CN104648512B - 一种含摆动牵引腿三自由度爬壁并联机器人 - Google Patents
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Abstract
一种含摆动牵引腿三自由度爬壁并联机器人，主要包括动平台，3个驱动腿，3个牵引腿，复位机构，牵引腿摆动机构和激光枪，3个驱动腿与3个牵引腿在动平台与吸附的工件之间呈圆周交替均布。驱动腿可伸缩运动，驱动腿上端和牵引腿中部与动平台分别通过转动副和球副联接，其下端通过球副与永磁吸盘联接。爬壁时，至少3个吸盘吸附工件，复位机构迫使驱动腿复位，牵引腿摆动机构迫使牵引腿摆动，实现该机器人在工件壁爬行。定位加工时，6个吸盘吸附工件，复位机构和牵引腿摆动机构失效，牵引腿对动平台施加无运动约束的弹性牵引力，变成三自由度并联机器人。本发明结构简单、吸附力大、驱动数少、容易控制，具有三自由度灵活操作和转向爬壁功能。
Description
技术领域
本发明涉及机器人，特别涉及一种爬壁并联机器人。
背景技术
爬壁机器人是一种可以在垂直墙壁上攀爬完成超出人极限的自动化作业的机器人，近20年成为国内外机器人领域研究的热点和前沿。目前爬壁机器人已用于储油罐探伤检查、舰船喷漆、军事侦查、高楼消防、清洁和喷涂、核设备检查测厚等。
近年来，中国专利CN103171640A公开了一种基于永磁吸附结构的爬壁机器人；中国专利CN103332232A公开了一种钢板爬壁机器人，其行走装置由履带构成；中国专利CN102673673A公开了一种用于磁吸附爬壁机器人的新型万向滚动磁轮装置；中国专利200710016408.8公开了一种铁基罐体爬壁机器人；中国专利CN1739925公开了一种非接触磁吸附轮式爬壁机器人；中国专利CN1428226公开了一种履带式多吸盘爬壁机器人；中国专利CN102343588A公开了一种磁盘吸附式爬壁机器人；中国专利02158876公开了一种五足爬壁机器人；中国专利CN101746429A公开了一种六足仿生湿吸爬壁机器人。中国专利CN103191895A公开了一种能垂直拐弯的爬壁机器人对中央空调水平和竖直管道内的积尘进行清理。中国专利CN102476664A公开了一种轮足式爬壁机器人机构，采用负压吸附和真空吸附结构爬壁。美国专利US3690393公开了一种在薄壁金属面磁盘吸附式越障爬壁机器人。
虽然上述爬壁类机器人各具特色，但用于极端条件下大型设备、装备及大工件表面缺陷现场修复和再制造一直是爬壁类机器人设计、研制和应用中面临的难题。特别是爬壁机器人应能快速爬壁与快速转向，并满足动平台相对吸附工件的多自由度灵活加工与大载荷操作是尚待解决的关键问题。
发明内容：
本发明目的在于提供一种吸附能力强、驱动数少、结构简单、运动灵活、控制简单、自重轻，并且具有快速爬壁与大载荷三自由度灵活操作双重功能的含摆动牵引腿三自由度爬壁并联机器人。
本发明主要包括动平台、3个结构相同的驱动腿、3个结构相同的牵引腿、复位机构、牵引腿摆动机构和激光枪。3个驱动腿与3个牵引腿在动平台与吸附的工件之间呈圆周交替均布。
所述动平台包括上三角板、下三角板和6个圆柱，6个导向杆圆柱在上、下三角板之间圆周均布，并与上、下三角板垂直固连。
所述激光枪与下三角板底面中心同轴固连。
所述驱动腿是一种转动副-驱动移动副-球副型可伸缩直线支链，所述驱动移动副包括电动缸缸套、电动缸伸缩杆和直线电机，电动缸缸套的上端设有圆台，并通过转动副与设在上述上三角板角上的水平孔转动联接，该电动缸缸套的下端与电动缸伸缩杆的一端连接，该电动缸伸缩杆的另一端通过球副与永磁吸盘联接，吸盘吸附在磁性工件壁面上。
