專(zhuān)利名稱(chēng)：具有同軸安裝的螺旋彈簧裝置的機(jī)器人臂的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人臂，并尤其涉及具有一個(gè)或多個(gè)可控制節(jié)段的機(jī)器人 臂，節(jié)段包括多個(gè)鏈節(jié)，每個(gè)鏈節(jié)相對(duì)于其相鄰鏈節(jié)關(guān)節(jié)連接由此使每個(gè)節(jié)段 能夠彎曲。
背景技術(shù)：
我們的共同待審查申請(qǐng)WO02/016995描述了這種臂并要求對(duì)其的保護(hù)， 其內(nèi)容以參見(jiàn)的方式納入本文。該臂具有適于承載用于在某場(chǎng)所進(jìn)行作業(yè)或 檢測(cè)的工具或檢測(cè)構(gòu)件的作業(yè)頭，以及用于作業(yè)頭的操作控制的操作裝置。該 臂適于能夠以"末端遵循(tip following)"方式到達(dá)該場(chǎng)所以將作業(yè)頭設(shè)置在 所要求的操作位置。這使用控制各臂節(jié)段相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)的位置和/或姿態(tài)的控 制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此使臂能夠遵循和適應(yīng)預(yù)定路徑。
這種類(lèi)型的機(jī)器人臂可稱(chēng)為"蛇臂"，因?yàn)樗鼈兡軌蜓仄渥陨黹L(zhǎng)度縱向前 進(jìn)，因此能夠遵循蜿蜒的路徑。其優(yōu)點(diǎn)是這種類(lèi)型的臂可用于通往作業(yè)場(chǎng)所 的通路受到嚴(yán)格限制的環(huán)境。
例如，在某些這種蛇臂中，可精確控制各節(jié)段內(nèi)鏈節(jié)的關(guān)節(jié)連接以使臂能 夠遵循盤(pán)旋的路徑以將作業(yè)工具引導(dǎo)到例如機(jī)器內(nèi)或人體內(nèi)腔中的受限進(jìn)入 路徑內(nèi)。
但是，這種構(gòu)造要求精確制造每個(gè)部件以使各對(duì)鏈節(jié)之間關(guān)節(jié)部位處的摩 擦損失最小。在多鏈節(jié)分段臂中，這些摩擦損失增加，且在操縱臂時(shí)所要克 服的總體摩擦損失可能相當(dāng)大。因此需要一種其部件的制造相對(duì)簡(jiǎn)易且摩擦 損失顯著降低的裝置。 '
在構(gòu)成WO02/016995的主題的臂中，各節(jié)段通過(guò)終止于節(jié)段遠(yuǎn)端的被驅(qū) 動(dòng)控制纜線來(lái)控制。設(shè)置彈簧以將各鏈節(jié)偏置抵抗由控制纜線所施加的壓縮 力以降低摩擦。盡管成功實(shí)現(xiàn)其目的，但這更增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性并因此增
加了制造復(fù)雜度和成本。
我們的共同待審査申請(qǐng)WO02/100608中提出了另一種方法，其內(nèi)容也以 參見(jiàn)的方式納入本文，該方法省去彈簧并改為將粘結(jié)到或鍵入構(gòu)成關(guān)節(jié)的兩構(gòu) 件的一層橡膠或彈性體材料插入節(jié)段內(nèi)相鄰的鏈節(jié)之間，橡膠提供產(chǎn)生接頭的 "剛度"所必需的彈性剪切能力。盡管該設(shè)置顯著地令人滿(mǎn)意，但它同樣增 加構(gòu)造的復(fù)雜度。
本申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用互連到節(jié)段內(nèi)各個(gè)鏈節(jié)串的至少一個(gè)彈簧，可 產(chǎn)生在可制造性方面、增加軸向載荷和抗扭剛度方面，以及實(shí)際上增加所得臂 性能的選項(xiàng)方面的顯著優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種機(jī)器人臂，包括-多個(gè)縱向節(jié)段，所述 縱向節(jié)段端到端延伸以限定臂的縱向軸線，其中各個(gè)節(jié)段包括多個(gè)鏈節(jié)，各個(gè) 鏈節(jié)能夠相對(duì)彼此關(guān)節(jié)連接；用于節(jié)段的致動(dòng)裝置，該致動(dòng)裝置通過(guò)節(jié)段的 各鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接致使或允許節(jié)段彎曲來(lái)控制節(jié)段的形狀；以及控制裝 置，該控制裝置用于控制致動(dòng)裝置以致使或允許不同節(jié)段沿臂采取不同的或相 關(guān)的形狀以限定臂的所要求的空間姿態(tài)；其特點(diǎn)是，螺旋彈簧裝置與臂同軸 安裝并與節(jié)段內(nèi)的鏈節(jié)配合，從而致使或允許鏈節(jié)傾向于初始基準(zhǔn)位置，并在 節(jié)段的各鏈節(jié)之間分配所述關(guān)節(jié)連接(articulation)。
