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工作工具或傳感器的機(jī)器人定位技術(shù)和與之相關(guān)的技術(shù)的改進(jìn)的制作方法

文檔序號(hào):3993344閱讀:263來源:國知局
專利名稱:工作工具或傳感器的機(jī)器人定位技術(shù)和與之相關(guān)的技術(shù)的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及工作工具和傳感器的機(jī)器人定位技術(shù)的改進(jìn),特別是涉及改進(jìn)的用于定位工作工具和傳感器的機(jī)械和軟件工具和用于實(shí)現(xiàn)這樣的裝置的控制的控制算法。
背景技術(shù)
諸如發(fā)動(dòng)機(jī)和由一殼體包圍的機(jī)器之類的機(jī)械裝置傳統(tǒng)上是按照定期的維護(hù)時(shí)間表來加以維護(hù)。在發(fā)生故障時(shí),操作者或者工程師將按照一個(gè)故障檢測程序開動(dòng)機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過一系列的測試運(yùn)行,并注意機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)對每一測試運(yùn)行的反應(yīng)。從觀察機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)對一給定功能的動(dòng)作或反應(yīng),就可以至少部分地診斷出機(jī)器發(fā)生故障的大致區(qū)域。之后將機(jī)器拆開到足以便于檢查可能的故障和修理故障損壞的程度。
這樣的工作是耗時(shí)的,且在許多情況中,用于機(jī)器的故障檢測程序或可用的診斷功能的數(shù)量不足以準(zhǔn)確地確定出故障的精確位置。在許多情況中,機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)需要部分地拆開,這里面包含著許多白費(fèi)的努力,尤其是當(dāng)故障檢測方式或程序給出了一個(gè)虛假的故障指示時(shí)。
迄今,機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)檢查包括判斷聲音的變化、使用超聲波檢測裝置中的裂紋和斷裂以及對特定的零部件進(jìn)行X射線分析。但在每一情況中,這些技術(shù)僅能用來輔助故障的診斷。只有在所關(guān)心的部件易于接近時(shí)或機(jī)器已經(jīng)部分地拆開時(shí)才能真正進(jìn)行對被懷疑的零部件的檢查。
在諸如蒸汽或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)之類的復(fù)雜機(jī)器中,為了進(jìn)行修理或更換,需要在開始拆開機(jī)器以便貼近地檢查故障零部件之前確定機(jī)器內(nèi)的故障并精確地確定故障的部位。
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中,已有多年使用內(nèi)窺鏡來檢查的人體內(nèi)腔的實(shí)踐,檢查點(diǎn)有時(shí)距離進(jìn)入點(diǎn)相當(dāng)遠(yuǎn)。典型地,一內(nèi)窺鏡可在其柔性支撐臂的末端處裝有一檢查光源和一光學(xué)接受裝置。它它從身體的一孔口進(jìn)入,并繼續(xù)往里進(jìn)直至到達(dá)所要達(dá)到的疾病/損壞部位,以進(jìn)行體內(nèi)檢查。柔性支撐臂能采取一蛇形的路徑,以便能沿著身體孔口的路徑。這樣,身體孔口的壁用來給內(nèi)窺鏡引導(dǎo)并協(xié)助內(nèi)窺鏡追循其蛇形的路徑。使用內(nèi)窺鏡來檢查機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)取得了一定程度的成功。但這樣的裝置的一個(gè)主要難點(diǎn)是在機(jī)器內(nèi)的內(nèi)窺鏡控制問題以及為了檢查要在機(jī)器的正確部位設(shè)置的光源和光學(xué)傳感器的布置問題。在機(jī)器的檢查點(diǎn)靠近一進(jìn)入口的情況中,內(nèi)窺鏡在復(fù)雜機(jī)器的內(nèi)部檢查方面已相當(dāng)成功。同樣,當(dāng)維修也類似地位于靠近一進(jìn)入口并且是一個(gè)諸如擰緊螺釘或磨削金屬表面之類的簡單修理時(shí),就可以使用一個(gè)諸如管道鏡之類的工作裝置。
英國專利說明書No.2033973中提出了一個(gè)典型的現(xiàn)有技術(shù)的建議,它涉及一種檢查燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的方法,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)殼上設(shè)有至少一個(gè)進(jìn)出孔,這些進(jìn)出孔允許對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼內(nèi)的部件進(jìn)行檢查,并且該方法包括將引導(dǎo)裝置插入到進(jìn)出孔中,使引導(dǎo)裝置的一端位于機(jī)殼的外面而使引導(dǎo)裝置的另一端靠近所要檢查的發(fā)動(dòng)機(jī)部件,將引導(dǎo)裝置固定在所述的位置上,將柔性內(nèi)窺鏡或其它遙視檢查裝置插入到引導(dǎo)裝置中。在這一情況中,是用引導(dǎo)裝置引導(dǎo)柔性的內(nèi)窺鏡,而不是像上述那樣用身體孔路的引導(dǎo)方式。
