CN206510019U - 一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业机器人技术领域，公开的一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，由移动车体平台和多自由度的连杆式机械臂组成，所述多自由度机械臂通过螺钉与移动车体平台机械式固定连接；移动车体平台包括两个相互独立的车体模块和轮式永磁吸附单元；两个相互独立的车体模块的外形与内部结构均以二者连接平面为中心呈对称布置，两个相互独立的车体模块内部均设置有电机配合同步带的传动结构，同步带的传动结构通过移两个相互独立的车体模块的前输出轴的动力传送至后输出轴上，构成整个车体移动平台为四轮四驱的运动机构；本实用新型能够实现快速拆卸与重组，实现对爬壁机器人的远程精确控制。即使在恶劣环境仍能正常作业，提高了机器人的适应性。

Description

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人

技术领域

本实用新型涉及工业机器人技术领域，特别是涉及一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其能够应用于工业机器人等领域。本发明中的连杆式机械臂和移动车体均基于模块化设计思想，移动车体与连杆式机械臂的拆卸、运输、重组方便快捷，在狭小空间运输方面有极大的优势。

背景技术

爬壁机器人可携带作业工具，协助或取代人类在壁面上完成各种极限作业。其广泛用于核工业、石化企业、造船业、建筑行业或是其他危险行业内的工作，已经越来越受到人们的重视。随着人类科学技术的不断进步以及劳动力成本的日益增加，机器人代替人工执行简单重复、危险性高、劳动强度大的任务逐渐成为一种趋势。爬壁机器人以其高效率、低成本、质量稳定等特点正在加速工业化进程，为我国国民经济的持续健康增长做出巨大贡献。随着作业难度复杂化以及作业环境危险化，亟需一种多功能爬壁机器人，其不仅可以实现操作人员在远离作业环境的情况下还能保证作业质量的多功能爬壁机器人，还能便于通过非连续性的作业区域，可实现快速拆卸与组装。

经专利检索，发现申请号为：CN201510896123.2，申请日为：2015.12.07的中国专利涉及一种柔性钢制壁面作业机器人。其由机器人本体、三自由度作业机械臂和除锈装置组成，不难发现，该装置由下列不足：（1）该装置中的可升降除锈装置仅仅具有一个升降自由度，除锈面积较少，作业效率较低；（2）该装置不具备视觉功能与测距功能。未搭载测距模块，除锈与喷漆的高度，须靠经验估摸着调节，不够精确。未搭载视觉功能，不能检测机器人作业状况，不能对机器人周边状况进行实时监测，不便于远程操作；(3)磁轮吸附单元，导磁轭铁与导磁性壁面直接接触，摩擦力不够，易出现打滑现象，恐在导磁性壁面上顺利爬行都很难实现。

发明内容

针对上述技术不足，本实用新型提供一种搭载连杆式机械臂的模块化爬壁机器人，其移动车体基于模块化设计思想，移动车体可拆分为结构相同、左右对称的两个车体模块，可实现机器人在通过非连续性的作业区域等狭小受限空间的快速拆卸与重组。吸附单元采用与传统吸附方式相比吸附效率更高、重量更轻的夹心永磁吸附。其移动方式为轮式四轮四驱的运动方式，为爬壁机器人提供稳定的驱动力。其搭载的连杆式机械臂为四自由度串联机械臂。结构简单紧凑，工作空间大、负载大等特点，能满足多种作业要求。

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，由移动车体平台和多自由度的连杆式机械臂2组成，所述多自由度机械臂2通过若干组螺钉与移动车体平台机械式固定连接；所述移动车体平台为可拆分的移动车体1，包括两个相互独立的车体模块和四组结构相同的轮式永磁吸附单元101、107、110、116；两个相互独立的车体模块的外形与内部结构均以二者连接平面为中心呈对称布置，两个相互独立的车体模块内部均设置有电机配合同步带的传动结构，同步带的传动结构通过移两个相互独立的车体模块的前输出轴的动力传送至后输出轴上，构成整个车体移动平台为两电机四轮四驱的运动机构，单侧为单台电机前后两驱动轮同速转动机构。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，两个相互独立的车体模块为对称结构的车体模块，由左车体模块和右车体模块组成，其中左车体模块由左车箱体内的左车箱体驱动电机102通过左车箱体电机驱动器、左车箱体减速器105与左车箱体前输出轴，左车箱体前输出轴通过左车箱体同步带104、左车箱体同步带轮与左车箱体后输出轴119连接构成；

所述左车箱体由左车箱体上盖板、左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体内侧盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左前端盖122、左后端盖121、构成，左车箱体上设置有左车箱体外侧把手103、左车箱体后端尾部把手120、左车箱体前端把手，左车箱体内设置有左车箱体驱动电机与减速器支撑件106、左车箱体减速器固定支座108、左车箱体电机驱动器支撑固定支架、定位块阴124、定位块阳126构成；

