在传统技术中，诸如发动机和包括一外壳的机器之类的机械设备按定期的 保养计划进行保养。在故障的情况下，一操作者或工程师将按故障排除程序通 过一系列的功能试验运转机器或发动机，并记录下机器或发动机对每一试验功 能的反应。从观察机器对给定试验功能的反应或反作用，至少部分地可诊断机 器故障的大致区域。此后，一定程度地拆卸机器，以能对可能的故障进行识别 和实施修理。
我们的未决的英国专利申请No.0020461.0(本文援引该公开专利以供参考) 描述和提出一种包括一工作头的装置，其适于承载一工具或检查元件，以便在 机器内的某一部位进行工作或检查，该装置包括一用于工作头的支承臂，所述 臂适于进入到所述机器内，以将工作头定位在要求操作的位置，用于所述工作 头的操作控制的操作装置，以及用于控制所述机器内的臂的姿势和定位的控制 装置，其中，支承臂包括至少一个具有多个连接件的段节，各连接件与其相邻 的连接件环接，以及用来根据一数据来控制所述段节的位置和/或姿势的装置， 由此，能使臂在机器内随从和适于一预定的路径，从机器外壳的进口到达工作 的部位。
在该应用中描述的本发明的一特定方面，各段节包括多个连接件，相邻连 接件之间存在一定程度的环接。通过在张力状态下保持各段节中诸连接件的环 接，可精确地控制各段节的空间定位，以使臂能循一回旋的路径引导工作工具 进入到机器内。因为其具有能以蛇的方式沿其本身的轴向延伸、并绕过障碍流 动从而循着一回旋的路径前进的能力，所以，这种类型的臂有时称之为“蛇”， “蛇形”或蜿蜒臂。
在英国专利申请No.0020461.0中描述的发明，要求对各部件进行精心设 计，以将各对连接件之间的环接点上的摩擦损失减小到最小。在一多连接件的 段节中，这些摩擦损失累积增大，因此，在一多段节的机械手臂中，在操纵臂 的过程中，须克服的全部的摩擦损失可以是相当大。因此，要求有一种装置， 其中，诸部件的制造相当地简单直接，且可减小摩擦损失。在英国专利申请 No.0020461.0中特别描述的装置中，可设置弹簧装置来偏压各连接件，以抵抗 由控制电缆作用的压缩张力。

本申请人业已发现，通过配置诸弹簧，并代之以插入一层橡胶或弹性体材 料，或粘结或键接到构成一段节内相邻连接件之间的环接的两个元件上。橡胶 可在环接的部件之间构成一固定摩擦的接触，而同时提供产生接头“刚度”所 必须的弹性剪切能力。
因此，根据本发明的一个方面，为一机械臂或蛇形臂设置一连接件组件， 其包括：
第一和第二连接件件，各适于作一个相对于另一个的有限制的运动，
以及弹性体装置，其设置在所述第一和第二连接件之间，与其粘结或键接，
结构布置为：所述第一和第二连接件之间的运动致使设置在其间的弹性体 装置内产生剪切运动。
弹性体可以是天然橡胶或合成橡胶，或任何其它合适的弹性或弹性体的材料。 弹性体较佳地设置成在所述第一和第二连接件之间的一夹层。在本发明的另一实施 例中，第一和第二连接件可构造成互相合作匹配的关系，而弹性体装置作为一薄层 可设置在它们之间，由此，一在连接件之间的弯曲运动在弹性体装置内形成剪切运 动，由于所述第一和所述第二连接件之间的相对运动的结果，可将任何的压缩运动 减小到最小。弹性体可起作产生轴向刚度和两连接件之间接头的弯曲柔度的作用。
较佳地是，层的厚度尽可能薄，层厚1mm或不到1mm是较佳的。层可粘结 到一个或两个连接件上，或键接到一个或两个连接件上。邻近连接件的各表面 在操作中较佳地固定，以使连接件之间的相对运动在弹性体内产生一剪切运 动。层的厚度将减小压缩的趋势，因此，提供改进的定位部件的稳定性，并提 高段节中各连接件环接的轴向刚度。