歐洲專利說明書No.0907077中,描述了并要求保護(hù)一種用于在現(xiàn)場檢查燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一級中的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的方法或裝置,其作法是應(yīng)用渦流電流,這種檢查可以在遠(yuǎn)處的一個(gè)位置來進(jìn)行。發(fā)動(dòng)機(jī)有包圍著其所要檢查的那一級的機(jī)殼以及延伸穿過該機(jī)殼并伸入到所關(guān)心的渦輪機(jī)葉片所在那一級的一管道鏡孔??梢酝ㄟ^將該專利的裝置穿過渦輪機(jī)機(jī)殼上的管道鏡孔來檢查渦輪機(jī)葉片。在這一情況中,該發(fā)明的本質(zhì)是使用傳感器探測裝置來握住渦流線圈,并且傳感通過檢測在諸如渦輪機(jī)葉片之類的被檢查部件內(nèi)的感應(yīng)渦流電流來檢測結(jié)構(gòu)中的缺陷。
美國專利說明書No.5644394涉及用于修理損壞的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣葉片的系統(tǒng),它包括多個(gè)剛性的附屬工具。每一附屬工具單獨(dú)地成形為能接近燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一特點(diǎn)級的損壞了的葉片的前導(dǎo)邊。這些附屬工具能修理損壞的葉片,而無需拆卸燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。但在這一情況中,工具是剛性的并且設(shè)計(jì)成能并排地在伸入發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)殼的管道鏡開口中工作。
英國專利說明書No.2154335涉及一種用于諸如飛機(jī)發(fā)電單元之類的發(fā)電裝置的內(nèi)部檢查的技術(shù)鏡(technoscope),并且這種發(fā)電單元裝有非圓形較佳地是帶角部(例如方形)的壁孔口,該技術(shù)鏡包括非圓形橫截面并可插入到一個(gè)壁孔口中并具有一橫向的末端出口的第一剛性引導(dǎo)軸以及穿過所述第一引導(dǎo)軸并具有一柔性的末端部分和用來控制所述柔性末端部分的一近端的控制系統(tǒng)的一引導(dǎo)件,柔性末端部分的橫截面的中間部分與第一引導(dǎo)軸的中間部分相配合,引導(dǎo)件用來將一柔性內(nèi)窺鏡軸引導(dǎo)到所要檢查的發(fā)電裝置內(nèi)的要求的位置上。而且,還用一剛性引導(dǎo)軸來插入壁孔口并用來以滑動(dòng)配合方式為穿過所述引導(dǎo)軸的一柔性的引導(dǎo)件提供支撐。
美國專利說明書No.5803680也涉及一種諸如技術(shù)鏡之類的用來機(jī)加工在正常情況中無法進(jìn)入的內(nèi)腔中的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的表面的器械,該器械具有一在機(jī)加工位置能被用一光學(xué)器件觀察到的機(jī)加工工具,該光學(xué)器件包括末端連接有頭部的器械柄,所述頭部帶有工具且可相對于器械柄的縱向軸線樞轉(zhuǎn)。為了創(chuàng)造能用這一器械測量要機(jī)加工的表面的損傷的可能性,該器械頭部上裝有一個(gè)帶一測量樣板的測量工具,并且當(dāng)該器械的頭部樞轉(zhuǎn)進(jìn)入光學(xué)器件的視域內(nèi)時(shí),可以將該測量工具以一種簡單的方式連接到器械的頭部上,以替代機(jī)加工工具。
因此,熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人從前面的敘述中會(huì)理解,現(xiàn)實(shí)需要不拆卸機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)就能進(jìn)行其內(nèi)部檢查和修理的功能。對熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人來說,以這種方式進(jìn)行的維護(hù)所具有的相當(dāng)大的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,即無需將發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器拆卸就能對其內(nèi)部的部件進(jìn)行修理和檢查,將能節(jié)省時(shí)間耗費(fèi)和成本。
但是,現(xiàn)有技術(shù)都存在這樣的問題,即為了在一部件或零件上工作或者對其進(jìn)行檢查,所要于其上進(jìn)行工作的區(qū)域或者所要觀察的現(xiàn)場都必須視情況允許地靠近技術(shù)鏡、管道鏡或內(nèi)窺鏡的進(jìn)入口,或者必須設(shè)置引導(dǎo)裝置以在內(nèi)窺鏡/管道鏡伸向工作/檢查區(qū)域的路徑上對其給予支撐。
因此有必要提供一種用來檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的距離可用進(jìn)入口更遠(yuǎn)和需以螺旋形路徑才能接近的部件和/或在其上進(jìn)行工作的裝置。

發(fā)明內(nèi)容
因此,本發(fā)明通過提供這樣一種裝置來解決發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)遠(yuǎn)處零件的可達(dá)性這一問題,該裝置能從發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器上的一進(jìn)入口沿著一螺旋形的路徑到達(dá)機(jī)器內(nèi)部的一工作位置或檢查現(xiàn)場。本發(fā)明還設(shè)法提供這樣一種裝置,它可以由用于這類的裝置的遠(yuǎn)程控制的適當(dāng)算法來控制,籍此就可以通過對支撐臂進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制來將工作工具和/或光學(xué)器件引導(dǎo)到工作現(xiàn)場。本發(fā)明還提供以這樣形式的裝置,它的臂能從進(jìn)入口進(jìn)入而后沿著機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的一螺旋形路徑縱向地伸入到工作現(xiàn)場。