所述左车体模块与右车体模块内部分别设置有与外界环境接触部位动、静双密封的防尘防水装置，其中的左车体模块的动、静双密封的防尘防水装置，由左车箱体与左车箱体上盖板接触的上端面开设布置橡胶O形圈的矩形密封沟槽，与左前端盖与左后端盖连接处以输出轴为中心开设布置橡胶O形圈的环形密封沟槽，构成实现车体旋转式动、静双密封结构。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，所述定位块阳是一块通过螺纹固定安装在右车体模块底盘中部、带凸块的连接件，定位块阴是一块通过螺纹固定安装在左车体模块底盘中部、带凹槽的连接件，且定位块阴、阳上均分布有若干组竖直分布的螺纹孔。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，所述轮式永磁吸附单元101、107、110、116为夹心结构，由环形永磁体303、外侧导磁轭铁、内侧导磁轭铁、定位套308、磁轮外侧橡胶304构成，环形永磁体303通过定位套308、螺钉内嵌在外侧导磁轭铁302与内侧导磁轭铁309之间构成夹心结构，且环形永磁体303外圆柱面上覆置有增大磁轮摩擦力的磁轮外侧橡胶304。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，所述环形永磁体303为环形钕铁硼永磁体轴向充磁方式结构，所述外侧硅钢导磁轭铁302为柱状“山”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空轴，且其内侧面设置有用于配合外侧硅钢导磁轭铁侧面四个螺纹孔实现磁轮装配的四个环形阵列螺纹孔；内侧硅钢导磁轭铁309为柱状“王”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮装配与驱动的一外圆内方中空轴，其中内侧硅钢导磁轭铁309内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列孔305用于实现环形钕铁硼永磁体的拆卸维护与更换，半径较小的那一组环形阵列孔306用于通过螺钉实现外侧硅钢导磁轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309的固定与定位；

所述定位套308为非导磁性材料制成的定位元件，其一端套在外侧硅钢导磁轭铁302外圆内方轴的外圆上，另一端套在内侧硅钢导磁轭铁309外圆内方轴的外圆上，用于实现两者的径向定位，及保证两者的同轴度；

所述环形钕铁硼永磁体303内嵌在外侧硅钢导磁轭铁302与内侧硅钢导磁轭铁309之间的凹槽内，内侧与外侧硅钢导磁轭铁包裹住环形钕铁硼永磁体303侧面和圆柱面；外侧硅钢导磁轭铁302经轴端螺钉301跟磁轮驱动轴307固定在一起，外侧轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309通过各自侧面的螺纹孔经螺钉固定拧紧；磁轮外侧橡胶304包覆在外侧硅钢导磁轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309外表面上，用于避免产生包覆在永磁体上使得永磁体高温退磁的情况发生。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，所述连杆式机械臂由底座回转机构、大臂俯仰单元、小臂俯仰单元、手腕俯仰单元、图像采集装置、测距仪构成，所述连杆式机械臂为四自由度串联机械臂，其四自由度分别为机械臂绕底座的左右回转运动、以及机械臂的大臂、小臂、手腕的俯仰运动，且大臂、小臂以及手腕的转动轴线相互平行布置；所述连杆式机械臂的左右旋转为电机配合谐波减速器的传动方式，大臂、小臂、手腕为电动缸为驱动源的电动控制方式。

一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，所述图像采集装置包含主辅两套图像采集模块与测距模块，所述主图像采集装置为对车体四周环境工况实时观测的固定在机械臂底座，并能够水平360°上下各90°旋转的云台摄像机，所述辅图像采集装置为实现对末端执行器作业状况进行实时监测的固定在机械臂手腕末端的摄像机，所述测距模块为固定在机械臂手腕末端的激光测距仪，用于对机械臂作业高度的精准调整。

由于采用如上所述的技术方案，本实用新型具有如下优越性：

（1）移动车体与连杆式机械臂均基于模块化设计思想，可实现对移动车体和机械臂的快速拆卸与重组。移动车体还可拆分成两个结构相同、左右对称的独立模块。尤其在通过狭小受限的作业区域时有很大的优势。

（2）该爬壁机器人搭载图像采集设备和激光测距仪，可实现对爬壁机器人的远程精确控制。

（3）该爬壁机器人具有较好的密封性能，机器人移动车体动静双密封以及机械臂的整体密封走线设计，使得机器人内部和外部环境实现完全隔离，即使在恶劣环境（如雨天）仍能正常作业，大大的提高了机器人的适应性。

(4)机器人的具有独特的束线装置，爬壁机器人的线缆以及物料输送管道固定夹持在束线设备上，并可以跟随爬壁机器人移动车体的移动而绕其自身的转轴转动，避免了爬壁机器人在移动过程中出现缠绕线缆的情况，实现机器人在壁面的灵活爬行。