在節(jié)段內(nèi)的各鏈節(jié)由諸如控制纜線之類(lèi)的致動(dòng)裝置保持受壓縮的情況下， 彈簧裝置可設(shè)置成對(duì)節(jié)段內(nèi)的鏈節(jié)施加拉力以降低各鏈節(jié)之間的摩擦，同時(shí)保 持節(jié)段的扭轉(zhuǎn)剛度。
或者，彈簧裝置可設(shè)置成保持各鏈節(jié)受壓縮以降低致動(dòng)裝置中的負(fù)載并將 臂保持在一起。在該情況下，即使致動(dòng)裝置不對(duì)各鏈節(jié)施加負(fù)載，臂也可保 持其形狀。
彈簧裝置可包括單個(gè)彈簧，該彈簧互連到節(jié)段內(nèi)的各鏈節(jié)?；蛘?，可采 用多個(gè)彈簧，各個(gè)彈簧可操作地與節(jié)段內(nèi)的各個(gè)鏈節(jié)互連。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于機(jī)器人臂或蛇臂的節(jié)段的鏈節(jié)組 件，該組件包括沿臂的縱向設(shè)置的多個(gè)鏈節(jié)，各個(gè)鏈節(jié)適于相對(duì)彼此作有限運(yùn)
動(dòng)，各個(gè)所述鏈節(jié)相對(duì)于所述彈簧裝置固定，該設(shè)置使得所述彈簧裝置可通過(guò) 彎曲變形。
在本發(fā)明的另一方面，彈簧裝置可以是延伸節(jié)段整個(gè)長(zhǎng)度的單個(gè)彈簧，各 個(gè)鏈節(jié)可選地固定地附連到該彈簧上。更具體地說(shuō)，彈簧裝置可以是螺旋彈 簧。各個(gè)鏈節(jié)可附連到彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)上。各個(gè)鏈節(jié)可附連到該彈簧使得相 鄰鏈節(jié)偏置分開(kāi)。螺旋彈簧可圍繞節(jié)段的鏈節(jié)組件設(shè)置在外部。
在替代實(shí)施例中，彈簧裝置可設(shè)置在鏈節(jié)組件內(nèi)部。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解，可使用彈簧的各種組合，可在鏈節(jié)外部提供多個(gè)彈簧以提供對(duì)臂的 有效包覆，或可提供內(nèi)部彈簧和外部彈簧的組合，各個(gè)彈簧的特征選擇成對(duì)臂 賦予預(yù)定特征。因此，例如通過(guò)選擇彈簧或多個(gè)彈簧的適當(dāng)組合，臂更易于 適用于最終采用臂的特定目的。
彈簧通常用于拉伸或壓縮。在本發(fā)明的一個(gè)方面，各鏈節(jié)的設(shè)置和各鏈 節(jié)的連接限制彈簧使得其僅可彎曲以形成弧形。各鏈節(jié)可通過(guò)適當(dāng)?shù)难b置附 連到彈簧，諸如使用粘合劑或者通過(guò)夾件或銷(xiāo)或者通過(guò)焊接或者通過(guò)機(jī)械鍵裝 置。
在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，各鏈節(jié)可設(shè)有配合裝置，以使各鏈節(jié)能夠相繼 旋轉(zhuǎn)地與彈簧配合。此外，各鏈節(jié)設(shè)計(jì)成具有位于螺旋結(jié)構(gòu)上的溝槽或一組 齒，以與彈簧配合。
在本發(fā)明的另一方面，彈簧的空載節(jié)距比鏈節(jié)上配合裝置的節(jié)距稍長(zhǎng)或稍 短，使得當(dāng)各鏈節(jié)相繼旋轉(zhuǎn)地與彈簧配合時(shí)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置成彈簧將相鄰鏈節(jié)推 壓分開(kāi)或推壓在一起。如果鏈節(jié)被推壓分開(kāi)，這降低相鄰鏈節(jié)之間界面處的 任何施加的壓縮荷載。如果推壓在一起，這有助于確保使用期間各鏈節(jié)正確 地配合。如果過(guò)大的力使各鏈節(jié)脫開(kāi)，彈簧會(huì)使各鏈節(jié)在去除力時(shí)再配合， 使得臂可從損壞中恢復(fù)。
可設(shè)置端帽裝置以與節(jié)段的第一和最后鏈節(jié)配合并與彈簧配合，以確保所 述鏈節(jié)能夠相對(duì)于彈簧轉(zhuǎn)動(dòng)。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，節(jié)段內(nèi)相鄰鏈節(jié)可相對(duì)于彼此關(guān)節(jié)連接，使得節(jié) 段以緊串的珠列的方式彎曲。關(guān)節(jié)裝置可以是本領(lǐng)域的技術(shù)人員己知的任何 適合的技術(shù)。但是這種關(guān)節(jié)裝置應(yīng)當(dāng)較佳地能沿節(jié)段提供服務(wù)且用于提供節(jié)
段的關(guān)節(jié)連接和控制裝置。
該關(guān)節(jié)裝置還限制相鄰鏈節(jié)之間的自由度，從而將各節(jié)段的變形模式限制 成響應(yīng)于致動(dòng)裝置的操作僅作弧形彎曲。