這樣的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于,它能將工具、檢查和測試裝置帶入發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器的深入的內(nèi)部,到達(dá)不拆卸通常就無法接近的位置上。一個(gè)突出的特征是,本發(fā)明不需要使用在進(jìn)入口和工作/檢查位置之間的引導(dǎo)或支撐裝置,盡管也可以使用它們。這允許例如對諸如渦輪機(jī)葉片之類的部件從其前導(dǎo)邊或后隨邊進(jìn)入進(jìn)行在位超聲波檢查,而無需到達(dá)其葉梢。
因此,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供一種檢查發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器或者在其上進(jìn)行工作的方法,其中工作/檢查的現(xiàn)場遠(yuǎn)離一進(jìn)入口,該方法包括確定一條在發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器內(nèi)的到達(dá)所述工作/檢查現(xiàn)場的進(jìn)入路徑,將一工作/檢查工具安裝在一具有多個(gè)關(guān)節(jié)連接件的支撐臂的末端;為至少一些所述關(guān)節(jié)連接件設(shè)置控制裝置,并且使得或允許所述臂進(jìn)入所述發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器并沿其自身的縱向前進(jìn)而沿所述進(jìn)入路徑進(jìn)入,使工具到達(dá)工作/檢查現(xiàn)場。
在本發(fā)明的另一方面,提供一種利用本發(fā)明的方法來檢查發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器或者在其上進(jìn)行工作的裝置,該裝置包括一包括多個(gè)縱向臂段的支撐臂,每一所述臂段能相對彼此運(yùn)動(dòng)以形成一蛇形路徑或形狀,在或向著所述臂的末端的并適于裝載一工作和/或檢查工具的工作頭運(yùn)載裝置,以及用于控制至少一些所述臂段的控制裝置,所述控制裝置能夠?qū)ο嚓P(guān)臂段的形狀進(jìn)行控制,以使構(gòu)成臂的各不同臂段能形成不同的形狀,籍此,所述臂就可以沿著一預(yù)定的進(jìn)入路徑縱向地前進(jìn),使所述工具到達(dá)所述現(xiàn)場。
在本發(fā)明的一個(gè)具體的方面,臂中各臂段之間的關(guān)節(jié)連接保持受拉,以為每一關(guān)節(jié)連接點(diǎn)的提供剛度。通過以這種方式保持各鏈節(jié)的關(guān)節(jié)連接處于拉力下,就能在使臂沿著螺旋形的路徑將工作工具引導(dǎo)到機(jī)器內(nèi)的過程中精確地控制每一關(guān)節(jié)連接的空間定位。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中,可分別地控制每一臂段。獨(dú)立的控制可包括伺服馬達(dá)裝置。伺服馬達(dá)裝置可安裝在每一臂段上,或者它們可以遠(yuǎn)離它們所控制的臂段而通過金屬線對臂段加以控制或驅(qū)動(dòng)。馬達(dá)可以是液壓或氣動(dòng)馬達(dá)。針對特定的發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器,可以為本發(fā)明裝置一提供一套數(shù)據(jù),并且可以提供用于控制裝置的算法,以使工作頭到達(dá)與那一套數(shù)據(jù)相關(guān)的機(jī)器內(nèi)的特定位置或部位。
在本發(fā)明的一個(gè)具體的方面,每一臂段包括多個(gè)鏈節(jié),每一鏈節(jié)能至少二維地相對彼此相對運(yùn)動(dòng)。各鏈節(jié)可以是一個(gè)能在單個(gè)平面內(nèi)操作的二維臂段或可以是一個(gè)三維臂段。每一鏈節(jié)可與其鄰接的鏈節(jié)關(guān)節(jié)連接,關(guān)節(jié)連接裝置在二維臂段的情況中可包括一滾柱,或者在三維臂段情況中可包括一滾珠。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面,一個(gè)臂段中的各鏈節(jié)的關(guān)節(jié)連接可通過金屬線保持受拉。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是能保持接頭的剛度,并使臂段能采用一種具有一定程度的剛度和控制的彎曲形狀,這將使工作頭能在工作現(xiàn)場施加一個(gè)力。一臂段中的各鏈節(jié)可以是“剛度加強(qiáng)的”,以提高臂段中每一接頭的承載能力和位置確定性。當(dāng)相對于臂的數(shù)據(jù)確定其位置時(shí),以及在應(yīng)用中在臂的端部要支撐一較大的質(zhì)量時(shí),這是很重要的。
剛度加強(qiáng)可以采用每一鏈節(jié)之間的空隙中加一個(gè)彈簧或多個(gè)彈簧的形式。彈簧的尺寸確定考慮兩個(gè)因素(1)彈簧的壓縮力比控制線的總拉力稍??;和(2)所選擇的“搖擺”剛度對每一接頭給出一個(gè)特定的彎曲剛度。
這樣大小的壓縮力的好處在于可減小在鏈節(jié)球鉸接頭上的受壓,并且即使在控制線拉力大的情況下,也可減少接頭中的摩擦。彎曲剛度可使臂段有一種遵循一曲線或一圓弧的趨勢(即使臂的載荷很大也如此),并減小將剛度不可預(yù)知的服務(wù)裝置載送穿過本裝置的中心的負(fù)面影響。
被剛度加強(qiáng)了的裝置(用彈簧或者用一柔性表皮或外殼或者用某種其它技術(shù)來剛度加強(qiáng))受重力的影響較小,但改變剛度加強(qiáng)了的裝置的形狀所需要的金屬線裝的拉力相當(dāng)大。通過結(jié)合金屬線的拉力改變剛度,就能使該裝置以不同的方式運(yùn)作而產(chǎn)生所需要的形狀。