(5)其连杆式机械臂为四自由度串联机械臂，大臂小臂手腕的转动关节均平行布置，结构简单紧凑、工作空间较大。

附图说明

图1是本实用新型的整体外观轴测图；

图2是本实用新型移动车体内部结构图；

图3是本实用新型单侧车体内部视图；

图4是本实用新型位块阴结构图；

图5是本发明定位块阳结构图；

图6是连杆式机械臂整体外观轴测图；

图7是连杆式机械臂仰视图；

图8是轮式磁吸附单元整体外观轴测图；

图9是轮式磁吸附单元外侧硅钢导磁轭铁侧视图；

图10是轮式磁吸附单元内侧硅钢导磁轭铁侧视图；

图11是轮式磁吸附单元剖面图；

图中：1爬壁机器人移动车体、2连杆式机械臂、101右后磁轮吸附单元、102右车箱体驱动电机、103右车箱体外侧把手、104右车箱体同步带、105右车箱体减速器、106右车箱体电机与减速器固定支架、107右前磁轮吸附单元、108右车箱体减速器固定支架、109左车箱体减速器固定支架、110左前磁轮吸附单元、111左车箱体电机与减速器固定支架、112左车箱体减速器、113左车箱体同步带、114左车箱体外侧把手、115左车箱体驱动电机、116左后磁轮吸附单元、117左侧车箱体后输出轴、118左侧车箱体后端尾部把手、119右侧车箱体后输出轴、120右侧车箱体后端尾部把手、121右侧车箱体前同步带轮、122右侧车箱体定位块阴、123右侧车箱体后同步带轮、124左侧车箱体定位块阳、201主图像采集装置、202小臂驱动电机与减速器、203小臂电推缸、204手腕驱动电机与减速器、205手腕电推缸、206固定支架、207激光测距仪与福辅图像采集装置、208末端执行器、209手腕机架、210小臂机架、211大臂机架、212大臂电推缸、213谐波减速器上盖、214底座机架、215底座回转驱动电机罩、216束线装置、217底座回转同步小带轮、218底座回转同步带、219底座谐波减速器、220大臂俯仰电机与减速器、221底座回转同步大带轮。301磁轮驱动轴轴端螺钉、302磁吸附单元外侧硅钢导磁轭铁、303环形钕铁硼永磁体、304磁轮外侧橡胶、305内侧硅钢导磁轭铁与外侧硅钢导磁轭铁固定螺钉、306内侧硅钢导磁轭铁拆卸孔、307磁轮驱动轴、308定位套、309内侧硅钢导磁轭铁。

具体实施方式

如图1至图11所示，一种搭载连杆式机械臂的模块化爬壁机器人，其移动车体基于模块化设计思想，移动车体可拆分为结构相同、左右对称的两个车体模块，可实现机器人在通过非连续性的作业区域等狭小受限空间的快速拆卸与重组。吸附单元采用与传统吸附方式相比吸附效率更高、重量更轻的夹心永磁吸附。其移动方式为轮式四轮四驱的运动方式，为爬壁机器人提供稳定的驱动力。其搭载的连杆式机械臂为四自由度串联机械臂。结构简单紧凑，工作空间大、负载大等特点，能满足多种作业要求。

提出的一种搭载连杆式机械臂的模块化爬壁机器人，连杆式机械臂和爬壁机器人移动车体均基于模块化设计，可实现对机械臂与移动车体的快速分离与重组。其移动车体可拆分为两个左右对称、结构相同的独立模块，两模块间机械结构与电气接线相互隔离，且均具有独立的防水性能。模块化设计使得当机器人通过受限空间时有极大的优势。便于通过狭小受限空间、便于运输、组装快捷等特点极大的拓展了机器人的应用范围。其连杆式机械臂采用以电推缸为驱动源的电动控制方式，避免了液动与气动等传统驱动方式带来的零部件多、不易控制、维护困难等缺点。连杆式机械臂为四自由度串联机械臂，结构简单紧凑，工作空间较大，动作灵活，便于控制。该爬壁机器人不仅搭载了图像采集装置还配备了激光测距仪，在操作员远离作业区域的情况下，仍能实现对机器人的远程精确控制，还可对末端执行器作业情况进行实时监测与观察。该爬壁机器人磁吸附单元采用夹心结构的永磁轮式吸附方式，与现有磁吸附方式相比具有磁感线利用率高，结构简单紧凑，装配简单快捷，易于拆卸与维护等特点。

提出的一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其主要由移动车体和连杆式机械臂组成。所述移动车体主要包括两个相互独立的车体模块和四组结构相同的轮式永磁吸附单元。所述车体模块主要分为左车体模块和右车体模块，二者结构基本相同，且外形尺寸与内部结构均以二者连接平面为中心呈对称布置，其中左车体模块主要由左车箱体、左车箱体驱动电机、左车箱体电机驱动器、左车箱体减速器、左车箱体前输出轴、左车箱体同步带、左车箱体同步带轮、左车箱体后输出轴构成。

所述左车箱体主要由左车箱体上盖板、左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体内侧盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左车箱体外侧把手、左车箱体后端尾部把手、左车箱体前端把手、左车箱体驱动电机和左车箱体减速器支撑件、左车箱体减速器固定支座、左车箱体电机驱动器支撑固定支架、左前端盖、左后端盖、定位块阴与定位块阳构成。所述左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左车箱体外侧把手、左车箱体后端尾部把手和左车箱体前端把手分别布置在左车箱体四周，形成一个整体封闭式结构。所述左车箱体上盖板和左车箱体内侧盖板经螺钉固定安装在左车箱体上端面和内侧端面上。左车箱体上盖板右下角位置竖直排列有四个大小不同的防水防爆插头孔，用来实现车体整体密封式走线设计和机械与电气相隔离的功能。所述左车箱体驱动电机和左车箱体减速器支撑件经螺钉固定在左车箱体内部，形成一种笼形结构，将驱动电机和减速器放置于笼子内部，不仅能稳定的支撑驱动电机和减速器还能提高车体抗拉与抗压强度。左车箱体电机驱动器支撑固定支架经螺钉固定在左车箱体底盘内部侧面凸出部位，左车箱体电机驱动器经螺钉固定安装于左车箱体电机驱动器支撑固定支架上。左车箱体减速器固定支座上端固定在左车箱体减速器的固定法兰上，底端经螺钉固定在左车箱体驱动电机和左车箱体减速器支撑件上，用来实现左车箱体减速器的固定与定位。所述左前端盖位于左车箱体前输出轴与左车箱体侧盖板相接触的外侧位置，左后端盖位于左车箱体后输出轴与左车箱体侧盖板相接触的外侧位置，左前端盖和左后端盖跟输出轴相接触部位采用动、静双密封，从而实现将左车箱体内部和左车箱体外部环境隔离开。所述左车箱体在其与左车箱体上盖板和侧盖板接触的上端面与侧端面均开设矩形密封沟槽，在其与左前端盖与左后端盖连接处以输出轴为中心开设环形密封沟槽，当其与左车箱体上盖板、侧盖板、左前端盖和左后端盖连接时通过密封沟槽内布置的橡胶O形圈实现车体的整体静密封。在左车箱体前输出轴跟左前盖板相接触位置与左车箱体输出后轴跟左后盖板相接触位置处均开设有环形密封沟槽，用来放置橡胶O形圈，实现车体旋转式动密封。最终达到整个车体全封闭式密封的目的。

