CN105209223B

CN105209223B - 关节臂

Info

Publication number: CN105209223B
Application number: CN201380070388.6A
Authority: CN
Inventors: 弗雷德里克·雷伊; 斯利姆·艾洛尼
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: FR2997888A1; KR20150085058A; FR2997888B1; EP2919947A1; EP2919947B1; JP6595341B2; JP2015534910A; CN105209223A; US9919434B1; WO2014076080A1

Abstract

本发明涉及一种关节臂(100)，包括串联安装的至少三个关节(1)，以允许关节臂(100)通过铰接在至少两个转动轴线上的运动，其特征在于，每个关节(1)包括第一支撑件(2)、第二支撑件(3)和至少三个线性致动器(10)，每个线性致动器(10)具有通过回转接头(41,42,43,44)分别铰接至第一支撑件(2)和第二支撑件(3)的第一端和第二端，其中关节臂(100)包括可变形的流体密封的护套(200)，所述护套(200)至少封装多个关节(1)并具有在任何环境中适应关节臂赋予的运动的体积。

Description

关节臂

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及多关节臂。其非限制性但特别有利的应用是在核反应堆的检查和维修领域。

背景技术

在例如核领域的某些领域，使用更精确和更强健的机器人越来越重要。这是因为在对改进核反应堆的安全越来越多的要求中，求助于机器人以在使用反应堆时执行检查和/修理任务(这些任务通常被称为ISIR，代表在役检查和维修)似乎是特别有吸引力的。这些机器人也能够在安装-拆除位置(主要是核拆除)工作，并且也在核事故和更普遍的工业事故中可能接近必须工作的区域而不引起对人类操作者的高风险。

通常，这些机器人必须能够结合传感器和用于在核电机组中检查和维修的工具。

目前使用的这些机器人通常安装在从反应堆的主容器外操作的杆上。进入该容器内的主通道置于平台上。可通过这些通道引入检查或维修机械。当待检查的区域容易进入时，这些解决方案总的来说是令人满意的。迄今为止从没有进入这种类型反应器的最深陷入部分的要求。因为规定的变化，核安全局现在要求能够检查这些区域的全部或部分。截至目前使用的装置不允许这样。

因此，在安全方面日益增加的要求要求在ISIR任务中机器人必须进入反应堆机组中难以进入的区域。此外，这些难以进入的区域有时可能与机器人进入反应堆的点间有相当长的距离。

已知的涉及杆的解决方案不可能将机器人置于难以进入的区域并因此不适于ISIR方面的严格要求。此外，由于它们难以清洗，这些解决方案在排污方面存在问题。在特殊操作期间将检查和维修工具引入反应堆的主容器。在这些期间外这些工具不留在容器内，且因此在反应堆工作阶段不出现。因此，有必要将机械化的ISIR装置带出并移动。也作出用于执行检查和保养和/或维护该设备的规定。为此，有必要限制当将它们带出反应堆时它们所携带的污染。同样，它们必须尽可能容易清洗，具有最高可能的清洁度。因此，有必要限定这些工具上的保持冷却剂的面积。

通过反应堆平台的准入口将机器人引入反应堆的主反应器内。通过称为“定位器”的机械装置定位机器人以向容器内下降，该机械装置一个转动(内在转动)自由维度，和一个平移自由维度。定位器固定至平台。机器人固定至定位器的另一端。

而且，一些反应堆强加给机器人特别的环境约束。这是使用第4代冷却剂的反应堆的情况。在这种反应堆中，冷却剂通常是纳。这种金属化学活性活波。在与这种冷却剂流接触时，机器人及其关节必须保持完整。

然而，机器人包括不能与例如纳的冷却剂流接触的电气部件(例如传感器和电动机)。此外，冷却剂的温度保持在相当高以将其保持在液态，这代表附加的约束。ASTRID(先进钠技术工业示范反应堆)构成这种反应堆的例子。

在本发明的发展情况下，已经发现例如用在工业流水线的机械臂在经受上述约束时，具有缺点。

例如，在工业领域，对由一系列枢轴形成的机械臂往往提供了很多协助，这些枢轴在铰接接合处剪切工作并具有垂直的转动轴。这种臂显示在图1中。为了保持机器人在有例如钠的流体存在时的完整性，在本发明的上下文中设想将关节与冷却剂流体隔离并将关节封装在护套内。结果是，护套相当快地被撕裂。