在本發(fā)明的一方面，關(guān)節(jié)可以是簡(jiǎn)單的球窩接頭，其使各節(jié)段能夠相對(duì)于 彼此彎曲。關(guān)節(jié)可包含用于將一鏈節(jié)相對(duì)于另一鏈節(jié)固定的裝置。在替代實(shí) 施例中，可省略該固定裝置并通過(guò)所述彈簧裝置和/或通過(guò)拉力裝置保持節(jié)段 內(nèi)的各鏈節(jié)。
相鄰鏈節(jié)沿彈簧的螺旋結(jié)構(gòu)的附連點(diǎn)的間距顯著地影響完成的臂的靈活 性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，螺旋結(jié)構(gòu)相對(duì)于節(jié)段的縱向軸線的傾斜度 與完成的臂產(chǎn)生的靈活性之間存在一定的關(guān)系。
一般而言，較佳的是，在相鄰鏈節(jié)上的附連點(diǎn)之間有彈簧螺旋結(jié)構(gòu)的大約
一個(gè)或多個(gè)完整的繞圈或線匝。縮短它，導(dǎo)致臂彎曲能力降低；加長(zhǎng)它，則增 加可能的靈活性。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還會(huì)理解，如果基本上少于一個(gè)完整彈 簧線匝或繞圈在相鄰鏈節(jié)之間自由運(yùn)動(dòng)，則螺旋結(jié)構(gòu)可能受到過(guò)度限制且可能 經(jīng)受比至少一個(gè)完整的彈簧線圈在相鄰鏈節(jié)上附連點(diǎn)之間自由移動(dòng)的情況要 高的應(yīng)力。
通過(guò)采用沿其長(zhǎng)度具有不同節(jié)距的彈簧裝置可賦予節(jié)段以可變的拉伸或 壓縮特性，從而在鏈節(jié)一旦插入時(shí)改變彈簧內(nèi)的預(yù)拉力或預(yù)壓縮力?；蛘?， 彈簧可以具有恒定的節(jié)距，且鏈節(jié)上的配合裝置的節(jié)距可以不同，以在一旦鏈
節(jié)插入時(shí)改變彈簧內(nèi)的預(yù)拉力。預(yù)拉力或預(yù)壓縮力的這種變化可用于便利相 鄰鏈節(jié)之間關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明提供用于以上公認(rèn)的我們的現(xiàn)有申請(qǐng)中所述的臂的控制裝置，這些 申請(qǐng)的說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容以參見(jiàn)的方式納入本文。
在典型的實(shí)施例中，可設(shè)置三根線來(lái)控制各個(gè)節(jié)段。各根線附連到致動(dòng) 器并從節(jié)段的一端延伸到另一端，由此操作致動(dòng)器來(lái)改變線中相對(duì)彼此的拉 力，致使或允許鏈節(jié)彎曲，由此控制節(jié)段的運(yùn)動(dòng)和形狀。線之間施加不同的 拉力致使或允許節(jié)段移動(dòng)或彎曲。用于致動(dòng)器的控制裝置可包括軟件以致使 或允許臂以預(yù)定方式運(yùn)動(dòng)。
在本發(fā)明的另一方面，機(jī)器人臂可具有一個(gè)連續(xù)的彈簧?；蛘?，各節(jié)段
可具有不同特征的分開(kāi)的彈簧。
在本發(fā)明的另一特征中，可設(shè)置與第一彈簧同心的第二彈簧并將使保持受 拉或受壓，從而各鏈節(jié)受到第一彈簧和第二彈簧兩者的限制。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，可使用一個(gè)以上的彈簧。在特定方面，可使 用相同直徑的三個(gè)彈簧，使各個(gè)鏈節(jié)通過(guò)例如穿過(guò)彈簧上孔的簡(jiǎn)單銷(xiāo)附連到所 有三個(gè)彈簧上。
在另一實(shí)施例中，可使用相同直徑的三個(gè)或以上彈簧，使各個(gè)鏈節(jié)通過(guò)本 文所述的任何裝置附連到所有彈簧上。在另一實(shí)施例中，可使用兩個(gè)或多個(gè) 不同旋向的彈簧或相等直徑彈簧的彈簧組的組合，各個(gè)鏈節(jié)附連到所有彈簧， 從而鏈節(jié)相對(duì)于一個(gè)彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致另一彈簧內(nèi)的拉力或壓力的變化，所述 拉力的變化用于限制鏈節(jié)相對(duì)彼此的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)。
本發(fā)明能夠獲得將"蛇臂"包含在小得多的裝置中的確實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，這些小 得多的裝置因此能夠在受到多得多限制的環(huán)境中作業(yè)。此外，根據(jù)本發(fā)明的 臂構(gòu)造允許比迄今為止的臂構(gòu)造的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，因此能夠進(jìn)行更快速和簡(jiǎn)單的 構(gòu)造且因此顯著降低成本。
