我们的共同待审查申请WO02/016995描述了这种臂并要求对其的保护， 其内容以参见的方式纳入本文。该臂具有适于承载用于在某场所进行作业或 检测的工具或检测构件的作业头，以及用于作业头的操作控制的操作装置。该 臂适于能够以“末端遵循(tip following)”方式到达该场所以将作业头设置在 所要求的操作位置。这使用控制各臂节段相对于基准点的位置和/或姿态的控 制装置来实现，由此使臂能够遵循和适应预定路径。
这种类型的机器人臂可称为“蛇臂”，因为它们能够沿其自身长度纵向前 进，因此能够遵循蜿蜒的路径。其优点是这种类型的臂可用于通往作业场所 的通路受到严格限制的环境。
例如，在某些这种蛇臂中，可精确控制各节段内链节的关节连接以使臂能 够遵循盘旋的路径以将作业工具引导到例如机器内或人体内腔中的受限进入 路径内。
但是，这种构造要求精确制造每个部件以使各对链节之间关节部位处的摩 擦损失最小。在多链节分段臂中，这些摩擦损失增加，且在操纵臂时所要克 服的总体摩擦损失可能相当大。因此需要一种其部件的制造相对简易且摩擦 损失显著降低的装置。
在构成WO02/016995的主题的臂中，各节段通过终止于节段远端的被驱 动控制缆线来控制。设置弹簧以将各链节偏置抵抗由控制缆线所施加的压缩 力以降低摩擦。尽管成功实现其目的，但这更增加了系统的复杂性并因此增 加了制造复杂度和成本。
我们的共同待审查申请WO02/100608中提出了另一种方法，其内容也以 参见的方式纳入本文，该方法省去弹簧并改为将粘结到或键入构成关节的两构 件的一层橡胶或弹性体材料插入节段内相邻的链节之间，橡胶提供产生接头的 “刚度”所必需的弹性剪切能力。尽管该设置显著地令人满意，但它同样增 加构造的复杂度。
本申请人已发现，通过使用互连到节段内各个链节串的至少一个弹簧，可 产生在可制造性方面、增加轴向载荷和抗扭刚度方面，以及实际上增加所得臂 性能的选项方面的显著优点。

因此，根据本发明，提供了一种机器人臂，包括：-多个纵向节段，所述 纵向节段端到端延伸以限定臂的纵向轴线，其中各个节段包括多个链节，各个 链节能够相对彼此关节连接；用于节段的致动装置，该致动装置通过节段的 各链节之间的关节连接致使或允许节段弯曲来控制节段的形状；以及控制装 置，该控制装置用于控制致动装置以致使或允许不同节段沿臂采取不同的或相 关的形状以限定臂的所要求的空间姿态；其特点是，螺旋弹簧装置与臂同轴 安装并与节段内的链节配合，从而致使或允许链节倾向于初始基准位置，并在 节段的各链节之间分配所述关节连接(articulation)。
在节段内的各链节由诸如控制缆线之类的致动装置保持受压缩的情况下， 弹簧装置可设置成对节段内的链节施加拉力以降低各链节之间的摩擦，同时保 持节段的扭转刚度。
或者，弹簧装置可设置成保持各链节受压缩以降低致动装置中的负载并将 臂保持在一起。在该情况下，即使致动装置不对各链节施加负载，臂也可保 持其形状。
弹簧装置可包括单个弹簧，该弹簧互连到节段内的各链节。或者，可采 用多个弹簧，各个弹簧可操作地与节段内的各个链节互连。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于机器人臂或蛇臂的节段的链节组 件，该组件包括沿臂的纵向设置的多个链节，各个链节适于相对彼此作有限运 动，各个所述链节相对于所述弹簧装置固定，该设置使得所述弹簧装置可通过 弯曲变形。
在本发明的另一方面，弹簧装置可以是延伸节段整个长度的单个弹簧，各 个链节可选地固定地附连到该弹簧上。更具体地说，弹簧装置可以是螺旋弹 簧。各个链节可附连到弹簧的螺旋结构上。各个链节可附连到该弹簧使得相 邻链节偏置分开。螺旋弹簧可围绕节段的链节组件设置在外部。