弹性体装置可包括多个弹性体层，其中，粘结或键接到邻近弹性体层的刚 性层可用来将各弹性体层与其邻近层分离。弹性体装置可以是层合的，各弹性 体层之间交叉或刚性层可以是任何的刚性层，或可粘结到或键接到弹性体上的 材料。交叉层应有足够的刚度以将弹性体的压缩运动减小到最小。用于交叉层 的典型的材料可以是薄的金属层、树脂或玻璃纤维，或可以是纺织的或无纺的 碳纤维或凯夫拉尔(Kevlar)的垫子。
本发明还包括一包含至少一个段节的机械臂，其包括多个根据本发明的连 接件，以及用来控制段节内的所述连接件的运动的控制装置，其中，控制装置 将所述连接件保持在张紧或压缩状态下。控制装置可以是从段节的一端延伸到 另一端的至少一条线。
在本发明的一较佳的方面，控制装置可包括三条线，各从段节的一端延伸 到另一端，由此，改变一条相对于另一条的线内的张力，致使或允许连接件弯 曲，由此，控制段节的运动。线较佳地张紧以使连接件保持在压缩状态下。诸 线之间的差动张力的应用致使或允许段节移动或弯曲。
在本发明的一较佳的实施例中，各连接件可由三个部件形成，
一外圆盘，其较佳地具有用于控制线的诸孔，这样，控制线较佳地在连接 件的其它部件的外面延伸。
一内圆盘，其适于设置在外圆盘的大致的内部，并具有一中心钻孔来容纳 用于工作头的控制装置和/或电源装置，以及
在各内和外圆盘之间延伸的弹性体圆盘或层，其粘结到或键接到各个圆盘 上，但其以另外方式自由地浮在所述内圆盘和外圆盘之间，以使内圆盘不受组 件的其它部件的约束。
一机械臂可包括多个根据本发明的段节，其中，各段节设置有控制装置。 各连接的诸杆中的至少一个可设置有用来将线从段节的一端导向到另一端的 装置。线可设置在段节连接件的外面。各线可终止在一金属箍上，其适于接合 在一段节的端帽内的对应的凹陷，以便张紧线，金属箍与端帽接合，以将一压 缩载荷施加在各段节上，从而保持段节内的连接件的刚度。
各控制线可由一致动器进行操作：在有用于多个段节的控制线的地方，所 述致动器以一个或多个弧形间隔，弧形围绕一个致动器板或邻近第一段节的一 端的工作头板。通常致动器阵列可提供一用于各线的致动器，它们可以间隔弧 形关系进行设置以形成一截头锥。从各致动器引出的线可围绕一诸如滑轮的导 向器穿过，以对控制线提供一平直的引出线。
在本发明的另一方面，至少某些致动器可位于段节组件内，在此情形中， 用于致动致动器的装置是必要的。这样的装置可包括数据连接电缆，或在本技 术领域内通常熟知的类型的无线的数据传输装置。在后一种情形中，必须考虑 使用环境，以便确定控制的最佳装置。
一段节可从一系列连接件逐步地形成，或完成的段节可以模板进行组装， 并用弹性体注入到呈一模具工具形式的诸部件之间的空隙内。这样，可相当容 易地和快捷地形成连接的完全的段节。
在本发明的另一实施例中，各连接件可由成对的半连接形成，然后，可背 对背地进行组装。这样，一内半连接和一外半连接可用其连接橡胶层进行组装。 然后，诸连接半部可背对背地或前对前地进行组装，以形成一体的连接部件， 多个部件一起形成段节。