另一優(yōu)點(diǎn)是使彈簧能夠提供對(duì)裝置的罩蓋或護(hù)套的支承，或提供用于維修 的內(nèi)部管道或穿過(guò)裝置的中心的纜線的基礎(chǔ)。越來(lái)越需要提供一種根據(jù)本發(fā) 明的用于臂的罩蓋，以將臂結(jié)構(gòu)與其進(jìn)行操作的環(huán)境隔離。這種罩蓋或稱(chēng)"皮 膚"的特性取決于使用臂的環(huán)境。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，皮膚可包含彈 簧裝置，從而替換上述彈簧本身或補(bǔ)充其效果。
本發(fā)明的另一實(shí)施例使彈簧可以是非金屬類(lèi)型，諸如由塑料材料制成。這 允許臂由非金屬構(gòu)造。


以下是僅為示例方式并參照非正式附圖給出的對(duì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的描 附圖中
圖1是本發(fā)明涉及的現(xiàn)有技術(shù)分段臂的示意圖。 圖2是圖1的臂的節(jié)段的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的臂的節(jié)段的一部分的側(cè)視圖。
圖4是沿圖3的線A-A的剖視圖。 圖5是圖3的立體圖。
圖6a、 b、 c和d是圖3、 4和5的臂的鏈節(jié)的詳圖。 圖7是用于圖3的臂的改進(jìn)的鏈節(jié)的側(cè)視圖。 圖8a是使用圖7的鏈節(jié)的臂的節(jié)段的一部分的側(cè)視圖。 圖8b是沿圖8a的線A-A的剖視圖。
圖9a、 9b、 9c和9d是根據(jù)本發(fā)明的替代鏈節(jié)構(gòu)造的詳圖。
圖10a是包括圖9的鏈節(jié)的節(jié)段的一部分的側(cè)視圖。
圖10b是沿圖10a的線A-A的剖視圖。
圖lla是本發(fā)明的另一實(shí)施例的節(jié)段的一部分的立體圖。
圖lib圖lla的部分節(jié)段的鏈節(jié)的立體圖。
圖llc是圖lla的側(cè)視圖。
圖lld是沿圖11c的線A-A的剖視圖。
圖12a是示出在鏈節(jié)組件的內(nèi)部包括彈簧的部分節(jié)段的立體圖。
圖12b構(gòu)成用于圖12a的鏈節(jié)的兩個(gè)立體圖。
圖12c是圖12a的側(cè)視圖。
圖12d是沿圖12c的線A-A的剖視圖。
圖13a是多彈簧組件的立體圖。
圖13b是用于圖13a的鏈節(jié)的側(cè)視圖。
圖13c是圖13a的側(cè)視圖。
圖13d是沿圖13c的線A-A的剖視圖。
圖14a是示出使用內(nèi)部和外部彈簧組件兩者的部分節(jié)段的立體圖。
圖14b是用于圖14a的部分節(jié)段的鏈節(jié)的立體圖。
圖14c是圖14a的側(cè)視圖。
圖14d是沿圖14c的線A-A的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1和2，如圖所示的臂包括三個(gè)節(jié)段10，各節(jié)段10包括多個(gè)鏈節(jié)
元件ll。各節(jié)段10通過(guò)關(guān)節(jié)接頭12連接到其相鄰節(jié)段。臂的遠(yuǎn)端13承載 包括工具15的作業(yè)頭14。
各個(gè)鏈節(jié)11能夠借助于關(guān)節(jié)接頭21 (見(jiàn)圖2)相對(duì)于其相鄰節(jié)段進(jìn)行有 限運(yùn)動(dòng)，且節(jié)段10作為整體通過(guò)控制線22和23來(lái)控制，這些線延伸穿過(guò)各 中間鏈節(jié)11并固定地附連到節(jié)段10的端部元件25。各控制線延伸到圖2中 大致以標(biāo)號(hào)24表示的致動(dòng)裝置，可控制該致動(dòng)裝置以對(duì)各控制線提供變化的 拉力。在正常操作中，各控制線22和23保持在輕微的拉力下，以對(duì)關(guān)節(jié)連 接的鏈節(jié)接頭21施加輕微的壓縮力。為了使節(jié)段移動(dòng)，適當(dāng)?shù)闹聞?dòng)裝置對(duì)上 部控制線22施加增大的拉力，且將增大的拉力施加于端部元件25的上部附連 點(diǎn)26，這使得端部元件向上移動(dòng)，且因此使臂相對(duì)于其基準(zhǔn)位置向上彎曲。本 領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，如果通過(guò)關(guān)節(jié)連接的鏈節(jié)接頭21有合適的運(yùn)動(dòng)自 由度，則通過(guò)提供三根控制線，能夠?qū)崿F(xiàn)臂沿三維中任何一維的運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)轉(zhuǎn)向本發(fā)明，圖3至6中示出其簡(jiǎn)化版本，各個(gè)鏈節(jié)ll被單根連續(xù)線 螺旋結(jié)構(gòu)30所圍繞，控制線23和22如前所述地穿過(guò)鏈節(jié)。各鏈節(jié)11是盤(pán) 31的形式，該盤(pán)具有大致凸出的上表面32、類(lèi)似的凸出下表面33以及包括螺 旋凹槽35的大致圓柱形的邊緣34。
