操作装置

本发明涉及可远鉅离揉作的揉作装置。

可由位操作人员邋过搡作親置实现远拒离操 作和检测。这样在处理有危险的物质时，它们（指 上述操作装置）就可用于请如受到艰制的人口或密 闭的场所的作业或探例如在矿井中采矿的射流切割中，也常常希望使用一种具有远拒离控制喷嘴方位和位置的装置的喷嘴.这种装置能使切割喷嘴。有水环境中足够近地接近要开采的岩层，以使切 割效率不因射流衰减而减低，射流衰减是由于喷嘴 和岩层之间充满过量的水而造成的.

根据本发明，现提供一种可远距离操作的操作 装置，它有-个喷嘴头，喷嘴头上有一个或更多个 甲十喷射流体束的喷嘴，流体束的一部分与喷嘴头 的轴线相垂直；喷睛头可通过一挠性的细长部件联 接在基准端上,还有-神用钢绳搡作以控制流过喷 嘴的流体的流量的装置，该钢缲在抹性的细长部件 的旁侧并J?它的曲率弯曲，便用时，钢绳的远距离 趋动操作使喷嘴头在空间定位.

各发明的-个实施倒中，该装置是-个切割喷嘴头，它有一个朝前的切割喷嘴，能受控地喷射流体。该流体例如可以是空气或水-该装置在周边上 句多个操纵喷嘴（以3个为宜），可在和切割喷嘴垂直的方向上向外喷射流体，流经搡纵喷嘴的流体 的流量最好用阀来控制，而阀則可通过钢绳或控制 找来进行远离操作。本装置还可有更多的能喷射 流体的喷咦，其-部分流体的嘖射方向是向后的。以便向携带装置提供向前的推力.另一方面，该装 置也可用诸如机械搡作这样的独立分离的平移方法 来使之移动.该装置通过例如一种挠性的不能扩张 的软管与远距离操作源相联接。钢绳或控制线可用 环或管子装在软管的周边上，而且例如通过一种控 制手柄系统，可使各钢绳或各控制线的长度变化不 相同，以使切割喷嘴定位在期望的位置上.这种结 构适用于例如可控地夹持一个对#矿井壁的切割喷 嘴

该装置町用于如空气.液体（即水和泥浆）之 类的各种环境中.

现仅以例子并参考附图来描述本发明。

图1是可操纵的操作装置拍立体图，图2是该 装置的喷嘴头的垂直剖面图.图3是该装置的控制 手柄的控制单元的结构示意图。图4所示为帮有控 制手柄的液压系统示意图。图5是应用于矿井采矿的可单元的结构图。是具有单个周边操纵喷嘴的操作装置的垂直制面图.

经济的矿井采矿需使切割喷嘴紧密地接近要升 采的岩层，以降低由周围液体引起的切割解流的衰减，图1所示为一可远拒离控制的挠性喷看，它能 进行内部的位置反镝并能自行产生复位力，该复位 均可抗衡使喷嘴德离期望位置的干扰力.该晴看构 成的操作装置有以下各组成部分：喷嘴头（1） 挠性软管（2),和操作钢绳系统（3).诙喷嘴头 有-切割射流喷嘴和三个周边的操纵射流喷嘴 (5).这些搡纵射流喷嘴都具有相应的滑阀(6）并能喷射与主喷嘴头轴线垂直的流体.喷嘴头和 节挠性管道或软管（2)相联接.软管（2)上装 有导环（7),三根等距分布的绞合钢绳（3)装置。 导环中并用来撵作操纵射流喷嘴<5)的滑阀 (.b).钢嫌(3)以软轴钢绳和远距离的撇作源 匕如控制手柄9)相联接.而软轴钢熥终接-ftA! 定的基准端（4) X.基准埔(4)有一个支揮 环，支撑环上有软轴钢燬外套管（8)的幺个附《_ 点.

可供选择的不扩张的软管系统有：其他的挠性 件,如波纹管或比如说金属的蛇形贫或塑料紂质结 构.

