CN111746680B - 一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，包括爬行模块(1)、焊接操作模块(2)和控制传感模块(3)，焊接操作模块(2)和控制传感模块(3)均安装于爬行模块(1)上；爬行模块(1)包括轮腿复合移动机构(4)和永磁吸附装置(5)；轮腿复合移动机构(4)包括车架以及与车架相连的摆动轮腿机构(6)和升降轮腿机构(7)；永磁吸附装置(5)包括三组非接触式永磁吸附单元(38)。通过将轮式移动方式与腿足式移动方式相结合，并采用非接触式永磁吸附方式，使机器人兼具良好的移动能力、负载能力和环境适应能力，进而实现在非结构环境中的移动焊接作业。

Description

一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人

技术领域

本发明属于特种机器人技术领域，涉及一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人。

背景技术

在船舶、核容器、石化储罐等大型构件的现场焊接生产中，存在着大量的非结构环境，不仅作业面形式多样，如存在平面、斜面、立面、空间曲面等，而且作业面上还伴有焊缝、板筋、沟槽等结构特征，复杂的环境特点导致了通用焊接机器人和传统自动焊接设备难以适用。目前，此类焊接作业仍然是通过人工焊接来实现，不仅焊接效率低、焊接质量难以保证，而且存在高空作业，工人的人身安全得不到保障，需要一种能够适用于非结构环境焊接作业的爬壁机器人。

爬壁机器人要在上述环境中完成移动焊接作业，不仅需要具有良好的移动能力、较强的负载能力、灵活的作业能力，还需要具备一定的环境适应能力，包括对壁面形貌的适应能力、越障能力和交叉壁面过渡能力。

现阶段的爬壁机器人一般采用负压吸附方式和磁吸附方式实现壁面吸附。负压吸附方式对吸附壁面的光滑平整度要求较高，且负载能力小，难以满足焊接作业要求；磁吸附方式特别适合于船舶、核容器、石化储罐等铁磁结构壁面的吸附。

经检索，申请号为CN201911255558.3的专利涉及的“一种新型六足锅炉水冷壁检修机器人”，依靠六条腿的交替运动以及足端电磁铁的交替吸附实现在壁面上的移动，其特点是负载能力和环境适应能力强，但移动不连续，无法满足焊接连续平稳性要求。

申请号为CN201610554277.8的专利涉及的“可跨越直角壁面的磁吸附爬壁机器人”，包括前车体和后车体，前、后车体通过弓形悬架连接，前、后车体的两侧均设置有独立驱动的磁性轮，其特点是移动连续平稳，利用前、后车体之间的弓形悬架可以实现交叉壁面过渡，但越障能力弱，且由于磁性轮的有效吸附面积小，磁能利用率不高，负载能力差。

申请号为CN201010289327.7的专利涉及的“轮式越障爬壁机器人”，包含三组可以升降的轮式移动机构，三组非接触式永磁吸附装置安装于轮式移动机构的底部，其特点是移动连续平稳，永磁吸附装置的有效吸附面积大，磁能利用率高，负载能力强，依靠三组移动吸附机构的依次升降，可以实现障碍物的跨越，但由于永磁吸附装置相对车体的姿态不可调节，因而难以实现在小曲率半径的圆柱罐面上安全吸附，且不具备交叉壁面过渡能力。

申请号为CN201710582547.0的专利涉及的“一种适应复杂壁面作业的非接触式磁吸附爬壁机器人”，采用履带式移动机构和非接触式永磁吸附装置，其特点是移动连续平稳，利用履带的柔性可以实现小曲率半径圆柱罐面的自动适应，但履带与壁面的摩擦阻力大，运动灵活性受限，且不具备交叉壁面过渡能力。