在替代实施例中，弹簧装置可设置在链节组件内部。本领域的技术人员 应当理解，可使用弹簧的各种组合，可在链节外部提供多个弹簧以提供对臂的 有效包覆，或可提供内部弹簧和外部弹簧的组合，各个弹簧的特征选择成对臂 赋予预定特征。因此，例如通过选择弹簧或多个弹簧的适当组合，臂更易于 适用于最终采用臂的特定目的。
弹簧通常用于拉伸或压缩。在本发明的一个方面，各链节的设置和各链 节的连接限制弹簧使得其仅可弯曲以形成弧形。各链节可通过适当的装置附 连到弹簧，诸如使用粘合剂或者通过夹件或销或者通过焊接或者通过机械键装 置。
在本发明的较佳实施例中，各链节可设有配合装置，以使各链节能够相继 旋转地与弹簧配合。此外，各链节设计成具有位于螺旋结构上的沟槽或一组 齿，以与弹簧配合。
在本发明的另一方面，弹簧的空载节距比链节上配合装置的节距稍长或稍 短，使得当各链节相继旋转地与弹簧配合时，该结构设置成弹簧将相邻链节推 压分开或推压在一起。如果链节被推压分开，这降低相邻链节之间界面处的 任何施加的压缩荷载。如果推压在一起，这有助于确保使用期间各链节正确 地配合。如果过大的力使各链节脱开，弹簧会使各链节在去除力时再配合， 使得臂可从损坏中恢复。
可设置端帽装置以与节段的第一和最后链节配合并与弹簧配合，以确保所 述链节能够相对于弹簧转动。
在本发明的一实施例中，节段内相邻链节可相对于彼此关节连接，使得节 段以紧串的珠列的方式弯曲。关节装置可以是本领域的技术人员已知的任何 适合的技术。但是这种关节装置应当较佳地能沿节段提供服务且用于提供节 段的关节连接和控制装置。
该关节装置还限制相邻链节之间的自由度，从而将各节段的变形模式限制 成响应于致动装置的操作仅作弧形弯曲。
在本发明的一方面，关节可以是简单的球窝接头，其使各节段能够相对于 彼此弯曲。关节可包含用于将一链节相对于另一链节固定的装置。在替代实 施例中，可省略该固定装置并通过所述弹簧装置和/或通过拉力装置保持节段 内的各链节。
相邻链节沿弹簧的螺旋结构的附连点的间距显著地影响完成的臂的灵活 性。本领域的技术人员应当理解，螺旋结构相对于节段的纵向轴线的倾斜度 与完成的臂产生的灵活性之间存在一定的关系。
一般而言，较佳的是，在相邻链节上的附连点之间有弹簧螺旋结构的大约 一个或多个完整的绕圈或线匝。缩短它，导致臂弯曲能力降低；加长它，则增 加可能的灵活性。本领域的技术人员还会理解，如果基本上少于一个完整弹 簧线匝或绕圈在相邻链节之间自由运动，则螺旋结构可能受到过度限制且可能 经受比至少一个完整的弹簧线圈在相邻链节上附连点之间自由移动的情况要 高的应力。
通过采用沿其长度具有不同节距的弹簧装置可赋予节段以可变的拉伸或 压缩特性，从而在链节一旦插入时改变弹簧内的预拉力或预压缩力。或者， 弹簧可以具有恒定的节距，且链节上的配合装置的节距可以不同，以在一旦链 节插入时改变弹簧内的预拉力。预拉力或预压缩力的这种变化可用于便利相 邻链节之间关节的设计。
本发明提供用于以上公认的我们的现有申请中所述的臂的控制装置，这些 申请的说明书的内容以参见的方式纳入本文。
在典型的实施例中，可设置三根线来控制各个节段。各根线附连到致动 器并从节段的一端延伸到另一端，由此操作致动器来改变线中相对彼此的拉 力，致使或允许链节弯曲，由此控制节段的运动和形状。线之间施加不同的 拉力致使或允许节段移动或弯曲。用于致动器的控制装置可包括软件以致使 或允许臂以预定方式运动。