所述左车箱体后端尾部把手与左车箱体前端把手侧面位置均竖直排列有一组通孔，右车箱体后端尾部把手与右车箱体前端把手侧面位置也同样均竖直排列有一组通孔，当左右两车箱体模块拼接在一起后，位于左右车箱体前端把手和后端尾部把手上的通孔对正对齐，螺栓穿过该通孔跟螺母配合，实现左右车箱体的快速便捷拼接。在左车箱体底部盖板与左车箱体内侧盖板相接触位置的底盘中部，经螺钉安装固定有定位块阴，在右车箱体底部盖板与右车箱体内侧盖板相接触位置的底盘中部，经螺钉安装固定有定位块阳。定位块阳为一带凸起结构，定位块阴为一带凹陷结构，在定位块阳和定位块阴上均分布有三组竖直分布的螺纹孔，当定位块阳凸起部分与定位块阴凹陷部分配合在一起，左右车箱体对正组装在一起，再经螺钉将定位块阳与定位块阴拧紧。穿过把手侧面通孔的螺栓与螺母以及定位块阳与阴双重固定实现左右车箱体的快速拼接。

所述左车箱体驱动电机和左车箱体减速器固定装配在一起后，竖直布置在左车箱体驱动电机和左车箱体减速器支撑件搭建构成的笼形结构内部。左车箱体减速器固定支座为“凸”字形形状，其上端经左车箱体减速器的固定法兰孔固定在左车箱体减速器上，其底端固定在左车箱体底盖板上，实现左车箱体驱动电机和减速器的固定与定位。左车箱体前输出轴贯穿左车箱体减速器后固定安装在轴承支座上，左车箱子体输出后轴与左车箱体输出前轴平行固定在轴承支座上，左车箱体前输出轴和左车箱体后输出轴均一端固定安装左车箱体同步带轮，一端固定安装轮式永磁吸附单元，两个左车箱体同步带轮间张紧左车箱体同步带，从而将左车箱体驱动电机输出的力和力矩传递到左车箱体输出后轴上，从而实现单侧车体两磁轮的同速转动，实现整个车体的四轮四驱形式。

所述轮式永磁吸附单元主要由环形永磁体、外侧导磁轭铁、内侧导磁轭铁、定位套、磁轮外侧橡胶构成。所述环形永磁体为由强磁性材料（如钕铁硼）制备而成的环状结构，并采取了轴向充磁方式，该环形永磁体用于提供产生吸附力的强磁环境。外侧导磁轭铁为柱状“山”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空轴，且外侧导磁轭铁内侧面有四个环形阵列螺纹孔，用于配合外侧导磁轭铁侧面四个螺纹孔实现磁轮的装配。内侧导磁轭铁为柱状“王”字形结构，在其中心位置同样固定有一外圆内方中空轴，用于磁轮装配与驱动。内侧导磁轭铁内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列孔用于实现环形永磁体的拆卸与维护，半径较小的那一组环形阵列孔，用于通过螺钉实现外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁的固定与定位，外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁均由高磁导率材料（如硅钢、铁镍合金）制备而成，起到疏导聚拢磁感线的作用。所述定位套为一由非导磁性材料制成的定位元件，其一部分套在外侧导磁轭铁外圆内方轴的外圆上，顶紧外侧导磁轭铁，另一部分套在内侧导磁轭铁外圆内方轴的外圆上，用于保证外侧导磁轭铁与内侧导磁轭铁的同轴度。所述环形永磁体内嵌在外侧导磁轭铁与内侧导磁轭铁之间的凹槽内，内侧与外侧导磁轭铁包裹住环形永磁体侧面和圆柱面。外侧导磁轭铁经轴端螺钉跟磁轮驱动轴固定在一起，外侧轭铁和内侧导磁轭铁通过各自侧面的螺纹孔经螺钉固定拧紧。磁轮外侧橡胶包覆在外侧导磁轭铁和内侧导磁轭铁外表面上，避免产生包覆在永磁体上使得永磁体高温退磁的情况，磁轮外侧橡胶用来增大磁轮摩擦力，防止磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁壁面上灵活移动。该夹心式永磁吸附单元工作时，磁感线从环形永磁体N极流出，经过外侧导磁轭铁的聚拢后，穿过导磁性壁面，流经内侧导磁轭铁，最后流回环形永磁体S极，形成了闭合磁感线回路，提高了磁感线利用率，增大了爬壁机器人在导磁壁面上的吸附力。防止磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁壁面上灵活移动。

所述连杆式机械臂为四自由度串联机械臂，其四自由度分别为底座回转运动以及大臂、小臂、手腕的俯仰运动，大臂、小臂以及手腕的转动轴线相互平行布置。所述连杆式机械臂主要由底座回转机构、大臂俯仰单元、小臂俯仰单元、手腕俯仰单元、图像采集装置、测距仪构成。