综上所述，现有爬壁机器人在移动、负载、环境适应方面的综合性能存在不足，或者是负载能力、环境适应能力强而移动不连续，无法满足焊接连续平稳性要求，或者是移动连续平稳而负载能力、环境适应能力较差，不能兼具壁面形貌适应、越障及交叉壁面过渡能力，因而均难以满足非结构环境中的移动焊接作业需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人。本发明针对现有爬壁机器人在移动、负载、环境适应方面存在不足的问题，提出了一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，通过将轮式移动方式与腿足式移动方式相结合，并采用非接触式永磁吸附方式，使机器人兼具良好的移动能力、负载能力和环境适应能力，进而实现在非结构环境中的移动焊接作业。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，包括爬行模块、焊接操作模块和控制传感模块，焊接操作模块和控制传感模块均安装于爬行模块上；

爬行模块包括轮腿复合移动机构和永磁吸附装置；

轮腿复合移动机构包括车架以及与车架相连的摆动轮腿机构和升降轮腿机构；摆动轮腿机构有两组，分别位于升降轮腿机构的前后侧；

两组摆动轮腿机构的结构完全相同，每组摆动轮腿机构包括两个轮式驱动模块I、两只摆臂、蜗轮蜗杆机构和驱动电机I，两个轮式驱动模块I通过两只摆臂固定安装于蜗轮蜗杆机构的输出轴的两端，驱动电机I驱动蜗轮蜗杆机构带动摆臂和轮式驱动模块I相对车架前后摆动；一种优选的连接方式为：蜗轮蜗杆机构与车架固定连接；蜗轮蜗杆机构中的蜗杆与驱动电机I连接，输出轴的两端各与一个摆臂的上端连接，各摆臂的下端各与一个轮式驱动模块I连接；

升降轮腿机构包括两个轮式驱动模块II、第一安装支架、丝杆机构、同步带轮机构、驱动电机II和连接板，丝杆机构与第一安装支架滑动连接，两个轮式驱动模块II分别固定安装于丝杆机构的底部两侧(固定螺母，则丝杆旋转带动整个机构移动，丝杆机构相对安装支架滑动，从而可以带动轮式驱动模块II上下运动)，同步带轮机构的从动轮带安装于丝杆机构中垂直放置的丝杆的顶端，同步带轮机构中的主动带轮与驱动电机II连接，驱动电机II驱动同步带轮机构的主动带轮，连接板与第一安装支架滑动连接；驱动电机II驱动同步带轮机构带动丝杆机构的丝杆旋转，丝杆机构带动轮式驱动模块II相对第一安装支架上下滑动，实现相对车架的主动升降运动；

永磁吸附装置包括三组非接触式永磁吸附单元(如果不采用非接触永磁吸附单元，而是采用磁轮式，将永磁体与驱动轮集成在一起，这样的话，驱动轮与壁面是点接触，永磁体起作用的只是接触点附近的部分，因而磁能利用率低，而非接触式永磁吸附单元的永磁体均能起到吸附作用，磁能利用率高)，分别安装于每组摆动轮腿机构的两个轮式驱动模块I之间和升降轮腿机构的两个轮式驱动模块II之间；三组非接触式永磁吸附单元可随轮式驱动模块I和轮式驱动模块II相对车架运动，实现相对车架或壁面的位姿调整，以适应不同的吸附需求；

焊接操作模块包括水平移动关节、垂直移动关节、仰俯关节、横摆关节、夹持机构、焊枪和线缆固定装置，垂直移动关节与水平移动关节的安装板的末端固定连接，水平移动关节与垂直移动关节构成的十字滑台用于实现焊枪相对于焊缝的平行和垂直二维方向上的位置调节，仰俯关节用于实现焊枪相对焊缝的姿态调整，以满足不同焊缝形式(如对接、角焊缝等)对焊枪角度的要求，横摆关节用于实现焊枪相对焊缝的姿态调整，以满足平、横、立、仰等不同位置形式焊缝焊接的工艺要求，仰俯关节与垂直移动关节的安装板固定连接，仰俯关节包括旋转支架、第二安装支架和驱动电机Ⅴ，横摆关节包括输出法兰和驱动电机Ⅵ，横摆关节与仰俯关节的旋转支架固定连接，夹持机构与横摆关节的输出法兰固定连接，焊枪与夹持机构固定连接，线缆固定装置与焊枪的线缆连接，线缆固定装置用于将线缆负载转移至爬行模块上，以确保焊接操作模块的作业灵活性和稳定性；