本申请人业已发现，可以三个分离的单独的部件形成各半连接的部件，即， 一外连接部分，一内连接部分，以及橡胶轴承。要求轴承应键接到各连接部件 上，以使一个部件相对于另一个移动，在橡胶部件内产生剪切运动或力。然后， 不同的半连接部件可借助于设置在各部件上的匹配孔内的定位销钉“销接”在 一起。组件可形成“松动”，且诸电缆可旋入通过连接在致动器或头部板上的 外连接周缘上的各种操作孔。或者，部件可用胶固定地连接在一起。一旦致动 器反应而在板内产生一定程度的张力，全部的组件保持在一起，以便通过变化 线内的张力，可致使段节适当地弯曲。构成各连接部件的第一和第二连接件， 或部分的连接可形成其中间的橡胶部件，或者是球形或锥形壳，或介于球形或 锥形之间的中间物，或甚至是环形的。如果部件是球形的，则随着内圆盘相对 于外圆盘转动，球形部件的所有变形通过剪切而实施。如果变化部件的设计以 使其不再是球形，则一部分相对于另一部分的转动，致使弹性体行使其体积模 量，即，剪切部件；平行于连接件轴线存在一合成的局部的拉伸和压缩。这使 任何非球形的接头比大致相当基本尺寸的球形接头更刚。
如上所述，用多层来代替各连接的橡胶部分，以便引入两个以上较薄的金 属片，这样的做法具有显著的优点。这使这样一连接件比简单地加倍每段节的 连接件的数量，可更有效地具有较大的运动范围。以二倍增加弯曲角度而添加 到一连接件上的长度，小于加倍的原始的连接间距。这个想法可在合理的限度 内扩展。在两个橡胶层之间的薄而刚的壳起作约束橡胶部分的作用，这样，两 个橡胶部分提供与加倍厚度的单一橡胶部分大约相同的剪切刚度，但与加倍厚 度的单一部分相比，较小厚度的两个橡胶部分更刚。
在此特定的实施例中，如果两个相邻的连接件弯曲，以使外周缘相遇，则 直径上相对的位置移开，因此，起作限定一环形段节的作用。在这些情形中， 内圆盘相对于外圆盘可自由地移动。本设计的目的在于，保持部件的转动中心 静止不动，并处于在未变形位置内的内圆盘的球形表面的中心处的一位置上。 实质上，这种情况类似于球和凹穴的接头，其中没有摩擦而只有在橡胶内的粘 滞损失和为了保持接头的刚度而施加的小量的轴向压缩。
通过使用弹性体的圆盘或在各连接件的移动部分之间的轴承，显著地减小 摩擦，同时，装置变得极其容易地进行批量制造。一旦已制作出工具和模板， 大量的复制就变得相当地容易。可形成由大量的连接件组成的段节，且对各段 节的较佳的控制是3线。尽管有可能在一个段节内配置一个线，或在一个段节 内至少一个操作线，但较佳地使用至少3个控制线，以便获得段节的优化的操 纵。对于多段节的机械臂，将对每一个要求三组控制线，这样，八个段节臂将 总共要求24个控制线，每一个具有一单独的致动器控制。
在本发明的另一方面，可围绕各段节设置一外部的套筒，而在本发明的一 特定的实施例中，该套筒可以是一波纹管型的外壳。使用这样一外壳具有众多 的优点，它提高连接件的扭转/弯曲刚度。由于其可使用波纹管外壳的合适的 结构来增加臂的扭转刚度而增加非常小的弯曲刚度，所以，这就显得特别有利。
该外壳的另一益处在于，保护线和其它的部件免遭外部损坏的原因，并能 使全部的段节填充以润滑剂。典型的润滑剂可以是干粉末或诸如油脂和/或油 的液体。包含在臂内的润滑剂的物理特性可根据机械臂操作的环境进行选择。 本发明的该实施例的一特别的特征在于，随着臂弯曲，相邻连接件之间的空隙 的几何形状发生变化，这具有将润滑剂从段节的一个区域移置或“泵送”到另 一区域的效果，并由于润滑剂在各段节内的循环，可确保诸部件的有效的润滑。 在本发明的给特定的特征的另一方面，臂可设置有一润滑剂箱，润滑剂可连续 地泵送通过臂，并再循环回到润滑剂箱。该实施例在臂使用在侵蚀的环境中以 及臂需要冷却的情况下特别有用。在此情形中，冷却装置可包含有润滑剂箱。