图 2是喷嘴头更详细的结构图.成喷嘴夹有 尼龙座体（10)，座体有一个朝前的切割喷嘴

(11)和三个等距径向分布的搡纵射流喷嘴

(12),喷嘴(12)喷出的流体的方向与切割射流 喷嘴(11)相垂直.喷嘴头有一个控制切割射流 晴?的同轴的柱塞阀（13),柱塞阙由接出?引来 的并穿过软管（18)的拉绳（14)带动.每一个 操级射流喷嘴(12)都由被钢绳（16)操纵的滑 阀（15)来控制.喷嘴头还有一个反冲射射流喷嘴 (17〕，它的喷射方向能使喷嘴头向前进.喷嘴头 和挠性软管联接，挠软管的搏边上设有用来安装 钢绳的导向环。挠性软管（18)通过联接器和两 个自由度的拉制手柄组件式的控置单元联接，该拉 制手柄组件通过钢绳以机械方式搡纵该喷射头（见

使用时，三拔襯_组?件筹K径向分布的射流 和嶼看组件内的滑阀(6)来调制,以驱动喷

碥组件到达期望的任何位董（见图 1).在软管 -2)的固定靖邋过三根锢嫕（3)来控制滑W 三根钢縳m的长度可以不同地改变，以 苹该噴嘴定在期。的位置上*钢绳（3)在软管的 浇性部分的周B等距分布.并鑛软管一起在任意平 面内弯因为内弯曲和外弯曲在半径上的差别， ?率的变化将以?长度*变化的形式被检90出来，因 而钢绳具有自动的位竄反请的作用.

滑阀〔6)的结构安排使锏樾伸长时掸纵射流 。流量和推力都增大，反之亦然，这种自动校正的 砵性，坷以软管弯曲郤分外*的一根钢绳的情况来 兑明.W果曲率小于期望值，那么内、外钢绳长度 :..的差值将因为小于期望的半径差而被扩大.因此 卜钢绳将在味衊头处仲长，悚滑阀打开.增加射淹 吃推力，砵趋尸朝期望位置方向增大曲率，当到达 朗粜位贫时，曲率增大将使钢蠅短' 直至定位 W淹达到平衡而喷嘴停止ft射为止.

因为制熥仅控制潸阀，其作用力不大而且几乎 吵匕变化的（定值>,滑阃纗部的滇体压力产生一 s 4的拉xr以克服钢绳的摩擦力和平衡钢蠅的张 还装一个弱殚簧，以梗在低压?起动?条件下 变谈阀能随钢绳一起运动.

此该装置是通过钢缰的位置来进行拉制的' 韵绳町与‘个商单的控制手柄机构(9)机械地联 邊-或动栓制装跋联接.图3所示为供这种用 來的…个简单的控制手栴单元.控制手柄（I的 ??球後失安装在-个.三角形的底板（20)上，'球 碡头羟许控制尹柄在两个平面内摇摆.引向底板三 '角堉的二根软轴钢樾的内绳(21)联接在控制 枘的中点上，而软轴钢蠅的外套管（22)则终 滲舟-底端的二个角端上.满节件（23)可细调软 袖钢蜷的长度.d根内蠅（21）构成一个三角形 哟锥体（四面体），而控制手柄在任何方向上的运 动都有差别地改变各根内绳（21)的长度，这样 減柯该装置上的每根钢绳提供了必要的线性输人信 -3,该喷嘴能绕软管的固定讀在一个半球面内摆 功.喷嘴将自动地被驱动到一个确定的位置上?其 置精度由滑阀位移的差动量来确定。滑阀的位移 操纵射流在磺定位置达到平衡.喷嘴上任何傾向于使它偏离期望位置的力，都将通过锅绳上。可感知

到"的长度变化而自动地被检测出来，而三个搡供 射淹的强度将被期节到一个能抗衡干扰力的新的平 雔上.

该装置能检测到妨碍它到达期里位置的障碍物 的存在，并将这一侑息反馈給远距离控M的控制手 m,由于对控侧it人的响应速度高，所以该9嘴栽 体的位置、爾度及速度与控《手柄的偏转量及速度 ttiHlt.如果该装置的运动4?遇到/S能移动的障碍 物.而此时如果操锹射流的控制W已达到最大行 程，则该控制手柄就不可能再向该方向进一步移 (搬）动.当具有全机械式的软轴锎缚控制的联接 环节时，就为嘖嘴的角度偏转提供了一种通障的自 动教力反馇功能.

