尺寸机械手臂存在灵活性不足的问题，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，小巧灵活的具有小折叠尺寸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，本发明的技术方案如下：

一种具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括吸附式爬行机构、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吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端。

多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、摄像头和回转机构；回转机构具体包括底座与转台之间、转台与大臂之间、大臂与小臂之间、小臂与旋转模块之间、以及旋转模块自身的回转机构。回转机构包括旋转模块及相关连接部件。

所述的多功能机械手臂具体包括底座、转台、大臂、小臂、旋转模块、摄像头、连接法兰以及驱动模块，底座固定在吸附式爬行机构的车架上，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动转台相对底座做水平转动；大臂安装在转台上，电机和减速器驱动大臂相对转台做竖直转动；所述的小臂安装在大臂上，电机和减速器驱动小臂相对大臂竖直转动；所述的旋转模块一端与小臂采用法兰连接，旋转模块相对小臂竖直转动，旋转模块自身做轴向转动，旋转模块另一端通过法兰结构与末端工作模块连接；所述的摄像头安装在末端工作模块与旋转模块之间的法兰结构上；大臂外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间，上述机械手臂包括5个自由度，分别是1个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和1个轴向转动自由度。

所述吸附式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；吸附式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的底盘上的永磁体、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的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器通过螺钉连接安装在后轮的底盘上。

所述的多功能机械手臂的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金。

本发明的优点在于：

1、本发明所述吸附式爬行机构采用接触式磁轮吸附（即驱动转向一体化磁轮）和非接触式间隙吸附（即包括永磁间隙吸附装置）的复合方式，三轮结构，依靠两个后车轮作为驱动轮，采用后轮差动方式实现在导磁壁面上的转向，前轮为万向滚动磁轮，运动灵活性好，可绕车体中心转向，最小转向半径为0，机器人可在导磁壁面可靠吸附并实现自主灵活移动。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。                     

2、转向机构引入冗余控制方式，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，通过前轮转向角度的精确控制提高了爬壁机器人转向精度。

3、本发明搭载有小折叠尺寸机械手臂，手臂具有5个自由度，分别是一个水平回转自由度、三个竖直转动自由度和一个轴向转动自由度，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。采用这种5自由度搭配的方式，可以使手臂末端在工作区域内任意位置、任意角度进行工作，较其他自由度较少的机械手臂运动更加灵活。小折叠尺寸手臂，根据解释是指臂折叠比较紧凑，折叠后尺寸较小，表现在各个臂的形状，尤其是大臂采用曲线设计，在折叠时可以避让其他结构。

4、本发明在吸附式爬行机构、多功能机械手臂和末端工作模块的相互配合下，能在大型钢结构表面全位置自主灵活移动、可靠吸附，依靠多功能机械手臂末端换装不同的工作装置，可对大型钢结构进行焊接、打磨、监测等多种作业。

5、本发明所述的多功能爬壁机器人的爬行机构为三轮差动驱动吸附式爬行机构，操作机构为多功能机械手臂；所述吸附式爬行机构的前轮模块为万向滚动磁轮，运动中始终保持纯滚动状态，运动灵活；后轮模块的吸附力可通过底盘与导磁壁面之间的间隙进行调整；所述的末端工作装置可根据不同的工况换装在多功能机械手臂的末端，实现多种作业方式。

6、万向轮当磁吸附万向轮装置绕车轮轴心转动时，两侧辊子组成的圆弧状包络线能实现万向轮的滚动；当磁吸附万向轮装置有沿轴向的运动趋势时，万向轮与地面接触的辊子将绕自身轴转动，使得车轮仍保持纯滚动状态。

7、万向轮在一个大轮子周围垂直方向上均匀分布若干小轮子，大轮子由电机驱动，小轮子可以自由转动，使机器人在大轮子垂直方向侧滑时为滑动摩擦，万向轮提供一个沿着轮所在的分布圆切向方向的扭矩，实现万向移动目的。  