控制传感模块包括视觉传感系统和控制系统，控制系统根据视觉传感系统反馈的感知信息控制爬行模块(1)和焊接操作模块(2)的运动；视觉传感系统包括焊缝跟踪单元和宏观视觉感知单元，焊缝跟踪单元通过视觉传感器采集焊缝图像并对焊缝空间位姿进行解析从而确定焊枪与焊缝之间的相对位置，进而修正爬行模块的运动路径和焊接操作模块的运动轨迹，宏观视觉感知单元通过电动云台搭载工业摄像机来采集机器人周边宏观环境图像，以便地面操作人员对机器人周边环境进行监测。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，所述车架包括前车架、中车架和后车架，前车架和后车架分别与前后两组摆动轮腿机构固定连接，中车架与升降轮腿机构固定连接。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，轮腿复合移动机构还包括两组被动旋转关节和四组限位机构；

两组被动旋转关节同轴布置，前车架和中车架之间以及中车架和后车架之间分别通过被动旋转关节连接，摆动轮腿机构和升降轮腿机构可随前车架、中车架和后车架发生相对偏转；

限位机构由四个薄板弹簧和四个限位螺钉组成；四个薄板弹簧的一端固定在中车架上，其中两个薄板弹簧的另一端与前车架接触，另两个薄板弹簧的另一端与后车架接触；由于薄板弹簧与前车架或后车架接触，因而当相邻两车架发生相对偏转时，前车架或后车架会向薄板弹簧施加作用力，使其发生形变，薄板弹簧变形所产生的弹力反作用于前车架或后车架上，可实现车架的复位；限位螺钉固定在中车架上，其中两个位于前车架的下方，另两个位于后车架的下方；调节限位螺钉的伸出长度，可以限制前车架、后车架相对中车架的最大偏转角度，因为前车架、后车架相对中车架发生偏转时，会与限位螺钉接触，接触后停止发生偏转，因而可通过调节限位螺钉的伸出长度调控前车架、后车架与限位螺钉的端部间隙，进而调整最大偏转角度。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，每个轮式驱动模块I包括驱动轮、第一蜗轮蜗杆减速器和驱动电机Ⅲ，驱动电机Ⅲ位于第一蜗轮蜗杆减速器的上方，驱动轮位于第一蜗轮蜗杆减速器的侧方，驱动轮、第一蜗轮蜗杆减速器和驱动电机Ⅲ连接成L型，驱动电机Ⅲ驱动第一蜗轮蜗杆减速器带动驱动轮旋转。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，每个轮式驱动模块II包括驱动轮、齿轮减速器和驱动电机Ⅳ，驱动电机Ⅳ和驱动轮均与齿轮减速器连接，驱动电机IV与齿轮减速器中的小齿轮连接，驱动轮与齿轮减速器中的大齿轮连接，驱动电机Ⅳ驱动齿轮减速器带动驱动轮旋转。

驱动轮与壁面接触时，三组永磁吸附单元的底面与壁面之间存在一定间隙，磁力线经过间隙和壁面形成闭合磁路，进而产生吸附力。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，蜗轮蜗杆机构和第一蜗轮蜗杆减速器均具有自锁功能，其蜗杆头数均为1，且导程角均小于3°30′，可确保爬行模块的结构稳定性和机器人作业安全性。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，升降轮腿机构还包括滑块、导轨、直线轴承、光轴和组合蝶形弹簧(组合蝶形弹簧是由多个蝶形弹簧组合而成，为本领域公知概念，组合碟形弹簧的特点是刚性大，变形量小，因为本发明中安装空间有限，所以选用此类弹簧，而常见的圆柱螺旋弹簧刚性较小，变形量大)，丝杆机构通过滑块和导轨与第一安装支架滑动连接，可相对第一安装支架上下滑动，连接板通过直线轴承和光轴与第一安装支架滑动连接，可相对第一安装支架上下滑动，丝杆机构的螺母固定安装于连接板的中部，组合蝶形弹簧套装于光轴上，位于连接板的上方和下方，且远离连接板的一端与第一安装支架接触；升降轮腿机构还具有被动升降运动功能，轮式驱动模块II可通过丝杆机构、连接板压缩组合蝶形弹簧，实现相对车架的小范围被动运动，从而达到对壁面形貌自动适应的目的；。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，水平移动关节固定安装于中车架上，垂直移动关节置于中车架的左侧，线缆固定装置安装于中车架的右侧。