通过使用根据本发明的装置，通过使用用来点击制导的操纵杆控制组件， 或者，通过提出环境的CAD模型对计算机控制提供不在线或在线的技术，可形 成诸路径。
附图的简要说明
下面是参照根据本发明的装置的实施例的附图进行的描述。
在诸附图中：
图1是根据本发明的一段节中的多个连接件的立体图。
图2是图1的“半个”连接件的分解的示意图。
图3是图1和2中的“半个”连接件的端视图；而图3A是在图3的线A-A 上的截面图。
图4是一端帽的立体图，示出在一段节的远端处的金属箍的连接组件。
图5是在图6的线A-A上的截面图。
图6是本发明的另一实施例的端视图。
图7是图5和6的实施例中的“半个”连接件的分解的视图。
图8是示出用于单一段节的三个致动器结构的头板。
图9是用于多个致动器的截头锥的结构，以控制具有多个段节的机械臂的 控制线。
图10是用于根据本发明的臂的护套的段节的立体图。

一根据本发明的机械臂包括端对端排列以形成一延伸的“蛇形”臂的多个 段节10。各段节包括多个连接件部件11。各连接件部件包括一内圆盘12和一 外圆盘和线引导装置13。内圆盘12成形为提供一弧形的环形表面14，且外圆 盘13具有一匹配的弧形表面15。
如图1所示地进行组装，内圆盘12和外圆盘13被一可在原处形成的橡胶层16 分离。橡胶层16粘结到各外圆盘13和内圆盘12上，以允许其间的相对运动。各 内圆盘设置有-中心钻孔17，以形成一通过装置中心的中心内腔，用来容纳用于 位于臂端头处的工作头的电源和控制机构。各连接件11可由一对“半连接”形成， 它们在图2中最清晰地示出。各半连接包括一外连接构件13，一内连接构件12， 以及一适于插入在两者之间的橡胶盘或壳16。诸部件可粘结在一起以形成一半连 接部分，然后，与相邻的部件连接在一起以形成连续的连接件端接。应该指出的是， 外连接构件13的凹表面21适于与对应的元件12的下表面(如图2所示)合作。 盘16的形状适于容纳在两者之间，诸部件可粘结在一起。这可从示出通过粘结部 件的截面的图3A中清晰地可见。
在本发明的一个方面，外圆盘和线导向装置13设置有多个沿圆周间隔的销孔 23，而内圆盘12也设置有对应的直径向间隔开的销孔24。当组件分别用位于孔23 和24内的销放置在一起时，本技术领域内的技术人员将会认识到，如果组件通过 控制线而保持在张紧的状态下，则永久的固定将显得不必要。外圆盘13设置有多 个适于构成线导向孔的通孔25，以容纳该装置的控制线。
各段节可设置有一端帽30(见图4)，其设置有周缘间隔的线容纳孔，和一放 大的凹陷26，其包括一连接在控制线28的端部上的金属箍27。在组装该装置过程 中，端帽30固定在端部连接件的相邻的外圆盘部分13上，且控制线28旋入通过 在端帽30内的合适的凹陷26内，然后，通过在各段节内的连接件的各外圆盘部分 13内的匹配孔25中。
然后，若干个段节端对端地连接在一起，以产生一适用于用途的合适长度的机 械臂。这“蛇样”的机械臂具有操纵的能力沿其长度轴向地流动，并以蛇的方式循 着一盘旋的路径前进。
线端穿过返回到致动器并张紧，直到金属箍27抵靠在背板上，以将组件保持在 张紧的状态下。以这样方式张紧组件，可避免如图5、6和7所示的部件的连接， 内和外圆盘的匹配面可合适地形成槽，以容纳一相应外形的橡胶盘16。这些槽或 外形分别在内和外圆盘12和13之间的位置处用来键接盘16，并响应于控制线28 内的张力的变化允许一个相对于另一个运动。这可不必连接圆盘，并在任何给定的 段节内允许容易地更换损坏的部件。