8、万向轮中间加上了永磁铁，中间轴对两侧万向轮的特殊定位。

9、万向轮保持纯滚动沿车轮轴向运动，能减小摩擦，方便转向，往各个方向移动时更灵活。

10、万向轮装配更容易定位（中间轴用于定位），更方便，而且本专利的与地面的接触为连续式。

附图说明

图1为本发明总体外观图。

图2为吸附式爬行机构结构示意图。

图3为后轮模块结构示意图

图4为永磁间隙吸附装置结构示意图

图5为万向滚动磁轮结构示意图。

图6为万向滚动磁轮磁路示意图。

图7为万向滚动磁轮装配图。

图8为多功能机械手臂结构示意图。

图9为多功能机械手臂俯视图。

图10为多功能机械手臂折叠状态图。

图11为打磨模块结构示意图。

图12为焊接模块结构示意图。

图13为夹取模块结构示意图。

附图中：吸附式爬行机构1，多功能机械手臂2，末端工作模块3，后轮模块4，前轮模块5，车架6，永磁体7，底盘8，车轮9，涡轮蜗杆减速器10，行星齿轮减速器11，直流电机12，全方位轮13，环形永磁体14，第一轮毂15，辊子16，套筒17，辊子轴18，第二轮毂19，螺钉20，底座21，转台22，大臂23，小臂24，旋转模块25，摄像头26，第一法兰27，第二法兰28，第一伺服电机29，第一谐波减速器30，第二伺服电机31，第二谐波减速器32，第三伺服电机33，第三谐波减速器34，第四伺服电机35，第四谐波减速器36，打磨砂轮37，支撑外壳38，驱动装置39，焊枪40，连接件41，焊缝识别系统42，夹取机构43，夹具44。

具体实施方式

具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人包括吸附式爬行机构、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吸附式爬行机构上，末端工作模块固定在多功能机械手臂的末端；多功能机械手臂包括底座、转台、大臂、小臂、摄像头和回转机构；回转机构具体包括底座与转台之间、转台与大臂之间、大臂与小臂之间、小臂与旋转模块之间、以及旋转模块自身的回转机构；所述的多功能机械手臂，包括底座、转台、大臂、小臂、旋转模块、摄像头、连接法兰以及驱动模块，底座固定在吸附式爬行机构的车架上，所述的转台安装在底座上，电机和减速器驱动转台相对底座做水平转动；大臂安装在转台上，电机和减速器驱动大臂相对转台做竖直转动；所述的小臂安装在大臂上，电机和减速器驱动小臂相对大臂竖直转动；所述的旋转模块一端与小臂采用法兰连接，旋转模块相对小臂竖直转动，旋转模块自身做轴向转动，旋转模块另一端通过法兰结构与末端工作模块连接；所述的摄像头安装在末端工作模块与旋转模块之间的法兰结构上；大臂外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座与转台的空间，上述机械手臂包括5个自由度，分别是1个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和1个轴向转动自由度；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；吸附式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的底盘上的永磁体、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。

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。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。底盘为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮安装在后轮的底盘上的永磁体一起构成磁路。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器通过螺钉连接安装在后轮的底盘上。多功能机械手臂的大臂、小臂、转台、底座及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金。

图1所示的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人由三部分组成，包括吸附式爬行机构1、多功能机械手臂2和末端工作模块3，多功能机械手臂2的底座安装在吸附式爬行机构1的安装平台上，末端工作模块3安装在多功能机械手臂2的末端，末端工作模块3有三个种类，分别是焊接模块、打磨模块和夹取模块，图1所示的末端工作模块为夹取模块。