如從圖6a中顯然看出的那樣，盤(pán)31設(shè)有周界間隔的、軸向?qū)?zhǔn)的孔36， 各孔適于容納控制線。這些孔朝向上端和下端設(shè)有凹槽，從而各孔朝向出口 直徑稍微增加。在所示的特定實(shí)例中，有可用于四節(jié)段臂的控制線的12個(gè)孔 36。
如圖4所示，凸出表面32和33適于鄰靠下一相鄰鏈節(jié)的相應(yīng)表面并構(gòu)成 保持鏈節(jié)間距的支承表面。鏈節(jié)間的這種支承設(shè)置沒(méi)有扭轉(zhuǎn)限制，且在該情 況下，線23、 24內(nèi)拉力的增加會(huì)提供增加的扭轉(zhuǎn)剛度。
外部螺旋溝槽35適于容納螺旋彈簧37，螺旋彈簧37可以可選地通過(guò)銷(xiāo)、 粘結(jié)劑或其它適當(dāng)?shù)难b置固定地附連到鏈節(jié)11。螺旋彈簧37到盤(pán)11的外表 面的附連可實(shí)現(xiàn)成在沒(méi)有拉力施加到控制線的臂的靜止位置，在相鄰盤(pán)11 之間有微小的間距使得當(dāng)有拉力施加到控制線22、 23時(shí)，外部螺旋彈簧37設(shè) 法將相鄰鏈節(jié)ll偏置開(kāi)。
在替代實(shí)施例中，鏈節(jié)可附連到螺旋彈簧37，使得在靜止位置，彈簧已
處于拉力，以將鏈節(jié)11推壓在一起并將它們保持在壓縮力下。
在圖3至6的特定實(shí)施例中，除了由控制線22、 23上的拉力施加的限制， 對(duì)施加到節(jié)段內(nèi)鏈節(jié)上的剪切力沒(méi)有限制，從而鏈節(jié)可相對(duì)于彼此側(cè)向移位， 而沒(méi)有恢復(fù)剪切偏移的現(xiàn)成可用裝置。此外，設(shè)置中心孔是不可行的，因?yàn)?盤(pán)的整個(gè)凸出表面用作承載結(jié)構(gòu)。
圖7中示出改進(jìn)的節(jié)段。其類(lèi)似于圖4至6所示的節(jié)段，不過(guò)其在上部 凸出表面32上設(shè)有凸出的球部40并在表面33的下側(cè)設(shè)有適于接納下一相鄰 鏈節(jié)元件lla的球部40的球窩41。在該情況下，各鏈節(jié)元件ll設(shè)有從球窩 41的底部向上延伸到球40末端的中心孔42。如從圖8b中明顯看出的那樣， 節(jié)段內(nèi)相鄰鏈節(jié)11的孔42會(huì)提供用于沿臂的長(zhǎng)度提供維修的連續(xù)管道或?qū)?管。
球和球窩結(jié)構(gòu)的大小且因此中心管道42的大小很大程度上由一個(gè)鏈節(jié)和 其相鄰鏈節(jié)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的所要求的程度以及所要設(shè)置的用于控制該段臂 的線的數(shù)量確定。同樣，鏈節(jié)間的承載結(jié)構(gòu)沒(méi)有扭轉(zhuǎn)限制作用，且這是線拉 力的增大會(huì)增加裝置的扭轉(zhuǎn)剛度的另一種情況。
與以上圖5的實(shí)例相比，通過(guò)球和球窩提供的側(cè)向限制來(lái)克服剪切限制的 問(wèn)題。在考慮直徑相對(duì)大的臂的情況下，則這種球和球窩結(jié)構(gòu)的摩擦力傾向 于增加，且這降低各節(jié)段在使用時(shí)采用實(shí)際弧形形式的傾向性。應(yīng)當(dāng)注意， 容納致動(dòng)線或繩23、 24的孔36在標(biāo)號(hào)43處朝向各端設(shè)有凹槽(fluted)， 以在鏈節(jié)11相對(duì)于彼此以一定角度傾斜時(shí)使線能容易地穿過(guò)各孔內(nèi)。
圖9和10中示出各鏈節(jié)元件11的另一改進(jìn)，其中各鏈節(jié)元件設(shè)有上述中 心孔42，且下部凸出表面33設(shè)有一對(duì)徑向間隔開(kāi)的球50。上部凸出表面32 設(shè)有一對(duì)相應(yīng)的凹陷51，這對(duì)凹陷設(shè)置在基本上與下部凸出表面33上包含球 50的直徑成直角的一直徑上。當(dāng)如圖10b所示組裝時(shí)， 一鏈節(jié)11上的球50 與相鄰鏈節(jié)的上表面上的凹陷51配合。如上所述，中心孔42會(huì)對(duì)準(zhǔn)或相應(yīng) 以提供中心管道。但是，在該情況下，球和凹陷承載結(jié)構(gòu)的相對(duì)角度允許相 鄰鏈節(jié)之間僅沿一平面以鉸鏈方式移動(dòng)或彎曲運(yùn)動(dòng)。圖10b中下一鏈節(jié)lla 相對(duì)于包含鏈節(jié)11、 lib的鉸鏈的平面以直角鉸接。這樣，保留臂的全部靈 活性，同時(shí)球和球窩結(jié)構(gòu)提供扭轉(zhuǎn)限制，使得該組件的扭轉(zhuǎn)剛度不會(huì)受到線拉