在组装好的段节中，盘的外表面和控制线可被密封，合成的凹腔和线导向装置 填充以润滑剂，这样，控制线在润滑的环境中运动。这又起到在使用中减小损失和 摩擦的作用。
调整在各线上的张力可控制各段节的操作。图8示出一简化的三致动器控制板， 它包括一底板件40，其朝向底板的一端具有一竖立的安装板组件41，该组件适于 安装一段节42的端板。控制线28穿过安装板组件41延伸到各致动器44的操作管 43。中心致动器44对从段节到致动器本身的线28提供一直接的馈送，而在中心致 动器两侧的致动器通过滑轮装置45来将操作中的任何摩擦或磨损减小到最小。
各致动器44可手工地或通过计算机来进行控制，以改变三根线28中的张力。 根据张力的变化，各单个的连接件响应于线中张力的变化而寻求移动，由此，在段 节中产生运动，以允许引导段节的端部导向到工作地方的给定部位。
当然，对于在延伸的“蛇”形臂中的多个段节，可要求更多的致动器，通常每 段节三个。在这些情形中，必须构造致动器在一相当小的空间内提供通道接近从第 一段节的端部出来的出口处的控制线。因此，致动器可排列成一弧形，这样，对于 各致动器的控制线或包含控制线的管道形成一颇如图9中所示的一锥形。
橡胶盘16可以是单件的橡胶，或可以是呈一复合的刚性层的弹性体的形式，本 申请人业已发现，单个橡胶层的厚度越薄，则最终层越有效，而且内圆盘和对应的 外圆盘之间的连接也越刚性。
根据本发明的该装置还在内和外圆盘之间提供一轴承表面的密封，以防止有害 物质从大气中侵入(见图10)。此外，中心钻孔或内腔17有效地进行密封，并为 位于机械臂的端部处的工作头的电源和控制装置提供准备的通道。
密封可受到设置有周向波纹101的外壳100的影响。该外壳100在各外圆盘和 线导向装置13的外表面的外面延伸。外壳100密封各外圆盘和线导向装置13之间 的空隙，且外壳填充以油或其它的润滑剂，由此，允许控制线在一润滑剂的环境中 操作。合适的润滑剂是油、粉末和油脂，其粘度和其它的物理特性将根据使用臂的 环境进行选择。
使用具有一波纹形结构的外壳100具有提高连接件相互之间的扭转和/或弯曲 刚度的效果。这可导致臂以非常小的弯曲刚度的增加显著地提高臂扭转刚度。该结 构起到保护线和其它部件免遭外部损坏的原因。
外壳100对润滑剂的包容，在操作中具有主要的优点。如上所述，随着段节的 弯曲，外圆盘和线导向装置13的相邻的周缘移动紧密地靠拢在一起，而同一圆盘 13的直径上相对的部分移离开。其结果，包含润滑剂的腔室变化形状，从基本上 连续的和大致均匀横截面的环形腔变化到一“楔形”的形状。这致使润滑剂从楔形 的内或“窄”侧移动，并有效地泵送到在弧形外部上的楔形的“宽”侧上。这样， 润滑剂通过各根线。因此，每次段节弯曲时，或每次曲率平面变化时，这种泵送效 应起到对臂内的诸部件、尤其是各线提供有效的润滑。
应该认识到，润滑剂可以多种不同的方式引入到机械臂内。在本发明的一实施 例中，腔室可在组装时填充以润滑剂，并长期地被有效地密封。在本发明的另一实 施例中，臂的单独的连接件或诸段节可被隔绝，而润滑剂通过诸如滑油加注嘴的通 道点引入，通过附加的端口或压力释放阀释放过量的润滑剂。在本发明的另一方面， 整个臂可使用在外连接件上的线孔使润滑剂沿臂的全长通过而进行一体地润滑。液 体润滑剂可连续地泵送通过臂，并再循环回到中心油箱。这样一结构将允许通过加 热或冷却润滑剂来对臂内的润滑剂进行温度控制，而且本发明包括提供容纳在臂内 的用于液体的温度控制装置。