一個(gè)臂段內(nèi)的鏈節(jié)配置可金屬線來進(jìn)行控制。可為每一鏈節(jié)設(shè)置至少兩根金屬線,籍以相對于一金屬線調(diào)節(jié)另一金屬線以控制一鏈節(jié)件相對于鄰接鏈節(jié)件的姿態(tài),從而使得或允許臂段產(chǎn)生“彎曲”。操作裝置可包括用來操作支撐臂全長和用來操作一裝在所述工作頭上的一工件的驅(qū)動(dòng)裝置。臂段、各鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接以及空間布置的控制可由通過設(shè)在整個(gè)裝置中的一個(gè)或多個(gè)伺服馬達(dá)進(jìn)行操作的計(jì)算機(jī)裝置來控制。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中,每一臂段可包括多個(gè)僅能使臂段在二維內(nèi)彎曲的鏈節(jié)。這是通過控制扁平帶或細(xì)長條的拉力來進(jìn)行操作,并且這些扁平帶或細(xì)長條是用金屬材料,典型地厚度為25微米或50微米的彈簧鋼片制成。這種方式使得以采用疊起來的一組條帶,并且用于為了控制多個(gè)臂段的一整疊條帶僅需要一條容納槽,所以簡化了每一鏈節(jié)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。因此,在一個(gè)典型的實(shí)施例中,每一鏈節(jié)可包括一具有弧形邊緣或表面的引導(dǎo)路徑,各條帶可繞這些引導(dǎo)路徑彎曲同時(shí)彎曲的程度又受到約束。這樣,我們就在一整疊控制帶的兩側(cè)各設(shè)一個(gè)引導(dǎo)件,這使得結(jié)構(gòu)比較簡單,而從長遠(yuǎn)的觀點(diǎn)來看,更為可靠和廉價(jià)。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們會(huì)理解,遍布一表面的接觸壓力要比一等效的金屬線對表面的接觸壓力低得多。這使得潤滑得到改善,并使摩擦和磨損也隨之降低。此外,在需要進(jìn)入一狹窄但很高的空間的情況中,設(shè)計(jì)可偏向這樣的一種結(jié)構(gòu)。一個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)是控制條帶可一包括電線管,用以對沿著臂的長度方向間隔地設(shè)置的致動(dòng)器進(jìn)行額外的控制。這樣,例如可以在一對臂段之間設(shè)置一旋轉(zhuǎn)接頭,以使臂的一部分可以被定向在與臂的其余部分不同的一平面內(nèi)并能彎曲。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中,通過在每一情況中設(shè)置偏置于鏈節(jié)中心線的鏈節(jié)軸,或者使一個(gè)鏈節(jié)軸相對于其鄰接的鏈節(jié)軸稍稍傾斜,就可產(chǎn)生一螺旋形的形狀,這有助于進(jìn)入一螺旋形的空隙。
控制裝置可包括冗余的機(jī)器人控制裝置。就本說明書而言,當(dāng)一機(jī)器人的機(jī)械手可以借助于一種以上的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)到達(dá)一指定位置時(shí),這一機(jī)器人就被稱為是冗余的。
對所述控制裝置的控制算法可包括軌跡規(guī)劃技術(shù),還可包括勢場算法,這種勢場算法典型地是基于適用拉普拉斯方程。
控制裝置還可進(jìn)一步改為能使一臂運(yùn)動(dòng)而使一工作頭到達(dá)工作現(xiàn)場,而不與機(jī)器中的障礙物接觸。在本發(fā)明的另一方面中,控制裝置可包括一種在探查和分析過程中將機(jī)器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)著的障礙物考慮在內(nèi)的算法。
在本發(fā)明的一個(gè)典型的方面,設(shè)有一個(gè)多鏈節(jié)的平面冗余的機(jī)器人,其中對各鏈節(jié)用設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行伺服控制,這些數(shù)據(jù)取自于使用軌跡規(guī)劃技術(shù)的實(shí)時(shí)或離線計(jì)算。以這一的方式,機(jī)器人就可以不撞擊到障礙物或者沿著機(jī)器或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各部件之間的空隙運(yùn)動(dòng)到預(yù)定的目標(biāo)位置。
根據(jù)本發(fā)明的裝置能檢查和修理渦輪機(jī)葉片以及燃?xì)鉁u輪及類似發(fā)動(dòng)機(jī)的其它內(nèi)部零件,并且是經(jīng)由正常的空氣路徑來實(shí)現(xiàn)進(jìn)入,也就是說,是通過沿著空氣流路徑穿過葉片之間空隙到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部部件。該裝置允許沿著一條非直線的路徑接近發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器的內(nèi)部零件。
根據(jù)本發(fā)明的裝置在醫(yī)學(xué)外科領(lǐng)域是有意義的,例如可用在結(jié)腸鏡檢查和腦室鏡檢查中。
根據(jù)本發(fā)明的裝置也可用于未爆炸彈處理領(lǐng)域,用于在炸彈上切割出一個(gè)孔,然后進(jìn)入炸彈內(nèi)部以沖洗掉或去除炸藥和/或去掉炸彈的雷管。
本發(fā)明還設(shè)想用多個(gè)裝置同時(shí)在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器上并行地進(jìn)行檢查和工作任務(wù),也進(jìn)行協(xié)調(diào)的工作,例如一邊磨削、一邊清除磨屑、一邊觀察磨削質(zhì)量。
在本發(fā)明的另一方面,支撐臂包括一由多臂段組成的超冗余蛇形機(jī)器人控制路徑管道鏡。在每一臂段之間有一接頭,并且每一臂段是相對于其在前的臂段獨(dú)立地控制的。臂段的長度和各臂段之間的最大角度是設(shè)計(jì)的一個(gè)函數(shù),并且可取決于需要臂執(zhí)行的任務(wù)。裝置的動(dòng)作可由計(jì)算機(jī)控制,以使裝置能沿一指定的路徑一直向前走。這些裝置可依據(jù)任務(wù)在二維或三維中工作,并且能合理的情況中具有任何長度。裝置的橫截面可沿著其長度變化,并且裝置也可以是中空的且具有用于工具和服務(wù)裝置及類似器件的通道。在本發(fā)明的一個(gè)方面,控制馬達(dá)可安裝在每一臂段上,或者每一馬達(dá)都可以通過金屬線遠(yuǎn)程地連接。