所述底座回转机构主要由底座基架、底座驱动电机、底座同步带、底座同步带轮、底座谐波减速器、谐波减速器上盖以及束线装置构成。底座驱动电机的法兰经螺钉固定在底座基架上表面右下角位置，位于底座基架内部的底座同步带轮经键固定安装在底座驱动电机输出轴上，底座谐波减速器固定安装在基座上表面中前部，底座谐波减速器输入轴与基座内部的底座同步带轮连接在一起。两个底座同步带轮间张紧底座同步带，从而实现将底座驱动电机的输出轴的力和力矩传递到底座谐波减速器输出轴上，谐波减速器上盖固定安装在底座谐波减速器输出法兰上，谐波减速器上盖跟连杆机械臂连接，从而实现了整个机械臂绕底座的回转运动；束线装置主要由上压盖和下压盖构成，束线装置固定安装在底座驱动电机的顶部，上压盖一端与下压盖一端靠转轴固定连接在一起，形成类似合页性质的开合机构，上、下压盖的另一端靠蝶形螺母实现上下压盖将线缆以及物料输送管道压紧。

大臂单元主要由大臂机架、大臂驱动电机、大臂减速器、大臂电推缸构成。大臂机架由两块肋板经铜套转轴拼接在一起，大臂机架首端固定安装在谐波减速器上盖顶端并可绕该固定端做俯仰运动。大臂驱动电机和大臂减速器安装在大臂电推缸上，三者作为大臂俯仰运动的驱动源侧装在大臂机架的正下方位置，大臂电推缸耳朵固定安装在谐波减速器上盖侧面位置，大臂电推缸推杆固定安装在大臂机架末端，从而实现大臂绕底座谐波减速器的俯仰运动。

小臂的俯仰运动基于杠杆原理，其主要包括小臂机架、小臂驱动电机、小臂减速器、小臂电推缸。小臂驱动电机和小臂减速器安装在小臂电推缸上，三者作为小臂俯仰运动的驱动源侧装在大臂机架两肋板之间，小臂电推缸耳朵经铜套转轴固定安装在大臂机架两肋板首部，小臂电推缸的推杆固定在小臂机架的首端，大臂机架末端固定在小臂首端略靠后位置，并以该点为支点。从而实现小臂的俯仰运动。

手腕俯仰运动同样基于杠杆原理，其主要由手腕机架、手腕驱动电机、手腕减速器、手腕电推缸。该杠杆运动中驱动源与支点的布置形式于跟小臂俯仰运动中驱动源与支点的布置形式相同。手腕机架同样由两块肋板组成，手腕驱动电机和手腕减速器安装在手腕电推缸上，三者作为小臂俯仰运动的驱动源，安装在小臂机架两肋板之间，手腕电推缸耳朵经铜套转轴固定在小臂机架两肋板首部位置，手腕电推缸耳朵经铜套转轴固定安装在小臂机架两肋板首部，手腕电推缸推杆固定在小臂机架的首端，小臂机架末端固定在手腕首端略靠后位置，并以该点为支点。从而实现手腕的俯仰运动。

所述图像采集设备包括主、辅两套图像采集摄像机。所述主图像采集摄像机为含有可控云台的高清网络摄像机，该摄像机安装固定在底座基架的左下角位置。实现对移动车体和机械臂周边情况的全方位实时观测。辅摄像机为一高清网络摄像机，其与激光测距仪一起安装固定在一个密闭防水小盒内，该小盒安装在手腕机架的正上方，辅摄像机可实现对末端执行器的作业情况一目了然。所述激光测距仪安装固定在手腕机架正上方的密闭小盒内，激光测距仪发出的激光束照射在工作平台上，能够对机械臂作业高度进行实时测量，确保机械臂在合适的位置作业。图像采集装置和激光测距仪相互独立的安装在机械臂上，图像采集装置和激光测距仪可实现对爬壁机器人的远程控制，即使操作人员远离爬壁机器人，同样可以保证机器人在合适的位置以及合适的工作高度开展作业，大大拓展了机器人的应用范围。

提出的一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其主要由移动车体1和连杆式机械臂2组成。所述移动车体1主要包括两个相互独立的车体模块和四组结构相同的轮式永磁吸附单元101、107、110、116。所述车体模块主要分为左车体模块和右车体模块，二者结构基本相同，且外形尺寸与内部结构均以二者连接平面为中心呈对称布置，其中左车体模块主要由左车箱体、左车箱体驱动电机102、左车箱体电机驱动器、左车箱体减速器105、左车箱体前输出轴、左车箱体同步带104、左车箱体同步带轮、左车箱体后输出轴119构成。