所述牵引腿包括压帽，压套，小弹簧，大弹簧，缓冲弹簧，拉杆，球套，转盘，套管，永磁吸盘；其中，压帽与压套的一端螺纹固连，该压套的腔内设有小弹簧，该压套的另一端设有通孔，拉杆的一端设有圆柱凸台，该圆柱凸台位于压套圆柱腔内小弹簧的下面，拉杆与压套通孔滑动配合，拉杆下端与套管上端螺纹联接，该套管下端通过球副与永磁吸盘联接；吸盘吸附在磁性工件壁面上；转盘上端面设有一个球凹面，在球凹面中间设有通孔，通孔轴线交于球心且与转盘轴线偏距平行，转盘的圆周端面上设有与其平行的两圈凹槽，上面的一圈凹槽与设在动平台下三角板角上的通孔转动配合，另一圈凹槽用来设缠绕的牵引绳，上述转盘上的球凹面内设有半球形的球套，该球套中间设有通孔，通孔轴线交于球心且垂直于平面；大弹簧套在压帽的圆锥凸台下端面与球套平面之间的压套和拉杆上，保证牵引腿对动平台施加弹性牵引力；在上述套管上面的拉杆上套有缓冲弹簧，避免永磁吸盘脱离工件时牵引腿冲击下三角板。
所述复位机构主要包括电动机A，套，轴承，丝杠，丝母，压板组，其中，套下端与电动机A凸台同轴配合固连，套上端的外圆柱与上三角板的中心通孔同轴配合固连，轴承外环与套的内通孔同轴配合固连，轴承内环与丝杠下部的外圆柱同轴配合固连，电动机A的驱动轴与丝杠下端的内孔同轴配合键联接，丝母与丝杆上部螺纹配合联接；所述压板组包括上板，下板，3个压叉和3个圆锥罩，其中，上、下板中心设有通孔，上述丝母外圆柱与上、下板中心通孔同轴配合固连，上、下板圆周均布设有上下对称的6个通孔，与上述动平台的导向杆圆柱滑动配合；下板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个压叉，其3个压叉的位置分别对应于上述驱动腿的上端圆台；上板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个圆锥罩，其3个圆锥罩的位置分别对应于上述下三角板角上的通孔。压板组位于动平台之上，与动平台同轴。
所述牵引腿摆动机构包括动平台的下三角板，电动机B，驱动轮，牵引绳，3个转盘和2个导向轮；其中，电动机B固定在下三角板上，驱动轮设在下三角板下面，与电动机B驱动轴同轴固连，导向轮设在下三角板下面、上述三个转盘之间，并与下三角板转动联接，驱动轮、转盘和导向轮的轴线相互平行；牵引绳无滑动缠绕在驱动轮和上述转盘的凹槽，并绕过导向轮，实现3个转盘随电动机B同步转动。
该机器人具有爬行与定位加工双重功能，其工作原理说明如下：
爬行工作原理：1.所有6个吸盘都吸附工件，复位机构通过上板带动圆锥罩压向牵引腿上端，迫使压帽滑向圆锥罩中心，并压缩牵引腿大、小弹簧变形；又通过下板带动压叉压向驱动腿上端圆台，迫使驱动腿复位。2.驱动腿缩短，迫使驱动腿下端吸盘脱离工件。3.牵引腿摆动机构通过驱动轮和牵引绳驱动3个转盘同步转动，迫使牵引腿同步向预定方向摆动迈步；4.驱动腿再伸长，其下端吸盘吸附工件，动平台离开工件，直到接触压套下端，迫使牵引腿下端吸盘脱离工件。5.牵引腿摆动机构再迫使牵引腿下端吸盘向预定方向迈步。6.驱动腿缩短，直到牵引腿下端吸盘吸附工件的新位置，开始迈下步。
爬壁时，至少3个吸盘吸附工件，复位机构迫使驱动腿复位，牵引腿摆动机构迫使3个牵引腿同步转动与摆动，再与3个驱动腿交替互动，实现该机器人在工件壁爬行。定位加工时，6个吸盘吸附工件，复位机构和牵引腿摆动机构失效，牵引腿对动平台施加无运动约束的弹性牵引力，爬壁机器人变成三自由度并联机器人，动平台带动激光枪焊修大型装备。
本发明与现有技术相比具有如下优点：结构简单、吸附力大、自重轻、运动灵活、控制容易，具有大载荷三自由度灵活操作和快速爬壁与转向功能，可以完成极端条件下对太空站、核/水电站、采矿/冶金/装卸设备、采/输/储油气设备、大型舰船/飞机等大型设备、装备及大工件表面缺陷现场修复和再制造，探伤检查、除锈、喷漆及军事侦查等任务。