工作頭可攜帶的工具包括觀察儀器、超聲波接頭或者渦流電流傳感器,并且這些是可更換的。工作頭也可以采用張縮裝置,用以將工作頭夾緊于機(jī)器中的固定構(gòu)件,借以給工作頭上的工具根據(jù)夾緊定位所提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作提高了基礎(chǔ)。
在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中,控制裝置包括計(jì)算機(jī)控制裝置,該計(jì)算機(jī)控制裝置響應(yīng)一種算法、結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的CAD模型進(jìn)行工作,這樣可離線出計(jì)算進(jìn)入路徑的已知位置。這使本發(fā)明的裝置能應(yīng)用于一給定的發(fā)動(dòng)機(jī),并且臂可沿著一條按照預(yù)先設(shè)定的算法預(yù)先確定的路徑伸入到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),該預(yù)設(shè)算法是根據(jù)CAD建模對該特定發(fā)動(dòng)機(jī)選定的。這使得該裝置到其操作位置的調(diào)度更快。
附圖簡述下文僅是舉例方式的描述,并且是參照實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法的非正式附圖。
在這些附圖中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一多段臂的一部分的簡圖;圖2是圖1中的一臂段的一部分的簡圖,且示出了若干個(gè)鏈節(jié);圖3a是圖2的一個(gè)二維臂段的側(cè)視圖;圖3b是3a的平面圖;圖3c是3b的一個(gè)細(xì)節(jié);圖4a是圖2中的一個(gè)三維臂段的側(cè)視圖;圖4b是圖4a的平面圖;圖4c是沿著圖4b中的線IV-IV的橫截面;圖5是沿著圖3b中的線V-V的縱剖面;圖6a是一工作頭在其工作位置上的示意圖;圖6b是6a的一個(gè)可替代實(shí)施例;圖7a是用于相對于工作現(xiàn)場定位工作頭的末端夾緊裝置的示意圖;圖7b是7a的另一個(gè)實(shí)施例;
圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)二維臂的立體圖;圖9是圖8的二維臂的俯視圖;圖10所示的是穿過圖9的裝置的一截面;圖11是圖10中“Z”部分的詳圖;圖12是表示出圖8的臂段中的一控制條或帶的安裝方式的示意圖;圖13是根據(jù)本發(fā)明的臂的操作流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)方面包括一縱向延伸的多段臂,該多段臂的一部分總地以標(biāo)號(hào)10標(biāo)示。該臂包括多個(gè)鏈節(jié)11,每一鏈節(jié)11通過一關(guān)節(jié)接頭12相互關(guān)節(jié)連接。該臂的末端13帶有另一個(gè)臂段14,該臂段如下文所述結(jié)止于一工作頭15。各臂段11是一多鏈節(jié)的部分,包括多個(gè)通過連接件21相互連接的鏈節(jié)20,且鏈節(jié)20能繞連接件21作幅度有限的左右擺動(dòng)。該結(jié)構(gòu)是每一鏈節(jié)20與各連接件21是一一交替連接的,這樣一個(gè)臂段的各鏈節(jié)就都能在至少一個(gè)平面中擺轉(zhuǎn)一個(gè)弧度。各鏈節(jié)20通過控制金屬線22、23連接于一用來向所述金屬線施加拉力的控制裝置24。臂段在被拉直處于圖2所示的靜止位置上時(shí),兩金屬線保持為向左的拉力相等。這使每一連接件21保持于一定程度的運(yùn)動(dòng)平衡。為了能使臂段彎曲,各鏈節(jié)的兩根金屬線中的一根應(yīng)在一個(gè)方向上增大拉力而在另一根應(yīng)相應(yīng)地放松。這樣,如圖2所示,總地以標(biāo)號(hào)22表示的上面那根金屬線22的拉力增加,而下面那根金屬線23的拉力相應(yīng)放松,就會(huì)使臂段結(jié)構(gòu)向上彎折或彎曲。
在一個(gè)二維的臂段中,每一連接件21大體上是垂直于臂段的軸線延伸的圓柱體,每一連接件還有大致沿著臂段11的縱向的一中心橫向直徑孔26。連接件21的在一側(cè)設(shè)有一凸緣25,凸緣25沿著連接件的一表面延伸并包圍孔26。每一鏈節(jié)20延伸于臂段的一定寬度,并且其形狀為在橫截面中有帶有一中心孔32的中央本體部分31和兩個(gè)外面部分50,后者形成外表面30和傾斜的側(cè)面34,以允許各鄰接接的鏈節(jié)繞連接件21“彎曲”,而各鄰鏈節(jié)的表面之間又不會(huì)發(fā)生相互干涉,如圖5中所示。各鏈節(jié)的中央本體部分具有一表面33,并且設(shè)有適于容納圓柱形連接件21的圓弧表面的中心橫向凹槽40,在結(jié)構(gòu)布置上,圓柱形連接件21相對于與其鄰接且接觸的鏈節(jié)20放置成當(dāng)鏈節(jié)保持成“筆直”的形狀時(shí),連接件21的中心孔大致和與其鄰接的鏈節(jié)20的中心孔共軸線。在每一連接件21上的凸緣25是用來限制每一鏈節(jié)和與其鄰接的連接件之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)幅度。