切割射流的反作用力可用固定的平衡器的射渣 来抗衡.有一种结构安排是使后者（平衡器）抗衡 比如说80%的推力.现在三个搡纵射流向后成一 定角度分布，比如说朝向软管的固定靖成30° 角.通过所有三根钢绳的综合的移动，操纵射流的 总强度可发生变化，其变化量比如说是切割射流推 力的10% ~ 30%.这样一来，总的全部平衡推力 可调节为切割射流推力的90%-110%,实现了喷 嘴的?前进和倒退?控制.另外搡纵射流（12)可应 用在与切割射流（11)相垂直的方向上，并可使 用一个提供向前推力的独立的射流喷嘴（17)(见 图2).

为了经济地开采大矿洞，可把软管的挠性部分

连接毎来，每个部分都可通过它们各自的一罃 噴嘴和钢蠅独立地进行控?.如果香要，软管的挠 性部分可以用期性的节管联接来，在这神情况下. 有关的控制射淹应位于刚性部分的外瑞.

如果由诸如同轴的软管提供独立的操纵射流 SU就具有可移动的吸头的功能，吸头的主要 通道与射流菜或其他类似的装置相联接.

下面描述该装置的其他可能应用类型.

该乘置可用作潜水駕、遙控车辆或海底和岸上 机器人装置的嫌性搡作臀.

在一个实施例中，可用安装在噴_座体的端部 工具或夹爪来代替装置的切割射嫌嗔嘴.挠性的不 可扩张的软管郎分被流体（例如水或压缩空气）所 胀满’形成一个挠性的支撑体，用以带动喷嘴座体 和夹爪部件.喷嘴座体和夹爪相对于固定靖的位 置，如上所述是由搡纵射流来控制的.通过三根钢

缰的线性伸展撖缴射淹期动整个软管达到所期望的 曲率.

用无振荡几何结构的其他阀 (例如提升阀）取 代前面介绍的滑阀，可提离位置精度.相对于钢绳 伸长“误差”倌号的任何给定量来说，这些阀的初始 开口率都高得多.这将使―达到平衡时的阀 的位置及钢绳的“偏离”都潘多，使实际的平衡位 置和期望的平衡位置之差变小.各阀和各操纵射流 对任何干扰夹爪偏离它的期望位置的作用力的反应 也将变得更快。例如，一被夹爪夹起的物体将把它 的重力传至该装置的‘臂"上，搡纵射流就自动地对 这一新作用力进行检测和补偿.

正如类似的机械的，电气的，或液压的）控制 系统的情况一样，阀的灵敏度和自激振荡之间的平 衡将限制位置精度的最大有效值.

端部工具或夹爪的本身可以是多功能的，倒如 除抓持外，还可有“臃部转动?.这些功能可以机械 厅式或电气方式进行控制，或用穿过挠性软管 (内）孔的其他钶缌来控制，并可利用储存干软管 内的压力工作流体来驱动.

两个或更多个的有效的装置分部可以联成一 体，每个分部都具有独立的控制功能.这将使夹爪 和端部座体具有准确的六轴旋转和平移的性能.

-项曲型的在非潜水机器人操作机方面的应用 就是作喷涂“臂”.喷涂装置将安装在喷嘴座体上， 喷嘴座体的空气供应来源于挠性软管内的“工作”空 气（即压缩空气），该挠性软管也向各操纵射流提 供动力，

在上述的实施例中，钢绳的位置是借助于软轴 钢_的伸展由远里离控制手柄控制的.在几个实施 例中，这种控制必新胯越比如说5米多的脱离，软 轴钢嫕内的摩擦将会妨碍芷常的控制.在这种情况 下，软轴钢绳可用电气的.液压的或气压的线性定 位雜来代替，该定位器用控制手柄或软件驱动控制 装置进行远炬离控劁.由定位攥至控制手柄的全位 *反擴是最重要的.理论上讲，力的反馈也是必不 可少的，这是因为和伺服-蛇形控制方法的障碍检 测的质量有关，如果没有力反馈，这神控制方法就 无法建立.

图 4介绍了一种简单的，低压的，液压的“控 制用的?系練.为简单起见.只表示了一根钢孅的

“通路”，而为了控制每一个装置分部的三根钢绳。

总共需要二个?通道-.控制手柄（24)装在、'妹 接头（25)上，并与一低压液压to (26)相联 接.活塞的压力埔通过通路的管道（27)(可能# 上百米长），与装在装置固定（基准）竭的伺服掖 压缸（29)的压力靖相联接.伺*液压ft! f.2t 用来控制处于张?状态的钢缚(30)的长度.