在本发明的另一方面，机器人臂可具有一个连续的弹簧。或者，各节段 可具有不同特征的分开的弹簧。
在本发明的另一特征中，可设置与第一弹簧同心的第二弹簧并将使保持受 拉或受压，从而各链节受到第一弹簧和第二弹簧两者的限制。
在本发明的又一实施例中，可使用一个以上的弹簧。在特定方面，可使 用相同直径的三个弹簧，使各个链节通过例如穿过弹簧上孔的简单销附连到所 有三个弹簧上。
在另一实施例中，可使用相同直径的三个或以上弹簧，使各个链节通过本 文所述的任何装置附连到所有弹簧上。在另一实施例中，可使用两个或多个 不同旋向的弹簧或相等直径弹簧的弹簧组的组合，各个链节附连到所有弹簧， 从而链节相对于一个弹簧的转动会导致另一弹簧内的拉力或压力的变化，所述 拉力的变化用于限制链节相对彼此的进一步转动。
本发明能够获得将“蛇臂”包含在小得多的装置中的确实的优点，这些小 得多的装置因此能够在受到多得多限制的环境中作业。此外，根据本发明的 臂构造允许比迄今为止的臂构造的结构更简单，因此能够进行更快速和简单的 构造且因此显著降低成本。
另一优点是使弹簧能够提供对装置的罩盖或护套的支承，或提供用于维修 的内部管道或穿过装置的中心的缆线的基础。越来越需要提供一种根据本发 明的用于臂的罩盖，以将臂结构与其进行操作的环境隔离。这种罩盖或称“皮 肤”的特性取决于使用臂的环境。在本发明的另一实施例中，皮肤可包含弹 簧装置，从而替换上述弹簧本身或补充其效果。
本发明的另一实施例使弹簧可以是非金属类型，诸如由塑料材料制成。这 允许臂由非金属构造。
附图说明
以下是仅为示例方式并参照非正式附图给出的对实现本发明的方法的描 述。
附图中：
图1是本发明涉及的现有技术分段臂的示意图。
图2是图1的臂的节段的示意图。
图3是根据本发明的臂的节段的一部分的侧视图。
图4是沿图3的线A-A的剖视图。
图5是图3的立体图。
图6a、b、c和d是图3、4和5的臂的链节的详图。
图7是用于图3的臂的改进的链节的侧视图。
图8a是使用图7的链节的臂的节段的一部分的侧视图。
图8b是沿图8a的线A-A的剖视图。
图9a、9b、9c和9d是根据本发明的替代链节构造的详图。
图10a是包括图9的链节的节段的一部分的侧视图。
图10b是沿图10a的线A-A的剖视图。
图11a是本发明的另一实施例的节段的一部分的立体图。
图11b图11a的部分节段的链节的立体图。
图11c是图11a的侧视图。
图11d是沿图11c的线A-A的剖视图。
图12a是示出在链节组件的内部包括弹簧的部分节段的立体图。
图12b构成用于图12a的链节的两个立体图。
图12c是图12a的侧视图。
图12d是沿图12c的线A-A的剖视图。
图13a是多弹簧组件的立体图。
图13b是用于图13a的链节的侧视图。
图13c是图13a的侧视图。
图13d是沿图13c的线A-A的剖视图。
图14a是示出使用内部和外部弹簧组件两者的部分节段的立体图。
图14b是用于图14a的部分节段的链节的立体图。
图14c是图14a的侧视图。
图14d是沿图14c的线A-A的剖视图。

参照图1和2，如图所示的臂包括三个节段10，各节段10包括多个链节 元件11。各节段10通过关节接头12连接到其相邻节段。臂的远端13承载 包括工具15的作业头14。