各鏈節(jié)的各外面部分50設(shè)有一大致與孔32的軸線成間隔平行關(guān)系的縱向貫通空腔體51??涨惑w51用來容納一根或多根用來控制鏈節(jié)組的控制金屬線22、23。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的二維裝置的另一個(gè)實(shí)施例。圖8中,每一鏈節(jié)71大致是窄長的,并且一端部設(shè)有凸部72。每一鏈節(jié)部分的另一端有凹下的部分73,其適于接受鄰接的鏈節(jié)的凸部72,該結(jié)構(gòu)布置成鄰接的鏈節(jié)71和71′(見圖9)能在一個(gè)二維平面內(nèi)相對彼此有限地樞轉(zhuǎn)。每一鏈節(jié)71設(shè)有一總地以標(biāo)號(hào)75標(biāo)示的一中央本體部分,見圖11,該本體部分帶有兩對豎直的引導(dǎo)件76和77。各引導(dǎo)件76和77有弧形表面78、79,以與從其上通過的一控制帶相貼合。如圖11所示,設(shè)置了多條控制帶構(gòu)件80,它們分別以一疊帶子的形式穿過引導(dǎo)件76和77之間的空隙。每一鏈節(jié)71制成為如圖12所示的兩個(gè)半體零件。這使每一鏈節(jié)的單個(gè)構(gòu)件能分開,以使帶疊80在裝配時(shí)能插入到臂段的各鏈節(jié)的引導(dǎo)件76和77之間的空隙中,并且在達(dá)到令人滿意的定位之后,以與其鄰接構(gòu)件配合的關(guān)系裝配上每一鏈節(jié)的“上面”部分。然后,將每一鏈節(jié)的兩半體件固定在一起,而把多層帶分別裝入各對引導(dǎo)件76和77之間。這個(gè)設(shè)計(jì)在兩對帶子引導(dǎo)件76和77之間提供了相當(dāng)大的內(nèi)腔空間,以附近地允許通過該內(nèi)腔空間提供諸如電力或壓縮空氣之類的服務(wù),而不會(huì)受到控制帶的太大干擾。
當(dāng)需要對一特定的鏈節(jié)施加控制功能時(shí),可使外帶如圖11所示地繞外引導(dǎo)件77向回彎,帶子末端82可用銷釘或螺釘或者使用適合的粘合劑固定在外引導(dǎo)件77的外表面83上。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人會(huì)理解,每一鏈節(jié)的設(shè)計(jì)中沒有幾個(gè)零件,并且由于各帶內(nèi)的任何拉力傳遍引導(dǎo)件76、77的相當(dāng)大的表面面積,所以各種情況下的摩擦載荷大大地減小了。這使?jié)櫥靡愿纳?、摩擦顯著減小并且經(jīng)一個(gè)時(shí)期后的磨損也會(huì)相應(yīng)地減小。在上述實(shí)施例的一個(gè)變型中,各鏈節(jié)之間的樞軸90可相互偏置或者傾斜大約一度或兩度,從而可為臂提供一種彎扭或螺旋的效果。各層帶子能接受凹點(diǎn)軸線中這樣輕微的移位,并且裝置能遵循與裝置給定使用環(huán)境內(nèi)所要求的路徑相對應(yīng)的螺旋路徑。
三維臂段與前面結(jié)合圖5敘述的兩維臂段的不同之處在于,每一連接件21大體是球形的,因而可允許一鏈節(jié)在任一方向上相對于鄰接的鏈節(jié)擺動(dòng)過一有限的弧線。在這種情況中,鏈節(jié)自身需要大體是球形的,并且橫截面具有如前的形狀,即帶有一傾斜的表面34。但在這種情況中,至少要設(shè)置三個(gè)金屬線接納孔51,以允許在所有的三維上控制臂段,見圖4c。
穿過連接件21和鏈節(jié)20的中心貫穿通道32是用于為一工作頭15的控制或供電裝置提供通路。
工作頭15可以設(shè)置在通常如圖1所示的一個(gè)三維臂段的末端處。例如,為了能進(jìn)行變角度成形加工,可為一具有成形工作表面81的成形工作頭80提供一種使用方法。這樣,就可通過相對于臂段14的末端83縱向地移動(dòng)工作頭來在工作現(xiàn)場82實(shí)現(xiàn)工作頭的不同角度。
在本發(fā)明的一特定實(shí)施例中,臂段14可以在其末端設(shè)置一可張縮的元件90。當(dāng)其沿著其蛇形路徑向一發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)進(jìn)入時(shí),張縮部分90被收縮起來而并形成末端臂段14的一部分。例如當(dāng)進(jìn)入到一對渦輪機(jī)葉片100之間、并沿著各葉片的長度定位在適當(dāng)?shù)奈恢蒙蠒r(shí),張縮部分90就可被操縱而張大,從而靠到葉片100上,并相對其夾緊臂段14的末端83,以使工作頭15能在工作現(xiàn)場82的一適當(dāng)部位上工作。
這樣的一種結(jié)構(gòu)以及相對于張縮部分90縱向和橫向移動(dòng)工作頭15的能力使得可以在臂的末端處進(jìn)行有限量的葉片改變角度和/或剝離轉(zhuǎn)動(dòng)。
在本說明書的附圖13中,給出了一流程圖,它相當(dāng)詳細(xì)地描述了根據(jù)本發(fā)明的一典型臂的動(dòng)作。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人會(huì)理解,流程圖中的每一步驟的細(xì)節(jié)將取決于要求臂完成的任務(wù)的性質(zhì)。
因此,從前面的敘述中人們會(huì)認(rèn)識(shí)到,根據(jù)本發(fā)明的臂、控制機(jī)構(gòu)以及算法允許根據(jù)本發(fā)明的臂伸入到發(fā)動(dòng)機(jī)或者類似機(jī)械的內(nèi)部,而無需用中間的引導(dǎo)裝置??蓪⒛┒撕凸ぷ黝^15伸入到發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流口內(nèi),并且可對各臂的各臂段進(jìn)行控制,以使該裝置能在工作頭15的前導(dǎo)下在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)繞過各障礙物而一路前進(jìn)。這一裝置能進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的程度幾乎是不受限制的,當(dāng)然這也取決于臂的設(shè)計(jì)程度和對各臂內(nèi)的單個(gè)臂段或成組臂段的控制水平。各臂的馬達(dá)可裝在臂的鏈節(jié)自身上,或者可以如上所述地設(shè)置在遠(yuǎn)處進(jìn)行遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)。盡管使用引導(dǎo)件能為實(shí)現(xiàn)更深地進(jìn)入到要檢查的機(jī)器內(nèi)部提供幫助,但在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝用于引導(dǎo)內(nèi)窺鏡構(gòu)件的引導(dǎo)裝置的需要已大大減少了。