所述左车箱体主要由左车箱体上盖板、左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体内侧盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左车箱体外侧把手103、左车箱体后端尾部把手120、左车箱体前端把手、左车箱体驱动电机与减速器支撑件106、左车箱体减速器固定支座108、左车箱体电机驱动器支撑固定支架、左前端盖122、左后端盖121、定位块阴124、定位块阳126构成。所述左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左车箱体外侧把手103、左车箱体后端尾部把手120、左车箱体前端把手分别布置在左车箱体四周，形成一个整体半封闭式结构。所述左车箱体上盖板和左车箱体内侧盖板经螺钉固定安装在左车箱体上端面和内侧端面上。左车箱体上盖板右下角位置竖直排列有四个大小不同的防水防爆插头孔，用来实现车体整体密封式走线设计和机械与电气相隔离的功能。所述左车箱体驱动电机与减速器支撑件106经螺钉固定在左车箱体内部，形成一种笼形结构，将左车箱体驱动电机和减速器106放置于笼子内部，不仅能稳定的支撑驱动电机和减速器还能提高车体抗拉与抗压强度。左车箱体电机驱动器支撑固定支架经螺钉固定在左车箱体底盘内部侧面凸出部位，左车箱体电机驱动器经螺钉固定安装于左车箱体电机驱动器支撑固定支架上。左车箱体减速器固定支座108上端固定在左车箱体减速器105的固定法兰上，底端经螺钉固定在左车箱体驱动电机与减速器支撑件106上，用来实现左车箱体减速器的固定与定位。所述左前端盖122位于左车箱体前输出轴与左车箱体侧盖板相接触的外侧位置，左后端盖121位于左车箱体后输出轴119与左车箱体侧盖板相接触的外侧位置，左前端盖122和左后端盖121跟输出轴相接触部位采用动、静双密封，从而实现将左车箱体内部和左车箱体外部环境隔离开。所述左车箱体在其与左车箱体上盖板和侧盖板接触的上端面与侧端面均开设矩形密封沟槽，在其与左前端盖与左后端盖连接处以输出轴为中心开设环形密封沟槽，当其与左车箱体上盖板、侧盖板、左前端盖和左后端盖连接时通过密封沟槽内布置的橡胶O形圈实现车体的整体静密封。在左车箱体前输出轴跟左前盖板相接触位置与左车箱体输出后轴跟左后盖板相接触位置处均开设有环形密封沟槽，用来放置橡胶O形圈，实现车体旋转式动密封。最终达到整个车体全封闭式密封的目的。

所述左车箱体后端尾部把手120与左车箱体前端把手侧面位置均竖直排列有一组通孔，右车箱体后端尾部把手118与右车箱体前端把手侧面位置也同样均竖直排列有一组通孔，当左右两车箱体模块拼接在一起后，位于左右车箱体前端把手和后端尾部把手上的通孔对正对齐，螺栓穿过该通孔跟螺母配合，实现左右车箱体的快速便捷拼接。在左车箱体底部盖板与左车箱体内侧盖板相接触位置的底盘中部，经螺钉安装固定有定位块阴124，在右车箱体底部盖板与右车箱体内侧盖板相接触位置的底盘中部，经螺钉安装固定有定位块阳126。定位块阳126为一带凸起结构，定位块阴124为一带凹陷结构，在定位块阳126和定位块阴124上均分布有三组竖直分布的螺纹孔，当定位块阳126凸起部分与定位块阴124凹陷部分配合在一起，左右车箱体对正组装在一起，再经螺钉将定位块阳126与定位块阴124拧紧。穿过把手侧面通孔的螺栓与螺母以及定位块双重固定实现左右车箱体的快速拼接。

所述左车箱体驱动电机102和左车箱体减速器105固定装配在一起后，竖直布置在左车箱体驱动电机与减速器支撑件106搭建构成的笼形结构内部。左车箱体减速器固定支座108为“凸”字形形状，其上端经左车箱体减速器105的固定法兰孔固定在左车箱体减速器105上，其底端固定在左车箱体底盖板上，实现左车箱体驱动电机和减速器的固定与定位。左车箱体前输出轴贯穿左车箱体减速器后固定安装在轴承支座上，左车箱子体输出后轴119与左车箱体输出前轴平行固定在轴承支座上，左车箱体前输出轴和左车箱体后输出轴119均一端固定安装左车箱体同步带轮123与125，一端固定安装轮式永磁吸附单元101与107，两个左车箱体同步带轮123与125间张紧左车箱体同步带104，从而将左车箱体驱动电机102输出的力和力矩传递到左车箱体输出后轴119上，从而实现单侧车体两磁轮的同速转动，实现整个车体的四轮四驱形式。

所述轮式永磁吸附单元主要由环形钕铁硼永磁体303、外侧硅钢导磁轭铁302、内侧硅钢导磁轭铁309、定位套308、磁轮外侧橡胶304构成。所述环形钕铁硼永磁体303采取轴向充磁方式，用于提供产生吸附力的强磁环境。外侧硅钢导磁轭铁302为柱状“山”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空轴，且其内侧面有四个环形阵列螺纹孔，用于配合外侧硅钢导磁轭铁侧面四个螺纹孔实现磁轮的装配。内侧硅钢导磁轭铁309为柱状“王”字形结构，在其中心位置同样固定有一外圆内方中空轴，用于磁轮装配与驱动。内侧硅钢导磁轭铁309内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列孔305用于实现环形钕铁硼永磁体的拆卸维护与更换，半径较小的那一组环形阵列孔306用于通过螺钉实现外侧硅钢导磁轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309的固定与定位。所述定位套308为一由非导磁性材料制成的定位元件，装配时其一端套在外侧硅钢导磁轭铁302外圆内方轴的外圆上，另一端套在内侧硅钢导磁轭铁309外圆内方轴的外圆上，实现两者的径向定位，保证了两者的同轴度。环形钕铁硼永磁体303内嵌在外侧硅钢导磁轭铁302与内侧硅钢导磁轭铁309之间的凹槽内，内侧与外侧硅钢导磁轭铁包裹住环形钕铁硼永磁体303侧面和圆柱面。外侧硅钢导磁轭铁302经轴端螺钉301跟磁轮驱动轴307固定在一起，外侧轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309通过各自侧面的螺纹孔经螺钉固定拧紧。磁轮外侧橡胶304包覆在外侧硅钢导磁轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁309外表面上，避免产生包覆在永磁体上使得永磁体高温退磁的情况，磁轮外侧橡胶304用来增大磁轮摩擦力，防止磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁壁面上灵活移动。该夹心式永磁吸附单元工作时，磁感线从环形钕铁硼永磁体303N极流出，经过外侧硅钢导磁轭铁302的聚拢后，穿过导磁性壁面，流经内侧硅钢导磁轭铁309，最后流回环形钕铁硼永磁体303S极，形成了闭合磁感线回路，提高了磁感线利用率，增大了爬壁机器人在导磁壁面上的吸附力。防止磁轮在转动过程中出现打滑现象，实现爬壁机器人在导磁壁面上灵活移动。