如上所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，水平移动关节与垂直移动关节均包括滚珠丝杆机构(滚珠丝杆机构的传动精度和传动效率更高)、驱动电机Ⅶ和位于滚珠丝杆机构和驱动电机Ⅶ之间的第二蜗轮蜗杆减速器，驱动电机Ⅶ与第二蜗轮蜗杆减速器的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器的蜗轮输出轴与滚珠丝杆机构的丝杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器具有自锁功能，其蜗杆头数为1，且导程角均小于3°30′，以保证在机器人任意空间位姿下关节结构的稳定，水平移动关节与垂直移动关节通过滚珠丝杆传动并配备驱动电机Ⅶ的方案，以保证焊枪的响应速度和定位精度。

有益效果：

(1)本发明的爬壁机器人通过将轮式移动方式与腿足式移动方式相结合，形成兼具两种移动方式运动特点的轮腿复合移动机构，既能通过驱动轮的转动实现连续平稳的移动，又能通过前、后部摆动轮腿机构和升降轮腿机构之间的运动配合实现越障和交叉壁面过渡运动；

(2)本发明的爬壁机器人通过三组非接触式永磁吸附单元吸附于壁面，有效吸附面积大，磁能利用率高，吸附可靠，永磁吸附单元与轮式驱动模块固定连接，可随轮式驱动模块运动改变相对车架或壁面的位姿，以满足不同的吸附需求，进而配合轮腿复合移动机构实现对壁面形貌的主动适应；同时，在升降轮腿机构中设置的组合蝶形弹簧和前、中、后车架之间设置的被动旋转关节，可允许轮腿复合移动机构根据壁面形貌产生较小的被动变形，实现对壁面形貌的自动适应；

(3)本发明的爬壁机器人的焊接操作模块具有两个移动和两个旋转自由度，可实现焊枪相对焊缝位置和姿态的精确控制，具有较好的作业灵活性和稳定性，与爬行模块相配合，可实现在非结构环境中的移动焊接作业。

附图说明

图1为本发明的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人的总体结构示意图；

图2为本发明的爬行模块的结构示意图；

图3为本发明的摆动轮腿机构的结构示意图；

图4为本发明的升降轮腿机构的结构示意图；

图5为本发明的焊接操作模块的结构示意图；

图6为本发明的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人越障过程示意图；

图7为本发明的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人交叉壁面过渡运动示意图；

图8为本发明的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人在小曲率半径的圆柱罐面上的焊接作业示意图；

其中，1-爬行模块，2-焊接操作模块，3-控制传感模块，4-轮腿复合移动机构，5-永磁吸附装置，6-摆动轮腿机构，7-升降轮腿机构，8-前车架，9-中车架，10-后车架，11-被动旋转关节，12-限位机构，13-薄板弹簧，14-限位螺钉，15-轮式驱动模块I，16-摆臂，17-蜗轮蜗杆机构，18-驱动电机I，19-输出轴，20-驱动轮，21-第一蜗轮蜗杆减速器，22-驱动电机Ⅲ，23-第一安装支架，24-丝杆机构，25-滑块，26-导轨，27-轮式驱动模块II，28-同步带轮机构，29-连接板，30-直线轴承，31-光轴，32-组合蝶形弹簧，33-驱动电机II，34-螺母，35-齿轮减速器，36-驱动电机Ⅳ，37-丝杆，38-非接触式永磁吸附单元，39-水平移动关节，40-垂直移动关节，41-仰俯关节，42-横摆关节，43-夹持机构，44-焊枪，45-线缆固定装置，46-水平移动关节的安装板，47-垂直移动关节的安装板，48-旋转支架，49-输出法兰，50-滚珠丝杆机构，51-驱动电机Ⅶ，52-第二蜗轮蜗杆减速器，53-第二安装支架，54-驱动电机Ⅴ，55-驱动电机Ⅵ。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，如图1所示，包括爬行模块1、焊接操作模块2和控制传感模块3，焊接操作模块2和控制传感模块3均安装于爬行模块1上；