人們也會(huì)理解,尤其對渦輪機(jī)而言,該裝置可以經(jīng)由渦輪機(jī)內(nèi)的正常的空氣/蒸汽通道進(jìn)入到機(jī)器內(nèi),而且,人們還會(huì)理解,在沒有必要單為檢查的目的而在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的設(shè)置單獨(dú)的進(jìn)入口。這所帶來的優(yōu)點(diǎn)是,它能保持發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的強(qiáng)度和整體性,這樣,萬一發(fā)動(dòng)機(jī)在高速下?lián)p壞,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的諸構(gòu)件仍能保持作為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的密封策略的一部分,而不會(huì)因在繞發(fā)動(dòng)機(jī)外周設(shè)置進(jìn)入口而變得削弱。
根據(jù)本發(fā)明和如前所述的裝置也可以與系統(tǒng)化的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一起使用。已經(jīng)對通過檢測排出氣體中的離子成分來進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣、尤其是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣的例行監(jiān)控提出了建議。通過保持發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中的離子排放量的記錄,就可能構(gòu)造出一幅說明發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)可能發(fā)生磨損和/或問題的圖表。將這些信息與接近發(fā)動(dòng)機(jī)的各種零件的算法結(jié)合,就能在從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣監(jiān)控中得到一連串不可接受的離子成分測得值時(shí),基本上自動(dòng)地檢測出可能已磨損的區(qū)域。
這樣先進(jìn)的辦法將能縮短乃至幾乎確實(shí)能消除發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)性停車時(shí)間,并將最終會(huì)使這類發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)器、尤其是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率更高。
權(quán)利要求
1.一種用于檢查發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器或者在其上進(jìn)行工作的方法,其中工作/檢查的現(xiàn)場遠(yuǎn)離一接進(jìn)點(diǎn),該方法包括確定一條在發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器內(nèi)的到達(dá)所述工作/檢查現(xiàn)場的進(jìn)入路徑,將一工作/檢查工具安裝在一具有多個(gè)關(guān)節(jié)連接件的支撐臂的末端;為至少一些所述關(guān)節(jié)連接件設(shè)置控制裝置,并且使或允許所述臂進(jìn)入所述發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器,并沿其自身的縱向前進(jìn)而沿所述進(jìn)入路徑進(jìn)入,使工具到達(dá)工作/檢查現(xiàn)場。
2.一種利用如權(quán)利要求1所述的方法來檢查發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)器或者在其上進(jìn)行工作的裝置,該裝置包括一包括多個(gè)縱向臂段的支撐臂,每一所述臂段能相對彼此運(yùn)動(dòng)以形成一蛇形路徑或形狀,在或向著所述臂的末端的并適于裝載一工作和/或檢查工具的工作頭運(yùn)載裝置,以及用于控制至少一些所述臂段的控制裝置,所述控制裝置能夠?qū)ο嚓P(guān)臂段的形狀進(jìn)行控制,以使構(gòu)成臂的各不同臂段能形成不同的形狀,籍此,所述臂就可以沿著一預(yù)定的進(jìn)入路徑縱向地前進(jìn),使所述工具到達(dá)所述現(xiàn)場。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法或裝置,其特征在于,每一臂段包括多個(gè)鏈節(jié),每一鏈節(jié)能至少二維地相對彼此相對運(yùn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法或裝置,其特征在于,各鏈節(jié)和臂段保持于受拉狀態(tài)。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法或裝置,其特征在于,分別地控制每一臂段,且特征還在于,控制裝置包括用來分別和/或獨(dú)立于其它臂段控制每一臂段的裝置。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的方法或裝置,其特征在于,所述控制裝置可包括一伺服馬達(dá)。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的方法或裝置,其特征在于,伺服馬達(dá)裝置安裝在每一臂段上,或者它們遠(yuǎn)離其所控制臂段,并且在后一種情況中,控制裝置通過一根或多根保持于受拉狀態(tài)的金屬線來操縱臂段。