所述连杆式机械臂2为四自由度串联机械臂，其四自由度分别为机械臂绕底座的回转运动以及大臂、小臂、手腕的俯仰运动。大臂、小臂以及手腕的转动轴线相互平行布置。连杆式机械臂2主要由底座回转机构、大臂俯仰单元、小臂俯仰单元、手腕俯仰单元、图像采集装置、测距仪构成。

所述底座回转机构主要由底座基架214、底座驱动电机、底座同步带218、底座回转同步小带轮217、底座回转同步大带轮221、底座谐波减速器219、谐波减速器上盖213以及束线装置216构成。底座驱动电机的法兰经螺钉固定在底座基架214上表面右下角位置，位于底座基架214内部的底座回转同步小带轮217经键固定安装在底座驱动电机输出轴上，底座谐波减速器219固定安装在基座机架214上表面中前部，底座谐波减速器219输入轴与基座内部的底座回转同步大带轮221连接在一起。两个底座回转同步带轮217与221间张紧底座同步带218，从而实现将底座驱动电机的输出轴的力和力矩传递到底座谐波减速器219输出轴上，谐波减速器上盖213固定安装在底座谐波减速器219输出法兰上，谐波减速器上盖213跟连杆机械臂2连接，从而实现了整个机械臂绕底座的回转运动；束线装置216主要由上压盖和下压盖构成，束线装置216固定安装在底座驱动电机罩215的顶部，上压盖一端与下压盖一端靠转轴固定连接在一起，形成类似合页性质的开合机构，上、下压盖的另一端靠蝶形螺母实现上下压盖将线缆以及物料输送管道压紧。

大臂单元主要由大臂机架211、大臂驱动电机与减速器、大臂电推缸212构成。大臂机架211由两块肋板经铜套转轴拼接而成，大臂机架211首端固定安装在谐波减速器上盖213顶端并可绕该固定端做俯仰运动。大臂驱动电机与减速器安装在大臂电推缸212上，三者作为大臂俯仰运动的驱动源侧装在大臂机架211的正下方位置，大臂电推缸213耳朵固定安装在谐波减速器上盖213侧面位置，大臂电推缸212推杆固定安装在大臂机架211末端，从而实现大臂绕底座谐波减速器的俯仰运动。

小臂的俯仰运动基于杠杆原理，其主要包括小臂机架210、小臂驱动电机与减速器202、小臂电推缸203。小臂驱动电机与减速器202安装在小臂电推缸203上，三者作为小臂俯仰运动的驱动源侧装在大臂机架211两肋板之间，小臂电推缸203耳朵经铜套转轴固定安装在大臂机架211两肋板首部，小臂电推缸203推杆固定在小臂机架210的首端，大臂机架211末端固定在小臂机架210首端略靠后位置，并以该点为支点。从而实现小臂的俯仰运动。

手腕俯仰运动同样基于杠杆原理，其主要由手腕机架209、手腕驱动电机与减速器204、手腕电推缸205。该杠杆运动中驱动源与支点的布置形式于跟小臂俯仰运动中驱动源与支点的布置形式相同。手腕机架209同样由两块肋板组成，手腕驱动电机与减速器204侧装在手腕电推缸205上，三者作为小臂俯仰运动的驱动源，安装在小臂机架210两肋板之间，手腕电推缸205耳朵经铜套转轴固定在小臂机架210两肋板首部位置，手腕电推缸205的推杆固定在小臂机架210的首端，小臂机架210末端固定在手腕机架209首端略靠后位置，并以该点为支点。从而实现手腕的俯仰运动。

所述图像采集设备包括主、辅两套图像采集摄像机。所述主图像采集摄像机201为含有可控云台的高清网络摄像机，该摄像机安装固定在底座基架214的左下角位置。实现对移动车体和机械臂周边情况的全方位实时观测。辅摄像机为一高清网络摄像机，其与激光测距仪一起安装固定在一个密闭防水小盒内207，该小盒207安装在手腕机架209的正上方，辅摄像机可实现对末端执行器208作业情况一目了然。所述激光测距仪安装固定在手腕机架正上方的密闭小盒207内，激光测距仪发出的激光束照射在工作平台上，能够对机械臂作业高度进行实时测量，确保机械臂在合适的位置作业。图像采集装置和激光测距仪相互独立的安装在机械臂上，图像采集装置和激光测距仪可实现对爬壁机器人的远程控制，即使操作人员远离爬壁机器人，同样可以保证机器人在合适的位置以及合适的工作高度开展作业，大大拓展了机器人的应用范围。

Claims (7)

1.一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：由移动车体平台和多自由度的连杆式机械臂2组成，所述多自由度机械臂2通过若干组螺钉与移动车体平台机械式固定连接；所述移动车体平台为可拆分的移动车体1，包括两个相互独立的车体模块和四组结构相同的轮式永磁吸附单元（101、107、110、116）；两个相互独立的车体模块的外形与内部结构均以二者连接平面为中心呈对称布置，两个相互独立的车体模块内部均设置有电机配合同步带的传动结构，同步带的传动结构通过移两个相互独立的车体模块的前输出轴的动力传送至后输出轴上，构成整个车体移动平台为两电机四轮四驱的运动机构，单侧为单台电机前后两驱动轮同速转动机构。