控制手柄和伺服液压40；活塞的其余?部4普通 的阁通管路（28)相联接，构成液压的环路.

移动控制手柄（24)将引起它的液压妞活《 移动=推动液流，并使伺服液压缸随动，使钢绳科 动到一个新的位置.在控制手柄上将?感觉’到移a. 钢绳所箱的力.

由于钢绳的张力作用，环路(27)的信号俱 管路中的液体总是承受着压力，因此，液压缸中的 任何泄漏将导致伺服液压j￡I活塞向F移动，破坏它 (活塞）和控制手柄液压缸活塞的柜对关系，如果 控制用的管路<27)和（28)很长，液体或管道 的热雎胀或收缩也会干扰上述关系。

环路的两端通过真空断流阀（31)和溢流眯 (32)和储油箱（33)相联接。

液压缸位H的任何失调都可由控制手柄单兀煳 期性地重新复位，而无须利用远距离控制的伺服液 压to的定位功能，假定伺服（液压缸）活塞将到达科 动全比如说行程的25%处，其重新复位的过程如 F： (a)控制手柄液压缸朝它的全伸出位置方_问 移动.（b)因为位置失调，伺服液压缸）活塞将 到达它的行程的末?，而控期手柄液压缸仍仵 25%处，这可通过移动控制手柄所裔的力的增加 而被检测出来.为了判断，可通过控制手柄在该点 的偏转量推导出失《的程度.(c)当检》到伺*液 压fel的端点时，复位阈(34)被打开，容许液体 由控制手柄液压魟活塞的左_移至右靖.并使活 塞到达它的行程终靖.现在W个液压于它们 的基准位置，而且（d)关闭ft位? (34)和使控 制手柄液压St返回到它的工作位置，这就恢复了正 常的操作，这将导致伺服植压IE和锎嫌鐮动.

在正常的和复位的揚作中，校鑛环路中的任何 掖体损失.都经过真空麟癱_由镛械鳙来补充.

正常系统的压力低于10 巴,伹高于控?手柄 上的力，或者说钢绳上的非正會栽赛可?过这一数 值.可使用使抽液減屙嫌癘_ (32)来 防止两管路的过压.因为控两镰良瘋引龜的

油液损失将导致失调，溢流?将被打开，以便在控 制手柄单元上显示出瓣要进行复位掭作.

实用的系统具有三个如上所述的环路，每一根 钢绳有一个环路.因为成本、筒化等方面的原因， 环蹐(28J的三个回路侧可和用<35)代表的单 根管路联接.因此三个独立的控_道路只窬要四根 软管.总共嘗要四套M (31)和（32).

f常搡作中，三个控制手柄液压缸的仲出fl是 独？地变化的，以便向三根钢蠅传递三个位a信 息：复位过程中需使所有三个控制手柄液压缸同时 移动至它们的基准靖.这可通过松开机械式钡环 (36)来做到，松开时可使手柄通过球接头而垂直 地F滑，直到所有三个液压it到达它们的全伸出位 a.个复位阀（34)成组地联接在一起，以简 化換作.

如果乒柄f半部的垂直长度是由机械装置（比 如气缸j控制的，当检测到失调或溢流时，就能自 动地进行复位操作.

L.述系统为控制手柄和钢姆之间提供了一种低 成牟的联接寒置，具有最小的摩寒和完全的位置的 和力的反饿，

图5表示出进行矿井采矿的情景，其中应用了 I发明的携带装置.矿井部分（37)和矿穴 (38/联通，其内有一个可控和可操纵的能艰走已 挖出的矿石的吸头（39)及一个可搡纵的切割头

(40)..该切割头从岩石上“割下”比如说矿石，而 被挖出的矿石则由吸头（39)收集.

图6表示可供选择的一种噢头形式，它具有一 个单独的环形的流体出口.噴_[头由第一锥形部分 14)和第二锥形部分（42)构成，第一部分

(41)可“浮”在第二部分（42>之上，以形成一个 环形的出口（43).穿过软管（47)上的导向环 (46)的钢嫌(44)(装在软管周边的三根钢蠅之 ..、的运动，使浮动的第一相对于固定的第 二邢分的移动，导玫液体射淹形成一个不对称的 环，而使喷嚷头产生空闻位移.以上介绍的实施例， 中还有-个切割喷嘴(45).