如图2所示，爬行模块1包括轮腿复合移动机构4和永磁吸附装置5；

轮腿复合移动机构4包括车架以及与车架相连的摆动轮腿机构6和升降轮腿机构7，还包括两组布置于同轴的被动旋转关节11和四组限位机构12；车架包括前车架8、中车架9和后车架10；前车架8和中车架9之间以及中车架9和后车架10之间分别通过被动旋转关节11连接；前车架8和中车架9之间以及中车架9和后车架10之间各有两组限位机构12，限位机构12由薄板弹簧13和限位螺钉14组成；四个薄板弹簧13的一端固定在中车架9上，其中两个薄板弹簧13的另一端与前车架8接触，另两个薄板弹簧13的另一端与后车架10接触；限位螺钉14固定在中车架9上，其中两个位于前车架8的下方，另两个位于后车架10的下方；摆动轮腿机构6有两组，分别位于升降轮腿机构7的前后侧；前车架8和后车架10分别与前后两组摆动轮腿机构6固定连接，中车架9与升降轮腿机构7固定连接；如图3所示，每组摆动轮腿机构6包括两个轮式驱动模块I15、两只摆臂16、蜗轮蜗杆机构17和驱动电机I18，两个轮式驱动模块I15通过两只摆臂16固定安装于蜗轮蜗杆机构17的输出轴19的两端，驱动电机I18驱动蜗轮蜗杆机构17带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架前后摆动；每个轮式驱动模块I15包括驱动轮20、第一蜗轮蜗杆减速器21和驱动电机Ⅲ22，驱动电机Ⅲ22位于第一蜗轮蜗杆减速器21的上方，驱动轮20位于第一蜗轮蜗杆减速器21的侧方，驱动轮20、第一蜗轮蜗杆减速器21和驱动电机Ⅲ22连接成L型，驱动电机Ⅲ22驱动第一蜗轮蜗杆减速器21带动驱动轮20旋转；蜗轮蜗杆机构17和第一蜗轮蜗杆减速器21均具有自锁功能(蜗杆头数均为1，且导程角均小于3°30′)；如图4所示，升降轮腿机构7包括两个轮式驱动模块II 27、第一安装支架23、丝杆机构24、同步带轮机构28、驱动电机II33、连接板29、组合蝶形弹簧32、滑块25、导轨26、直线轴承30和光轴31，丝杆机构24通过滑块25和导轨26与第一安装支架23滑动连接，两个轮式驱动模块II 27分别固定安装于丝杆机构24的底部两侧，同步带轮机构28的从动轮带安装于丝杆机构24的顶端，同步带轮机构28中的主动带轮与驱动电机II33连接，连接板29通过直线轴承30和光轴31与第一安装支架23滑动连接，丝杆机构24的螺母34固定安装于连接板29的中部，组合蝶形弹簧32套装于光轴31上，位于连接板29的上方和下方，且远离连接板29的一端与第一安装支架23接触；每个轮式驱动模块II 27包括驱动轮20、齿轮减速器35和驱动电机Ⅳ36，驱动电机Ⅳ36和驱动轮20均与齿轮减速器35连接，驱动电机Ⅳ36驱动齿轮减速器35带动驱动轮20旋转；