如图2所示，吸附式爬行机构由三部分构成，包括采用永磁间隙吸附装置的后轮模块4、采用万向滚动磁轮的前轮模块5连接前后轮的车架6。如图3所示，后轮的底盘8采用低碳钢（如Q235）制造，除作为支撑后轮结构的功能外，还作为轭铁与环绕车轮安装在后轮的底盘8上的永磁体7一起构成磁路的一部分，直流电机12接二级减速器带动车轮9，第一级为行星齿轮减速器11，第二级为涡轮蜗杆减速器10，涡轮蜗杆减速器通过螺钉连接安装在后轮的底盘8上。永磁间隙吸附装置如图4所示，由12块厚度方向充磁的钕铁硼永磁体组成，每个后轮各布置6块永磁体， N极和S极交错排列构成磁路，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。如图5所示，万向滚动磁轮装置包括中央的环形永磁体14以及两侧的全方位轮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内孔直径15毫米，外孔直径75毫米，厚度30毫米，轴向充磁。两侧的全方位轮13的轮毂采用低碳钢(如Q235)制造，作为轭铁与中央的环形永磁体14一起构成磁路的一部分。磁路示意如图6中的虚线回路所示。全方位轮13的具体结构如图7所示，第一轮毂15和第二轮毂19直径98毫米，采用低碳钢(如Q235)制造。在第一轮毂15和第二轮毂19的外 缘分别均匀设置有18个方形凹槽，相对应的辊子轴18两端为方形，可安装在方形凹槽里。辊子16安装在辊子轴18上，靠辊子轴18上的轴肩和套筒17定位。辊子16内径5毫米，外径16毫米，厚度5毫米，结构为在不锈钢轴承外缘包覆一层2毫米厚的聚氨酯层。辊子16共有18个，均匀分布于轮毂周围，辊子16轴线与第一轮毂15和第二轮毂19的轴线正交。。第一轮毂15和第二轮毂19通过螺钉20进行连接。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。

参阅图8、9，本发明的机械手臂，包括底座21；转台22通过水平方向的转动副安装在底座21上；大臂23通过竖直方向的转动副安装在转台22上；小臂24通过竖直方向的转动副安装在大臂23上；旋转模块25通过螺纹连接与第一法兰27相连；第一法兰27通过竖直方向的转动副与小臂24相连；第二法兰28的一端通过螺纹连接与旋转模块25固连，另一端与末端工作模块连接；摄像头26通过螺纹连接与第二法兰28的上平面固连，并将镜头方向指向末端工作模块；第一伺服电机29、第二伺服电机31、第三伺服电机33、第四伺服电机35的输入端分别与第一谐波减速器30、第二谐波减速器32、第三谐波减速器34、第四谐波减速器36的输入端相连；第一谐波减速器30的外壳通过螺纹连接与转台22固连，输出轴通过键连接与底座21固连；第二谐波减速器32的外壳通过螺纹连接与转台22固连，输出轴通过键连接与大臂23的一端固连；第三谐波减速器34的外壳通过螺纹连接与小臂24的一端固连，输出轴通过键连接与大臂23的另一端固连；第四谐波减速器36的外壳通过螺栓连接与小臂24的另一端固连，输出端通过键连接与第一法兰27固连；底座21、转台22、大臂23、小臂24、第一法兰27、第二法兰28的材料均为高强度铝合金；大臂23、小臂24均采用箱形结构，其他结构件均采用薄壁结构，以减轻结构自重；旋转模块25可选用市场上的成熟产品。

采用上述结构，转台22可相对底座21水平回转，大臂23可相对转台22竖直转动，小臂24可绕大臂23竖直转动，旋转模块25可相对小臂24竖直转动，旋转模块25的输出端和输入端可相对轴向转动，从而带动末端工作装置做轴向转动。以上各运动副使机械臂具有5个自由度，分别是1个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和1个轴向转动自由度。通过程序控制使第一伺服电机29、第二伺服电机31、第三伺服电机33、第四伺服电机35、旋转模块25协调动作，从而实现机械臂在工作半径内任意位置和任意角度的作业。

参阅图10，大臂23的轮廓为向一侧凹的样条曲线，且曲线的凹陷处在折叠状态时可以避开底座21、转台22、第一伺服电机29和第一谐波减速器30的空间，以降低机械臂在折叠状态的最小高度。

图11所示为末端工作模块3中的打磨模块，由打磨砂轮37、支撑外壳38和驱动装置39三部分组成；图12所示为末端工作模块3中的焊接模块，由焊枪40、连接件41和焊缝识别系统42组成，连接件41的一端固定焊枪40，另一端与多功能机械手臂2的末端相连；图13为末端工作模块3中的夹取模块，由夹取机构43和夹具44组成，夹取机构43可选用成熟的夹取产品，夹具44连接在夹取机构43的输出端，根据夹取对象的不同可设计成不同的形状。