各个链节11能够借助于关节接头21(见图2)相对于其相邻节段进行有 限运动，且节段10作为整体通过控制线22和23来控制，这些线延伸穿过各 中间链节11并固定地附连到节段10的端部元件25。各控制线延伸到图2中 大致以标号24表示的致动装置，可控制该致动装置以对各控制线提供变化的 拉力。在正常操作中，各控制线22和23保持在轻微的拉力下，以对关节连 接的链节接头21施加轻微的压缩力。为了使节段移动，适当的致动装置对上 部控制线22施加增大的拉力，且将增大的拉力施加于端部元件25的上部附连 点26，这使得端部元件向上移动，且因此使臂相对于其基准位置向上弯曲。本 领域的技术人员应当理解，如果通过关节连接的链节接头21有合适的运动自 由度，则通过提供三根控制线，能够实现臂沿三维中任何一维的运动。
现转向本发明，图3至6中示出其简化版本，各个链节11被单根连续线 螺旋结构30所围绕，控制线23和22如前所述地穿过链节。各链节11是盘 31的形式，该盘具有大致凸出的上表面32、类似的凸出下表面33以及包括螺 旋凹槽35的大致圆柱形的边缘34。
如从图6a中显然看出的那样，盘31设有周界间隔的、轴向对准的孔36， 各孔适于容纳控制线。这些孔朝向上端和下端设有凹槽，从而各孔朝向出口 直径稍微增加。在所示的特定实例中，有可用于四节段臂的控制线的12个孔 36。
如图4所示，凸出表面32和33适于邻靠下一相邻链节的相应表面并构成 保持链节间距的支承表面。链节间的这种支承设置没有扭转限制，且在该情 况下，线23、24内拉力的增加会提供增加的扭转刚度。
外部螺旋沟槽35适于容纳螺旋弹簧37，螺旋弹簧37可以可选地通过销、 粘结剂或其它适当的装置固定地附连到链节11。螺旋弹簧37到盘11的外表 面的附连可实现成：在没有拉力施加到控制线的臂的静止位置，在相邻盘11 之间有微小的间距使得当有拉力施加到控制线22、23时，外部螺旋弹簧37设 法将相邻链节11偏置开。
在替代实施例中，链节可附连到螺旋弹簧37，使得在静止位置，弹簧已 处于拉力，以将链节11推压在一起并将它们保持在压缩力下。
在图3至6的特定实施例中，除了由控制线22、23上的拉力施加的限制， 对施加到节段内链节上的剪切力没有限制，从而链节可相对于彼此侧向移位， 而没有恢复剪切偏移的现成可用装置。此外，设置中心孔是不可行的，因为 盘的整个凸出表面用作承载结构。
图7中示出改进的节段。其类似于图4至6所示的节段，不过其在上部 凸出表面32上设有凸出的球部40并在表面33的下侧设有适于接纳下一相邻 链节元件11a的球部40的球窝41。在该情况下，各链节元件11设有从球窝 41的底部向上延伸到球40末端的中心孔42。如从图8b中明显看出的那样， 节段内相邻链节11的孔42会提供用于沿臂的长度提供维修的连续管道或导 管。
球和球窝结构的大小且因此中心管道42的大小很大程度上由一个链节和 其相邻链节之间的相对运动的所要求的程度以及所要设置的用于控制该段臂 的线的数量确定。同样，链节间的承载结构没有扭转限制作用，且这是线拉 力的增大会增加装置的扭转刚度的另一种情况。
与以上图5的实例相比，通过球和球窝提供的侧向限制来克服剪切限制的 问题。在考虑直径相对大的臂的情况下，则这种球和球窝结构的摩擦力倾向 于增加，且这降低各节段在使用时采用实际弧形形式的倾向性。应当注意， 容纳致动线或绳23、24的孔36在标号43处朝向各端设有凹槽(fluted)， 以在链节11相对于彼此以一定角度倾斜时使线能容易地穿过各孔内。