2.如权利要求1所述一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：两个相互独立的车体模块为对称结构的车体模块，由左车体模块和右车体模块组成，其中左车体模块由左车箱体内的左车箱体驱动电机（102）通过左车箱体电机驱动器、左车箱体减速器（105）与左车箱体前输出轴，左车箱体前输出轴通过左车箱体同步带（104）、左车箱体同步带轮与左车箱体后输出轴（119）连接构成；

所述左车箱体由左车箱体上盖板、左车箱体外侧盖板、左车箱体底部盖板、左车箱体内侧盖板、左车箱体前端盖板、左车箱体后端尾部盖板、左前端盖（122）、左后端盖（121）、构成，左车箱体上设置有左车箱体外侧把手（103）、左车箱体后端尾部把手（120）、左车箱体前端把手，左车箱体内设置有左车箱体驱动电机与减速器支撑件（106）、左车箱体减速器固定支座（108）、左车箱体电机驱动器支撑固定支架、定位块阴（124）、定位块阳（126）构成；

所述左车体模块与右车体模块内部分别设置有与外界环境接触部位动、静双密封的防尘防水装置，其中的左车体模块的动、静双密封的防尘防水装置，由左车箱体与左车箱体上盖板接触的上端面开设布置橡胶O形圈的矩形密封沟槽，与左前端盖与左后端盖连接处以输出轴为中心开设布置橡胶O形圈的环形密封沟槽，构成实现车体旋转式动、静双密封结构。

3.如权利要求2所述一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：所述定位块阳是一块通过螺纹固定安装在右车体模块底盘中部、带凸块的连接件，定位块阴是一块通过螺纹固定安装在左车体模块底盘中部、带凹槽的连接件，且定位块阴、阳上均分布有若干组竖直分布的螺纹孔。

4.如权利要求2所述一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：所述轮式永磁吸附单元（101、107、110、116）为夹心结构，由环形永磁体（303）、外侧导磁轭铁、内侧导磁轭铁、定位套（308）、磁轮外侧橡胶（304）构成，环形永磁体（303）通过定位套（308）、螺钉内嵌在外侧导磁轭铁（302）与内侧导磁轭铁（309）之间构成夹心结构，且环形永磁体（303）外圆柱面上覆置有增大磁轮摩擦力的磁轮外侧橡胶（304）。

5.如权利要求4所述一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：所述环形永磁体（303）为环形钕铁硼永磁体轴向充磁方式结构，所述外侧硅钢导磁轭铁（302）为柱状“山”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮驱动与装配的外圆内方中空轴，且其内侧面设置有用于配合外侧硅钢导磁轭铁侧面四个螺纹孔实现磁轮装配的四个环形阵列螺纹孔；内侧硅钢导磁轭铁（309）为柱状“王”字形结构，在其中心位置固定有用于磁轮装配与驱动的一外圆内方中空轴，其中内侧硅钢导磁轭铁309内侧面有两组半径不同的环形阵列孔，半径较大的那一组环形阵列孔（305）用于实现环形钕铁硼永磁体的拆卸维护与更换，半径较小的那一组环形阵列孔（306）用于通过螺钉实现外侧硅钢导磁轭铁302和内侧硅钢导磁轭铁（309）的固定与定位；

所述定位套（308）为非导磁性材料制成的定位元件，其一端套在外侧硅钢导磁轭铁（302）外圆内方轴的外圆上，另一端套在内侧硅钢导磁轭铁（309）外圆内方轴的外圆上，用于实现两者的径向定位，及保证两者的同轴度；

所述环形钕铁硼永磁体（303）内嵌在外侧硅钢导磁轭铁（302）与内侧硅钢导磁轭铁（309）之间的凹槽内，内侧与外侧硅钢导磁轭铁包裹住环形钕铁硼永磁体（303）侧面和圆柱面；外侧硅钢导磁轭铁（302）经轴端螺钉（301）跟磁轮驱动轴（307）固定在一起，外侧轭铁（302）和内侧硅钢导磁轭铁（309）通过各自侧面的螺纹孔经螺钉固定拧紧；磁轮外侧橡胶（304）包覆在外侧硅钢导磁轭铁（302）和内侧硅钢导磁轭铁（309）外表面上，用于避免产生包覆在永磁体上使得永磁体高温退磁的情况发生。

6.如权利要求1所述一种搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征是：所述连杆式机械臂由底座回转机构、大臂俯仰单元、小臂俯仰单元、手腕俯仰单元、图像采集装置、测距仪构成，所述连杆式机械臂为四自由度串联机械臂，其四自由度分别为机械臂绕底座的左右回转运动、以及机械臂的大臂、小臂、手腕的俯仰运动，且大臂、小臂以及手腕的转动轴线相互平行布置；所述连杆式机械臂的左右旋转为电机配合谐波减速器的传动方式，大臂、小臂、手腕为电动缸为驱动源的电动控制方式。

7.如权利要求6所述搭载连杆式机械臂的爬壁机器人，其特征在于：所述图像采集装置包含主辅两套图像采集模块与测距模块，所述主图像采集装置为对车体四周环境工况实时观测的固定在机械臂底座，并能够水平360°上下各90°旋转的云台摄像机，所述辅图像采集装置为实现对末端执行器作业状况进行实时监测的固定在机械臂手腕末端的摄像机，所述测距模块为固定在机械臂手腕末端的激光测距仪。