永磁吸附装置5包括三组非接触式永磁吸附单元38，分别安装于每组摆动轮腿机构6的两个轮式驱动模块I15之间和升降轮腿机构7的两个轮式驱动模块II 27之间；

如图5所示，焊接操作模块2包括水平移动关节39、垂直移动关节40、仰俯关节41、横摆关节42、夹持机构43、焊枪44和线缆固定装置45，水平移动关节39固定安装于中车架9上，垂直移动关节40置于中车架9的左侧，垂直移动关节40与水平移动关节39的安装板46的末端固定连接，水平移动关节39与垂直移动关节40均包括滚珠丝杆机构50、驱动电机Ⅶ51和位于滚珠丝杆机构50和驱动电机Ⅶ51之间的第二蜗轮蜗杆减速器52，驱动电机Ⅶ51与第二蜗轮蜗杆减速器52的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器52的蜗轮输出轴与滚珠丝杆机构50的丝杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器52具有自锁功能(蜗杆头数为1，且导程角均小于3°30′)，仰俯关节41与垂直移动关节40的安装板47固定连接，仰俯关节41包括旋转支架48、第二安装支架53和驱动电机Ⅴ54，横摆关节42包括输出法兰49和驱动电机Ⅵ55，横摆关节42与仰俯关节41的旋转支架48固定连接，夹持机构43与横摆关节42的输出法兰49固定连接，焊枪44与夹持机构43固定连接，线缆固定装置45安装于中车架9的右侧，与焊枪44的线缆连接；爬壁机器人在执行焊接作业时，爬行模块1可通过各驱动轮20的转动实现连续平稳地移动，以配合焊接操作模块2使焊枪44沿着焊缝轨迹连续平滑的运动；

控制传感模块3包括视觉传感系统和控制系统；视觉传感系统包括焊缝跟踪单元和宏观视觉感知单元，控制系统根据视觉传感系统反馈的感知信息控制爬行模块1和焊接操作模块2的运动，以实现不同的运动和作业功能。

爬壁机器人可通过前、后部摆动轮腿机构6和升降轮腿机构7之间的运动配合，使前部轮式驱动模块I15、中部轮式驱动模块II 27、后部轮式驱动模块I15依次相对车架抬起和落下实现越障，具体实现原理如下：当机器人移动至距障碍物前方一定距离的位置时，摆动轮腿机构6的驱动电机I18转动，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向前方摆起，直至驱动轮20高于障碍物顶端，如图6中(a)所示，驱动电机I18停止转动；轮式驱动模块I15随着机器人本体的移动通过障碍物；驱动电机I18反转，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架落下，直至恢复越障前的状态，驱动电机I18停止转动；升降轮腿机构7的驱动电机II33转动，丝杆机构24带动轮式驱动模块II 27相对车架上升，直至驱动轮20高于障碍物顶端，如图6中(b)所示，驱动电机II 33停止转动；轮式驱动模块II 27随着机器人本体的移动通过障碍物；驱动电机II 33反转，丝杆机构24带动轮式驱动模块II 27相对车架下降，直至恢复越障前的状态，驱动电机II 33停止转动；后部摆动轮腿机构6的驱动电机I18转动，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向后方摆起，直至驱动轮20高于障碍物顶端，如图6中(c)所示，驱动电机I18停止转动；轮式驱动模块I15随着机器人本体的移动通过障碍物；驱动电机I18反转，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架落下，直至恢复越障前的状态，驱动电机I18停止转动，整个越障运动过程结束。

爬壁机器人可通过前、后部摆动轮腿机构6和升降轮腿机构7之间的运动配合，使前部轮式驱动模块I15、中部轮式驱动模块II 27、后部轮式驱动模块I15相对壁面交替动作，实现交叉壁面过渡，具体实现原理如下：机器人在附着壁面上移动，当移动至距过渡壁面一定距离的位置时，前部摆动轮腿机构6的驱动电机I18转动，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向前方摆起，直至非接触式永磁吸附单元38的底面与壁面平行，驱动电机I18停止转动；机器人继续向前移动，直至驱动轮20与过渡壁面接触；升降轮腿机构7的驱动电机II 33转动，丝杆机构24带动轮式驱动模块II 27相对车架上升，直至行程极限，如图7中(a)所示，驱动电机II 33停止转动；前、后部轮式驱动模块I15的驱动电机Ⅲ22转动，前、后部驱动轮20在交叉壁面上滚动，使机器人由附着壁面向过渡壁面运动，同时前、后部摆动轮腿机构6的驱动电机I18转动，使摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向后方摆动，为了使机器人能够在交叉壁面之间平稳过渡，须对前、后部蜗轮蜗杆机构17和驱动轮20协调控制，使与前、后部轮式驱动模块I15固定连接的非接触式永磁吸附单元38的底面始终与壁面平行，以产生足够大的吸附力；当车架的仰俯角与壁面倾角相等时，机器人停止运动，如图7中(b)所示；升降轮腿机构7的驱动电机II 33转动，丝杆机构24带动轮式驱动模块II 27相对车架下降，直至驱动轮20与壁面正常接触；后部摆动轮腿机构6的驱动电机I18转动，带动摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向前方摆动，直至驱动轮20与壁面接触，如图7中(c)所示，驱动电机I18停止转动，整个交叉壁面过渡运动结束。