图9和10中示出各链节元件11的另一改进，其中各链节元件设有上述中 心孔42，且下部凸出表面33设有一对径向间隔开的球50。上部凸出表面32 设有一对相应的凹陷51，这对凹陷设置在基本上与下部凸出表面33上包含球 50的直径成直角的一直径上。当如图10b所示组装时，一链节11上的球50 与相邻链节的上表面上的凹陷51配合。如上所述，中心孔42会对准或相应 以提供中心管道。但是，在该情况下，球和凹陷承载结构的相对角度允许相 邻链节之间仅沿一平面以铰链方式移动或弯曲运动。图10b中下一链节11a 相对于包含链节11、11b的铰链的平面以直角铰接。这样，保留臂的全部灵 活性，同时球和球窝结构提供扭转限制，使得该组件的扭转刚度不会受到线拉 力的影响。应当理解，在该情况下中心孔的大小仅受到球50和相应凹陷51 之间分开距离的限制。此外，球50和其相应的凹陷或球窝51可选择成尽可 能小(取决于要求它们所接受的荷载)，这具有使铰链位置处的摩擦最小的效 果。所示组件中链节之间的接头只有一个自由度，因为它们是铰链，从而交 替的接头相对于彼此成角度设置。该角度设置不一定要是直角。通过这样提 供角度间隔，该节段可以几个自由度来弯曲。在本发明的替代实施例中，铰 链接头可对齐以得到仅具有一个自由度的节段，这仅适于平面应用。
图11中所示的实施例是参照图10描述的实施例的变型。在该实施例中， 盘31的圆柱形表面或边缘34设有多个周向间隔的凸片60，各凸片构造成提供 支架或配合件以限定接纳螺旋弹簧37的路径。凸片60提供与面向下的支架 62并列且周向间隔开的面向上的支架61，支架的表面适于支承抵靠螺旋弹簧 37的一部分的表面。凸片和支架结构使得围绕盘31的外圆周表面34限定一 螺旋路径，从而弹簧37可卡在凸片60与支架61和62之间。弹簧同样可以 可选地通过销、粘合剂或任何其它适当的固定装置牢固地固定到盘31上。
在该实施例中，中心孔42是大致方形截面，其尺寸仅受到球和凹陷之间 分开距离的限制，且如前所述，相邻链节之间的接头仅具有一个自由度。该 结构可易于模制并使各部件易于通过塑料材料注模制成。
参照图12所述的实施例是上述的变型，不同之处在于在该情况下弹簧是 内部弹簧70。为了适应该情况，中心孔42是大致圆形横截面并设有内部沟槽 71来接纳和定位弹簧70。中心孔42在其各端朝向各端地附加设有一直径较 宽的部分72，以使当链节11相对于彼此弯曲时弹簧能够移动或弯曲。单个内 部沟槽71可机加工而成或通过复杂铸造或注模而制成。如上所述，各链节元 件11可以上述方式固定到弹簧。
图13示出可采用多个弹簧的实施例。在该情况下，盘31的圆柱形边缘 34设有多个沟槽或带面(land)75，各沟槽或带面适于接纳螺旋弹簧37的螺 旋结构。在所示实例中，可采用三个相同的螺旋弹簧37，各如上所述固定到 沟槽75内。或者，各弹簧可具有不同的性能以赋予节段以不同的性能。本 发明的一方面设想具有多个节段的臂构造，各节段具有与其相邻节段不同的特 性。
现转向图14的实施例，该构造具有内部弹簧70和多个外部螺旋弹簧37 的组合。各链节元件11的基本构造相同，具有中心孔42，中心孔具有以上大 致参照图12所描述的螺旋沟槽。本文的优点在于螺旋弹簧的旋向可不同，且 左旋和右旋弹簧组组合有助于在使用时保持组件，例如，如果在操作时弹簧组 之一开始“卷起”则该作用会受到其它弹簧的抵抗。
在图14的装置的组件中，关键是链节先旋到内弹簧70上，然后再施加一 个或多个外部弹簧37。
本领域的技术人员应当理解，各节段内的各个链节是相同的。通过在相 邻链节间仅提供一个自由度，不需要另外的移动部件，且可通过弹簧的组合和 操作线或绳中的拉力来施加必要的拉力。因此，这样构造的臂变得相对简单 且部件的大量机加工可减少到最少。此外，在链节元件11是塑料材料的情况 下，设想到该构造允许使用注模部件。
因此本发明提供比迄今为止的方法成本显著降低的“蛇臂”生产方法，此 外，还允许生产对于任何给定的致动器阵列和控制系统能够方便互换的具有不 同特性的臂。