本发明不仅仅局限于以上实施例，在本发明保护范围内的任何修改，都认为落入本发明的保护范围内。

旋转模块为一个独立的功能模块，本身具有驱动装置，可驱动其首尾两端做相对转动。此模块可选用成熟产品，如SCHUNK公司的PRL模块产品。

所述箱形结构就是薄板拼接而成的封闭结构，其截面为中空的封闭形状，类似箱子的截面；薄壁结构的特征在于有薄板拼接而成，但其不一定为封闭的箱形结构。

工作时，吸附式爬行机构吸附在结构件表面，两个后轮为驱动轮，靠两后轮的差速驱动实现吸附式爬行机构的转向，前轮的万向滚动轮为随动轮，跟随后轮动作；多功能机械手臂各关节自由度靠伺服电机驱动，由程序控制转动角度和速度，以实现末端工作模块的定位、姿态调整和工作轨迹调整；末端工作模块有三种，分别是焊接模块、打磨模块和夹取模块，在不同的工况下换装不同的末端工作模块。吸附式爬行机构、多功能机械手臂和末端工作模块之间靠程序实现协调动作，以完成作业需求。 

Claims (6)

1.一种具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，包括吸附式爬行机构（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（21）固定在吸附式爬行机构（1）上，末端工作模块（3）固定在多功能机械手臂（2）的末端；

所述的多功能机械手臂（2），包括底座（21）、转台（22）、大臂（23）、小臂（24）、旋转模块（25）、摄像头（26）、连接法兰以及驱动模块，底座（21）固定在吸附式爬行机构（1）的车架（6）上，所述的转台（22）安装在底座（21）上，电机和减速器驱动转台（22）相对底座（21）做水平转动；大臂（23）安装在转台（22）上，电机和减速器驱动大臂（23）相对转台（22）做竖直转动；所述的小臂（24）安装在大臂（23）上，电机和减速器驱动小臂（24）相对大臂（23）竖直转动；所述的旋转模块（25）一端与小臂（24）采用法兰连接，旋转模块（25）相对小臂（24）竖直转动，旋转模块（25）自身做轴向转动，旋转模块（25）另一端通过法兰结构与末端工作模块（3）连接；所述的摄像头（26）安装在末端工作模块（3）与旋转模块（25）之间的法兰结构上；大臂（23）外形轮廓为向一侧凹的样条曲线，该曲线的凹陷位置与曲率半径使其折叠时能够避开底座（21）与转台（22）的空间，上述机械手臂包括5个自由度，分别是1个水平回转自由度、3个竖直转动自由度和1个轴向转动自由度；

所述吸附式爬行机构（1）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；吸附式爬行机构（1）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）安装在后轮的底盘（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）上的轴肩和套筒（17）对辊子（16）定位，辊子（16）结构为在不锈钢轴承外缘包覆一层聚氨酯层，辊子（16）与方形凹槽数量相匹配，均匀分布于轮毂周围，辊子轴（18）线与轮毂的轴线正交，两侧的全方位轮（13）交错布置，使得一侧全方位轮（13）的辊子（16）的轴向投影位于另一侧全方位轮（13）的两个辊子（16）中间，当车轮（9）具有沿轴向的运动趋势时两侧全方位轮（13）与地面接触的辊子（16）绕自身轴线转动，使得车轮（9）仍然保持纯滚动状态。

2.根据权利要求1所述的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于：所述的永磁间隙吸附装置环绕后轮安装在底盘（8）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（8）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。

3.根据权利要求2所述的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于：所述末端工作模块（3）是焊接模块、打磨模块或夹取模块，各模块通过法兰结构与多功能机械手臂（2）的末端连接。

4.根据权利要求3所述的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于：所述底盘（8）为低碳钢，作为轭铁与环绕车轮（9）安装在后轮的底盘（8）上的永磁体（7）一起构成磁路。

5.根据权利要求2所述的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于：减速器包括第一级行星齿轮减速器（11）和第二级涡轮蜗杆减速器（10），直流电机（12）后接二级减速器带动车轮（9），第二级涡轮蜗杆减速器（10）通过螺钉连接安装在后轮的底盘（8）上。

6.根据权利要求2所述的具有小折叠尺寸机械手臂的差动驱动磁吸附式多功能爬壁机器人，其特征在于：所述的多功能机械手臂（2）的大臂（23）、小臂（24）、转台（22）、底座（21）及连接法兰均采用箱形结构或薄壁结构，材料均采用高强度铝合金。