8.如權(quán)利要求7所述的方法或裝置,其特征在于,馬達(dá)是液壓和/或氣動(dòng)馬達(dá)。
9.如權(quán)利要求3至9中任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,每一鏈節(jié)能相對于其鄰接的鏈節(jié)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng),籍此,每一臂段能在至少二維上進(jìn)行彎曲運(yùn)動(dòng)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法或裝置,其特征在于,鄰接鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接包括二維運(yùn)動(dòng),并且其中鄰接鏈節(jié)之間的鉸鏈件通常是圓柱形的。
11.如權(quán)利要求8至10中的任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,控制裝置包括一帶子。
12.如權(quán)利要求8或9所述的方法或裝置,其特征在于,鄰接鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接包括三維運(yùn)動(dòng),并且其中鄰接鏈節(jié)之間的樞軸件通常是球形的。
13.如權(quán)利要求3至12中的任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,一個(gè)臂段中的各鏈節(jié)之間的關(guān)節(jié)連接保持于受拉狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法或裝置,其特征在于,一個(gè)臂段內(nèi)的各鏈節(jié)是剛度加強(qiáng)的,以提高該臂段中每一鏈節(jié)接頭的承載能力和位置確定性。
15.如權(quán)利要求14所述的方法或裝置,其特征在于,剛度加強(qiáng)是通過設(shè)置在鄰接鏈節(jié)之間的至少一個(gè)彈簧來實(shí)現(xiàn)的。
16.如權(quán)利要求15所述的方法或裝置,其特征在于,所述彈簧的尺寸確定成彈簧的壓縮力稍小于施加在鏈節(jié)接頭上的總拉力,而且使“搖擺”剛度選擇為對每一接頭給予一預(yù)定的彎曲剛度。
17.如權(quán)利要求9至16中的任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,臂段的控制通過金屬線來實(shí)現(xiàn),控制裝置拉緊所述每一金屬線,從而使一臂段內(nèi)的各鏈節(jié)運(yùn)動(dòng)。
18.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,控制裝置包括采用一種軌跡規(guī)劃技術(shù)的算法和一種基于適用拉普拉斯方程的勢場算法。
19.如前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的方法或裝置,其特征在于,控制裝置是一冗余的機(jī)器人控制裝置。
20.如前述任一權(quán)利要求所述的方法或裝置,其特征在于,工作頭包括用來將工作頭夾緊到工作環(huán)境中的周圍結(jié)構(gòu)上以相對于工件進(jìn)一步穩(wěn)定和/或定位工作頭的夾緊裝置。
21.如前述任一權(quán)利要求所述的裝置,其特征在于,包括一多段臂,所述臂的每一臂段包括多個(gè)鏈節(jié),所述每一鏈節(jié)通過關(guān)節(jié)接頭相互關(guān)節(jié)連接并允許相對彼此能有限轉(zhuǎn)動(dòng),每一臂段可操作地連接于其鄰接的臂段而形成一縱向的臂;裝載在臂的末端的一工作頭;多根延伸穿過每一鏈節(jié)直至臂段的末端的金屬線;以及用來調(diào)節(jié)每一根所述金屬線中相對于其它金屬線的拉力的控制裝置,所述控制裝置通過這種調(diào)節(jié)能使或允許臂段的各鏈節(jié)相對彼此運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)臂段的彎曲運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及冗余的機(jī)器人裝置以及使用它們的方法。本說明書揭示了一個(gè)能進(jìn)入某些機(jī)械和裝置的機(jī)器人臂的成套方法和構(gòu)造,若不使用所述機(jī)器人臂是難于進(jìn)入這些機(jī)械和裝置的內(nèi)部去進(jìn)行維護(hù)和修理的,因而該機(jī)器人臂在航空、渦輪機(jī)以及核工業(yè)中尤為有用。具體地說,本發(fā)明包括一種裝置,它有一包括多個(gè)縱向臂段的支撐臂,每一臂段能相對彼此運(yùn)動(dòng)從而可形成一蛇形路徑或形狀;在或向著所述臂的末端的并適于裝載一工作和/或檢查工具的工作頭運(yùn)載裝置;以及用于控制至少一些臂段的控制裝置,所述控制裝置能夠?qū)ο嚓P(guān)臂段的形狀進(jìn)行控制,以使構(gòu)成臂的各不同臂段能形成不同的形狀,籍此,所述臂就可以沿著一預(yù)定的進(jìn)入路徑縱向地前進(jìn),使所述工具到達(dá)所述現(xiàn)場。使用各個(gè)包括多個(gè)鏈節(jié)并且具有獨(dú)立的控制裝置的臂段的組合,就允許特別是這樣的裝置縱向地伸入到受限制的空間或通路中。
文檔編號(hào)B60S5/00GK1678937SQ01816556
公開日2005年10月5日 申請日期2001年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月18日
發(fā)明者R·O·白金漢, A·C·格拉厄姆 申請人:奧利弗克里斯品機(jī)器人有限公司
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