附图说明
图1是本发明的立体示意简图。
图2是本发明的剖视图。
图3是本发明牵引腿摆动机构的立体示意简图。
图中：1-磁性工件、2-驱动腿、2-1吸盘A、2-2电动缸伸缩杆、2-3电动缸缸套、2-4直线电机、2-5圆台、3-牵引腿、3-1吸盘B、3-2套管、3-3缓冲弹簧、3-4拉杆、3-5球套、3-6转盘、3-7大弹簧、3-8小弹簧、3-9压套、3-10压帽、4-动平台、4-1下三角板、4-2上三角板、4-3导向杆圆柱、5-复位机构、5-1电动机A、5-2套、5-3轴承、5-4丝母、5-5、丝杠、6-压板组、6-1下板、6-2-上板、6-3-压叉、6-4圆锥罩、7-牵引腿摆动机构、7-1电动机B、7-2驱动轮、7-3牵引绳、7-4导向轮、8-激光枪。
具体实施方式
在图1所示的一种含摆动牵引腿三自由度爬壁并联机器人的示意图中，动平台4包括上三角板4-2和下三角板4-1，6个导向杆圆柱4-3在上、下三角板之间圆周均布，并与上、下三角板垂直固连，确保上、下三角板中心线同轴；上三角板中心开有垂直通孔，用于安装复位机构5；上三角板边缘均布开有3个水平孔，用于联接驱动腿2上端；下三角板边缘均布开有3个垂直通孔，用于联接牵引腿3中部；激光枪8与下三角板底面中心同轴固连。
如图2所示，3个结构相同的驱动腿是一种转动副-驱动移动副-球副型可伸缩直线支链，所述驱动移动副包括电动缸缸套2-3、电动缸伸缩杆2-2和直线电机2-4，电动缸缸套的上端设有圆台2-5，并通过转动副与设在上述上三角板角上的水平孔转动联接，该电动缸缸套的下端与电动缸伸缩杆的一端连接，该电动缸伸缩杆的另一端通过球副与永磁吸盘2-1联接，吸盘吸附在磁性工件1壁面上。3个结构相同的牵引腿中的压帽3-10与压套3-9的一端螺纹固连，该压套的腔内设有小弹簧3-8，该压套的另一端设有通孔，拉杆3-4的一端设有圆柱凸台，该圆柱凸台位于压套圆柱腔内小弹簧的下面，拉杆与压套通孔滑动配合；拉杆下端与套管3-2上端螺纹联接，该套管下端通过球副与永磁吸盘3-1联接；吸盘吸附在磁性工件壁面上；转盘3-6上端面设有一个球凹面，在球凹面中间设有通孔，通孔轴线交于球心且与转盘轴线偏距平行，转盘的圆周端面上设有与其平行的两圈凹槽，上面的一圈凹槽与设在动平台下三角板角上的通孔转动配合，另一圈凹槽用来设缠绕的牵引绳，上述转盘上的球凹面内设有半球形的球套3-5，该球套中间设有通孔，通孔轴线交于球心且垂直于平面；大弹簧3-7套在压帽的圆锥凸台下端面与球套平面之间的压套和拉杆上，保证牵引腿对动平台施加弹性牵引力；在上述套管上面的拉杆上套有缓冲弹簧3-3，避免永磁吸盘脱离工件时牵引腿冲击下三角板。所述复位机构中的套5-2下端与电动机A5-1凸台同轴配合固连，套上端的外圆柱与上三角板的中心通孔同轴配合固连，轴承5-3外环与套的内通孔同轴配合固连，轴承内环与丝杠5-5下部的外圆柱同轴配合固连，电动机A的驱动轴与丝杠下端的内孔同轴配合键联接，丝母5-4与丝杆上部螺纹配合联接；压板组6中的上板6-2和下板6-1中心设有通孔，上述丝母外圆柱与上、下板中心通孔同轴配合固连，上、下板圆周均布设有上下对称的6个通孔，与上述动平台的导向杆圆柱滑动配合；下板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个压叉6-3，其3个压叉的位置分别对应于上述驱动腿的上端圆台；上板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个圆锥罩6-4，其3个圆锥罩的位置分别对应于上述下三角板角上的通孔。压板组位于动平台之上，与动平台同轴。