爬壁机器人可通过前、后部摆动轮腿机构6和升降轮腿机构7相对车架的运动来改变爬行模块1的构形，主动地适应不同曲率半径的壁面；当机器人在平直壁面上作业时，与前、后部轮式驱动模块I15和轮式驱动模块II 27固定连接的三组非接触式永磁吸附单元38的底面与壁面平行，此时非接触式永磁吸附单元38处于最佳吸附状态；当机器人在凸柱面上作业时，前、后部摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向内侧摆动，使非接触式永磁吸附单元38的底面与接触点处壁面的切平面平行，以产生足够大的吸附力，轮式驱动模块II 27相对车架上升，如图8中(a)所示；当机器人在凹柱面上作业时，前、后部摆臂16和轮式驱动模块I15相对车架向外侧摆动，使非接触式永磁吸附单元38的底面与接触点处壁面的切平面平行，以产生足够大的吸附力，轮式驱动模块II 27相对车架下降，如图8中(b)所示。

爬壁机器人可以通过前车架8、中车架9、后车架10之间的相对偏转以及升降轮腿机构7相对车架的被动运动，实现对壁面曲率变化和焊缝等凹凸不平的自动适应。

Claims (4)

1.一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，其特征是：包括爬行模块（1）、焊接操作模块（2）和控制传感模块（3），焊接操作模块（2）和控制传感模块（3）均安装于爬行模块（1）上；

爬行模块（1）包括轮腿复合移动机构（4）和永磁吸附装置（5）；

轮腿复合移动机构（4）包括车架以及与车架相连的摆动轮腿机构（6）和升降轮腿机构（7）；摆动轮腿机构（6）有两组，分别位于升降轮腿机构（7）的前后侧；

每组摆动轮腿机构（6）包括两个轮式驱动模块I （15）、两只摆臂（16）、蜗轮蜗杆机构（17）和驱动电机I （18），两个轮式驱动模块I （15）通过两只摆臂（16）固定安装于蜗轮蜗杆机构（17）的输出轴（19）的两端，驱动电机I （18）驱动蜗轮蜗杆机构（17）带动摆臂（16）和轮式驱动模块I （15）相对车架前后摆动；轮式驱动模块I （15）包括驱动轮（20）、第一蜗轮蜗杆减速器（21）和驱动电机Ⅲ（22），驱动电机Ⅲ（22）位于第一蜗轮蜗杆减速器（21）的上方，驱动轮（20）位于第一蜗轮蜗杆减速器（21）的侧方，驱动轮（20）、第一蜗轮蜗杆减速器（21）和驱动电机Ⅲ（22）连接成L型，驱动电机Ⅲ（22）驱动第一蜗轮蜗杆减速器（21）带动驱动轮（20）旋转；蜗轮蜗杆机构（17）和第一蜗轮蜗杆减速器（21）均具有自锁功能，其蜗杆头数均为1，且导程角均小于3°30′；

升降轮腿机构（7）包括两个轮式驱动模块II （27）、第一安装支架（23）、丝杆机构（24）、同步带轮机构（28）、驱动电机II（33）和连接板（29），丝杆机构（24）与第一安装支架（23）滑动连接，两个轮式驱动模块II （27）分别固定安装于丝杆机构（24）的底部两侧，同步带轮机构（28）的从动带轮安装于丝杆机构（24）的顶端，同步带轮机构（28）中的主动带轮与驱动电机II（33）连接，连接板（29）与第一安装支架（23）滑动连接；