力的影響。應(yīng)當(dāng)理解，在該情況下中心孔的大小僅受到球50和相應(yīng)凹陷51 之間分開(kāi)距離的限制。此外，球50和其相應(yīng)的凹陷或球窩51可選擇成盡可 能小(取決于要求它們所接受的荷載)，這具有使鉸鏈位置處的摩擦最小的效 果。所示組件中鏈節(jié)之間的接頭只有一個(gè)自由度，因?yàn)樗鼈兪倾q鏈，從而交 替的接頭相對(duì)于彼此成角度設(shè)置。該角度設(shè)置不一定要是直角。通過(guò)這樣提 供角度間隔，該節(jié)段可以幾個(gè)自由度來(lái)彎曲。在本發(fā)明的替代實(shí)施例中，鉸 鏈接頭可對(duì)齊以得到僅具有一個(gè)自由度的節(jié)段，這僅適于平面應(yīng)用。
圖11中所示的實(shí)施例是參照?qǐng)D10描述的實(shí)施例的變型。在該實(shí)施例中， 盤(pán)31的圓柱形表面或邊緣34設(shè)有多個(gè)周向間隔的凸片60，各凸片構(gòu)造成提供 支架或配合件以限定接納螺旋彈簧37的路徑。凸片60提供與面向下的支架 62并列且周向間隔開(kāi)的面向上的支架61，支架的表面適于支承抵靠螺旋彈簧 37的一部分的表面。凸片和支架結(jié)構(gòu)使得圍繞盤(pán)31的外圓周表面34限定一 螺旋路徑，從而彈簧37可卡在凸片60與支架61和62之間。彈簧同樣可以 可選地通過(guò)銷(xiāo)、粘合劑或任何其它適當(dāng)?shù)墓潭ㄑb置牢固地固定到盤(pán)31上。
在該實(shí)施例中，中心孔42是大致方形截面，其尺寸僅受到球和凹陷之間 分開(kāi)距離的限制，且如前所述，相鄰鏈節(jié)之間的接頭僅具有一個(gè)自由度。該 結(jié)構(gòu)可易于模制并使各部件易于通過(guò)塑料材料注模制成。
參照?qǐng)D12所述的實(shí)施例是上述的變型，不同之處在于在該情況下彈簧是 內(nèi)部彈簧70。為了適應(yīng)該情況，中心孔42是大致圓形橫截面并設(shè)有內(nèi)部溝槽 71來(lái)接納和定位彈簧70。中心孔42在其各端朝向各端地附加設(shè)有一直徑較 寬的部分72，以使當(dāng)鏈節(jié)ll相對(duì)于彼此彎曲時(shí)彈簧能夠移動(dòng)或彎曲。單個(gè)內(nèi) 部溝槽71可機(jī)加工而成或通過(guò)復(fù)雜鑄造或注模而制成。如上所述，各鏈節(jié)元 件11可以上述方式固定到彈簧。
圖13示出可采用多個(gè)彈簧的實(shí)施例。在該情況下，盤(pán)31的圓柱形邊緣 34設(shè)有多個(gè)溝槽或帶面(land) 75，各溝槽或帶面適于接納螺旋彈簧37的螺 旋結(jié)構(gòu)。在所示實(shí)例中，可采用三個(gè)相同的螺旋彈簧37，各如上所述固定到 溝槽75內(nèi)?；蛘撸鲝椈煽删哂胁煌男阅芤再x予節(jié)段以不同的性能。本 發(fā)明的一方面設(shè)想具有多個(gè)節(jié)段的臂構(gòu)造，各節(jié)段具有與其相鄰節(jié)段不同的特 性。
現(xiàn)轉(zhuǎn)向圖14的實(shí)施例，該構(gòu)造具有內(nèi)部彈簧70和多個(gè)外部螺旋彈簧37 的組合。各鏈節(jié)元件ll的基本構(gòu)造相同，具有中心孔42，中心孔具有以上大 致參照?qǐng)D12所描述的螺旋溝槽。本文的優(yōu)點(diǎn)在于螺旋彈簧的旋向可不同，且 左旋和右旋彈簧組組合有助于在使用時(shí)保持組件，例如，如果在操作時(shí)彈簧組 之一開(kāi)始"巻起"則該作用會(huì)受到其它彈簧的抵抗。
在圖14的裝置的組件中，關(guān)鍵是鏈節(jié)先旋到內(nèi)彈簧70上，然后再施加一 個(gè)或多個(gè)外部彈簧37。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，各節(jié)段內(nèi)的各個(gè)鏈節(jié)是相同的。通過(guò)在相 鄰鏈節(jié)間僅提供一個(gè)自由度，不需要另外的移動(dòng)部件，且可通過(guò)彈簧的組合和 操作線或繩中的拉力來(lái)施加必要的拉力。因此，這樣構(gòu)造的臂變得相對(duì)簡(jiǎn)單 且部件的大量機(jī)加工可減少到最少。此外，在鏈節(jié)元件ll是塑料材料的情況 下，設(shè)想到該構(gòu)造允許使用注模部件。
因此本發(fā)明提供比迄今為止的方法成本顯著降低的"蛇臂"生產(chǎn)方法，此 外，還允許生產(chǎn)對(duì)于任何給定的致動(dòng)器陣列和控制系統(tǒng)能夠方便互換的具有不 同特性的臂。
權(quán)利要求