如图3所示，牵引腿摆动机构7中的电动机B7-1固定在下三角板上，驱动轮7-2设在下三角板下面，与电动机B驱动轴同轴固连，导向轮7-4设在下三角板下面、上述三个转盘之间，并与下三角板转动联接，驱动轮、转盘和导向轮的轴线相互平行；牵引绳7-3无滑动缠绕在驱动轮和上述转盘的凹槽，并绕过导向轮，实现3个转盘随电动机B同步转动。
Claims (1)
1.一种含摆动牵引腿三自由度爬壁并联机器人，它包括动平台、3个结构相同的驱动腿、3个结构相同的牵引腿、复位机构、牵引腿摆动机构和激光枪，3个驱动腿与3个牵引腿在动平台与吸附的工件之间呈圆周交替均布，其特征在于：所述动平台包括上三角板、下三角板和6个导向杆圆柱，6个圆柱在上、下三角板之间圆周均布，并与上、下三角板垂直固连；
所述激光枪与下三角板底面中心同轴固连；
所述驱动腿是一种转动副-驱动移动副-球副型可伸缩直线支链，所述驱动移动副包括电动缸缸套、电动缸伸缩杆和直线电机，电动缸缸套的上端设有圆台，并通过转动副与设在上述上三角板角上的水平孔转动联接，该电动缸缸套的下端与电动缸伸缩杆的一端连接，该电动缸伸缩杆的另一端通过球副与永磁吸盘联接，吸盘吸附在磁性工件壁面上；
所述牵引腿包括压帽，压套，小弹簧，大弹簧，缓冲弹簧，拉杆，球套，转盘，套管，永磁吸盘；其中，压帽与压套的一端螺纹固连，该压套的腔内设有小弹簧，该压套的另一端设有通孔，拉杆的一端设有圆柱凸台，该圆柱凸台位于压套圆柱腔内小弹簧的下面，拉杆与压套通孔滑动配合，拉杆下端与套管上端螺纹联接，该套管下端通过球副与永磁吸盘联接；吸盘吸附在磁性工件壁面上；转盘上端面设有一个球凹面，在球凹面中间设有通孔，通孔轴线交于球心且与转盘轴线偏距平行，转盘的圆周端面上设有与其平行的两圈凹槽，上面的一圈凹槽与设在动平台下三角板角上的通孔转动配合，另一圈凹槽用来缠绕牵引绳，上述转盘上的球凹面内设有半球形的球套，该球套中间设有通孔，通孔轴线交于球心且垂直于平面；大弹簧套在压帽的圆锥凸台下端面与球套平面之间的压套和拉杆上，保证牵引腿对动平台施加弹性牵引力；在上述套管上面的拉杆上套有缓冲弹簧，避免永磁吸盘脱离工件时牵引腿冲击下三角板；
所述复位机构主要包括电动机A，套，轴承，丝杠，丝母，压板组，其中，套下端与电动机A凸台同轴配合固连，套上端的外圆柱与上三角板的中心通孔同轴配合固连，轴承外环与套的内通孔同轴配合固连，轴承内环与丝杠下部的外圆柱同轴配合固连，电动机A的驱动轴与丝杠下端的内孔同轴配合键联接，丝母与丝杆上部螺纹配合联接；所述压板组包括上板，下板，3个压叉和3个圆锥罩，其中，上、下板中心设有通孔，上述丝母外圆柱与上、下板中心通孔同轴配合固连，上、下板圆周均布设有上下对称的6个通孔，与上述动平台的导向杆圆柱滑动配合；下板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个压叉，其3个压叉的位置分别对应于上述驱动腿的上端圆台；上板外缘设有3个螺纹通孔，分别用于固连3个圆锥罩，其3个圆锥罩的位置分别对应于上述下三角板角上的通孔，压板组位于动平台之上，与动平台同轴；
所述牵引腿摆动机构包括动平台的下三角板，电动机B，驱动轮，牵引绳，3个转盘和2个导向轮；其中，电动机B固定在下三角板上，驱动轮设在下三角板下面，与电动机B驱动轴同轴固连，导向轮设在下三角板下面、上述三个转盘之间，并与下三角板转动联接，驱动轮、转盘和导向轮的轴线相互平行；牵引绳无滑动缠绕在驱动轮和上述转盘的凹槽，并绕过导向轮，实现3个转盘随电动机B同步转动。
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