永磁吸附装置（5）包括三组非接触式永磁吸附单元（38），分别安装于每组摆动轮腿机构（6）的两个轮式驱动模块I （15）之间和升降轮腿机构（7）的两个轮式驱动模块II （27）之间；

焊接操作模块（2）包括水平移动关节（39）、垂直移动关节（40）、仰俯关节（41）、横摆关节（42）、夹持机构（43）、焊枪（44）和线缆固定装置（45），垂直移动关节（40）与水平移动关节（39）的安装板（46）的末端固定连接，仰俯关节（41）与垂直移动关节（40）的安装板（47）固定连接，仰俯关节（41）包括旋转支架（48）、第二安装支架（53）和驱动电机Ⅴ（54），横摆关节（42）包括输出法兰（49）和驱动电机Ⅵ（55），横摆关节（42）与仰俯关节（41）的旋转支架（48）固定连接，夹持机构（43）与横摆关节（42）的输出法兰（49）固定连接，焊枪（44）与夹持机构（43）固定连接，线缆固定装置（45）与焊枪（44）的线缆连接；水平移动关节（39）与垂直移动关节（40）均包括滚珠丝杆机构（50）、驱动电机Ⅶ（51）和位于滚珠丝杆机构（50）和驱动电机Ⅶ（51）之间的第二蜗轮蜗杆减速器（52），驱动电机Ⅶ（51）与第二蜗轮蜗杆减速器（52）的蜗杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器（52）的蜗轮输出轴与滚珠丝杆机构（50）的丝杆连接，第二蜗轮蜗杆减速器（52）具有自锁功能，蜗杆头数为1，且导程角均小于3°30′；

控制传感模块（3）包括视觉传感系统和控制系统，控制系统根据视觉传感系统反馈的感知信息控制爬行模块（1）和焊接操作模块（2）的运动；

所述车架包括前车架（8）、中车架（9）和后车架（10），前车架（8）和后车架（10）分别与两组摆动轮腿机构（6）固定连接，中车架（9）与升降轮腿机构（7）固定连接；

轮腿复合移动机构（4）还包括两组被动旋转关节（11）和四组限位机构（12）；

两组被动旋转关节（11）同轴布置，前车架（8）和中车架（9）之间以及中车架（9）和后车架（10）之间分别通过被动旋转关节（11）连接，前车架（8）和中车架（9）之间以及中车架（9）和后车架（10）之间各有两组限位机构（12），限位机构（12）由薄板弹簧（13）和限位螺钉（14）组成，四个薄板弹簧（13）的一端固定在中车架（9）上，其中两个薄板弹簧（13）的另一端与前车架（8）接触，另两个薄板弹簧（13）的另一端与后车架（10）接触，限位螺钉（14）固定在中车架（9）上，其中两个位于前车架（8）的下方，另两个位于后车架（10）的下方。

2.根据权利要求1所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，其特征在于，轮式驱动模块II （27）包括驱动轮（20）、齿轮减速器（35）和驱动电机Ⅳ（36），驱动电机Ⅳ（36）和驱动轮（20）均与齿轮减速器（35）连接，驱动电机Ⅳ（36）驱动齿轮减速器（35）带动驱动轮（20）旋转。

3.根据权利要求1所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，其特征在于，升降轮腿机构（7）还包括滑块（25）、导轨（26）、直线轴承（30）、光轴（31）和组合蝶形弹簧（32），丝杆机构（24）通过滑块（25）和导轨（26）与第一安装支架（23）滑动连接，连接板（29）通过直线轴承（30）和光轴（31）与第一安装支架（23）滑动连接，丝杆机构（24）的螺母（34）固定安装于连接板（29）的中部，组合蝶形弹簧（32）套装于光轴（31）上，位于连接板（29）的上方和下方，且远离连接板（29）的一端与第一安装支架（23）接触。

4.根据权利要求1所述的一种用于焊接作业的轮腿复合爬壁机器人，其特征在于，水平移动关节（39）固定安装于中车架（9）上，垂直移动关节（40）置于中车架（9）的左侧，线缆固定装置（45）安装于中车架（9）的右侧。

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