1. 一種機(jī)器人臂，包括-多個(gè)縱向節(jié)段，所述縱向節(jié)段端到端延伸以限定所述臂的縱向軸線，其中各個(gè)節(jié)段包括多個(gè)鏈節(jié)，各個(gè)鏈節(jié)能夠相對(duì)彼此關(guān)節(jié)連接；用于節(jié)段的致動(dòng)裝置，所述致動(dòng)裝置通過(guò)所述節(jié)段的各所述鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接而致使或允許所述節(jié)段彎曲來(lái)控制所述節(jié)段的形狀；以及控制裝置，所述控制裝置用于控制所述致動(dòng)裝置以致使或允許沿所述臂的不同節(jié)段采取不同的或相關(guān)的形狀以限定所述臂的所要求的空間姿態(tài)；其特征在于，螺旋彈簧裝置與所述臂同軸安裝并與節(jié)段內(nèi)的所述鏈節(jié)配合，從而致使或允許所述鏈節(jié)傾向于初始基準(zhǔn)位置，并在所述節(jié)段的各所述鏈節(jié)之間分配所述關(guān)節(jié)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述致動(dòng)裝置設(shè)置成對(duì) 節(jié)段內(nèi)的所述鏈節(jié)施加壓縮力；且所述彈簧裝置設(shè)置成對(duì)所述節(jié)段內(nèi)的所述鏈 節(jié)施加拉力以降低所述節(jié)段內(nèi)各鏈節(jié)之間的摩擦，同時(shí)保持所述節(jié)段的扭轉(zhuǎn)剛 度。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝置包括 單個(gè)彈簧，所述單個(gè)彈簧連接到節(jié)段內(nèi)的各個(gè)鏈節(jié)上。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝置包括 多個(gè)彈簧，各個(gè)彈簧可操作地與所述節(jié)段內(nèi)的各個(gè)鏈節(jié)互連。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，各個(gè)所述 鏈節(jié)相對(duì)于所述彈簧裝置固定，所述設(shè)置使得所述彈簧裝置可通過(guò)彎曲變形。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置沿螺旋路徑與所述鏈節(jié)配合。
7. 如權(quán)利要求6所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述鏈節(jié)設(shè)有配合裝置， 以使所述鏈節(jié)能夠相繼旋轉(zhuǎn)地與所述彈簧配合。
8. 如權(quán)利要求7所述的機(jī)器人臂，其特征在于，包括端帽，以與所述節(jié) 段的第一和最后鏈節(jié)配合并與所述彈簧配合，以允許所述鏈節(jié)相對(duì)于所述彈簧 轉(zhuǎn)動(dòng)。
9. 如權(quán)利要求6、 7或8所述的機(jī)器人臂，其特征在于，各個(gè)鏈節(jié)包括位 于螺旋結(jié)構(gòu)上的溝槽或一組齒以與所述彈簧裝置配合。
10. 如權(quán)利要求8或9所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧的所述空 載節(jié)距比所述鏈節(jié)上所述配合裝置的節(jié)距長(zhǎng)或短，從而當(dāng)各所述鏈節(jié)相繼與所 述彈簧配合時(shí)，所述彈簧相應(yīng)地預(yù)拉或預(yù)壓，從而相應(yīng)地將相鄰鏈節(jié)推壓分開(kāi) 或推壓在一起。
11. 如權(quán)利要求10所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝置在沿其 長(zhǎng)度的不同位置處具有不同的節(jié)距，以改變所述彈簧中的所述預(yù)拉力或預(yù)壓縮 力。
12. 如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述不 同鏈節(jié)上的所述配合裝置的所述節(jié)距不同，從而改變所述預(yù)拉力或預(yù)壓縮力。
13. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置圍繞用于所述節(jié)段的所述鏈節(jié)組件設(shè)置在外部。
14. 如權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈 簧裝置設(shè)置在所述鏈節(jié)組件內(nèi)部。
15. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置包括多個(gè)彈簧。 '
16. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述鏈節(jié)的 設(shè)置和所述鏈節(jié)的連接限制所述彈簧使得所述彈簧僅可彎曲以形成弧形。
17. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述鏈節(jié)通 過(guò)粘合劑或者通過(guò)夾件或銷(xiāo)或者通過(guò)焊接、或者通過(guò)機(jī)械鍵裝置附連到所述彈 簧。
18. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述鏈節(jié)包 括設(shè)置成限制相鄰鏈節(jié)之間自由度的關(guān)節(jié)裝置，從而將所述節(jié)段的變形模式限 制成響應(yīng)于所述致動(dòng)裝置的操作僅作弧形彎曲。
19. 如權(quán)利要求18所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述關(guān)節(jié)是球窩接頭。
20. 如權(quán)利要求18至19中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述關(guān) 節(jié)裝置包括用于將一鏈節(jié)相對(duì)于另一鏈節(jié)固定的裝置。
21. 如權(quán)利要求18、 19或20所述的機(jī)器人臂，其特征在于，各相鄰鏈節(jié)之間的所述關(guān)節(jié)設(shè)置成允許以鉸鏈的方式僅在一個(gè)平面中的彎曲運(yùn)動(dòng)。
22. 如權(quán)利要求21所述的機(jī)器人臂，其特征在于，交替的關(guān)節(jié)彼此成角 度設(shè)置，諸如直角。
23. 如權(quán)利要求21或22所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述關(guān)節(jié)包括一 鏈節(jié)的表面上的突起，所述突起設(shè)置成與相鄰鏈節(jié)的表面上的相應(yīng)凹陷配合。
24. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，在相鄰鏈節(jié) 上的配合點(diǎn)之間有所述彈簧裝置的螺旋結(jié)構(gòu)的大約至少一個(gè)完整的繞圈或線 匝。
25. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述關(guān)節(jié)裝 置包括用于控制各節(jié)段的三根控制線。
26. 如權(quán)利要求25所述的機(jī)器人臂，其特征在于，各線附連到致動(dòng)器并 從所述節(jié)段的一端延伸到另一端，由此操作所述致動(dòng)器來(lái)改變所述線中相對(duì)彼 此的拉力，致使或允許所述鏈節(jié)彎曲，由此控制所述節(jié)段的運(yùn)動(dòng)和形狀。
27. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置包括沿所述臂的長(zhǎng)度的一個(gè)連續(xù)彈簧。
28. 如權(quán)利要求1至26中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，各節(jié)段 具有分開(kāi)的彈簧，所述各彈簧具有不同的特性。
29. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置包括第一彈簧和與所述第一彈簧同心并保持受拉或受壓的第二彈簧，且使所 述鏈節(jié)受到所述第一彈簧和所述第二彈簧兩者的限制。
30. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置包括相同直徑的三個(gè)彈簧，各個(gè)鏈節(jié)與三個(gè)彈簧都配合。
31. 如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的機(jī)器人臂，其特征在于，所述彈簧裝 置包括兩個(gè)或多個(gè)不同旋向的彈簧或相等直徑彈簧的彈簧組的組合，各個(gè)鏈節(jié) 附連到所有彈簧，從而鏈節(jié)相對(duì)于一個(gè)彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致另一彈簧內(nèi)的拉力或 壓力的變化，所述拉力的變化用于限制所述鏈節(jié)相對(duì)于彼此的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)。
全文摘要
一種包括多個(gè)節(jié)段(10)的機(jī)器人臂，各個(gè)節(jié)段包括關(guān)節(jié)連接的鏈節(jié)(11)以及使各個(gè)節(jié)段彎曲成使得臂可遵循蜿蜒路徑的裝置(24)。螺旋彈簧(37)與臂同軸設(shè)置以將各鏈節(jié)推壓向初始基準(zhǔn)位置，并在各個(gè)節(jié)段的鏈節(jié)上分配所述彎曲。
文檔編號(hào)B25J18/06GK101394975SQ200780007982
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2007年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者A·C·格拉厄姆, R·O·白金漢 申請(qǐng)人:奧利弗克里斯品機(jī)器人有限公司