在本发明的背景下，于是设想在剪切期间通过在相对的两个面处提供带有垫圈的非常窄的开口，在关节处形成密封。这个解决方案可限制随时间的液体密封性和强度的可靠度。

设想另一种解决方案并为更换垫圈做好准备，关节内具有过高的气体压力且气泡从关节内向关节外移动。该解决方案具有复杂和不够可靠的缺点。

在本发明的背景下，还设想通过手指旋转类型的连接件为彼此铰接的一系列部件形成的臂提供协助。用这种连接件，关节上具有绕其产生转动的转动中心，并可能在相互垂直的两个轴线上产生转动。

这种关节的负荷能力相对受限。

此外，该关节具有上述有关关节相对于机械臂浸入的流体隔离的缺点。尤其是，已经发现位于臂周围的护套迅速撕裂。

因此，需要提出具有至少两个转动自由维度并具有相对于机械臂将被引入的流体改进的流体密封性的机械臂。本发明的目的是提出一种满足该需要的解决方案。

文献US4848179，2009/0314119描述了用于和环境或极限环境的特殊的意想不到的应用。证明了这些解决方案也具有不能经受高负荷的缺点。因此它们被限制在有限的使用范围。

通过阅读下述描述和附图将发现本发明的其它目的、特征和优点。自然，其它优点可以合并。

发明内容

为实现这个目的，本发明的一方面涉及关节臂，其包括至少三个串联安装的关节，以允许关节臂通过铰接在至少两个转动轴线上运动，每个关节包括第一支撑件、第二支撑件和可伸展且可缩回的至少一个，优选为至少三个线性致动器，每个线性致动器具有通过回转接头分别铰接至第一支撑件和第二支撑件的第一端和第二端。因此本发明提出一种具有改善的强健性和负荷能力并具有通过铰接在至少两个转动自由维度移动的能力。

根据有利的实施例，关节臂包括封装至少多个关节的流体密封的可变形的护套。

因此，本发明提出一种通过铰接在垂直于主方向的两个轴线上具有至少两个转动自由维度的机械臂，臂沿该主方向延伸。结果是流体密封护套具有耐磨性和优于现有技术部分描述的已知解决方案的封装机械臂的护套的使用寿命。

在本发明发展中，观察到，在已知的解决方案中，转动中心位于护套内，这导致曲率半径小并因此将压力集中在护套的小面积上。随着关节产生转动，这些区域上的疲劳度迅速增加并出现破裂。根据本发明的机械臂中，每个关节的转动中心被推至护套外或至少在关节外。

施加在护套上的压力因此更均匀地沿其长度分散。于是，高度疲劳的区域有限或者甚至消除。从而改善了护套的疲劳强度和使用寿命。

因此本发明提供可靠的、强健的且简单的解决方案以改善关节相对于它们移动的周围环境的保护。

此外，该解决方案具有防止钠与机械臂的机械装置接触的优点。这大大限制了滞留钠的可能区域并减小与机械臂清洁去污有关的难度。当臂在容器内完成其工作并从容器出来时，这尤其有用。然后必须清洁或甚至使保养和维护机械臂，限制钠的存在有利于此。

本发明提供特别有效的解决方案以形成多在核反应堆中用于ISIR任务的关节臂。在第4代纳冷却剂反应堆中尤其有利。

根据有利的实施例，护套优选配置为无论关节臂怎样运动，都保持与线性致动器和回转接头有距离。因此，甚至当外力(例如在某处施加在护套的外部封套上的压力或例如自外部环境向护套的压力)施加在护套上时，护套与关节的致动器保持有距离。因此，在护套与将线性致动器连接至支撑件的转体之间或在护套与形成致动器的千斤顶或其杆之间没有接触。

根据有利的实施例，护套优选具有基本不能被外部压力(例如与浸入液体相关的压力或在某点处的压力)作用改变的体积。因此，即使臂浸入液体或位于加压的流体中，护套仍保持由几何因素确定的体积且不受压力影响。优选的，护套的体积恒定。

这有利地防止护套在压力作用下与关节接触，这将撕裂护套或破坏线性致动器。

此外，也是有利地，使能够相对于基于可压缩护套的解决方案增加施加在臂上的阿基米德浮力。阿基米德浮力与臂的重量相反。因此臂可以例如通过比具有可变形护套的臂或没有护套的臂更长而具有高质量，而不必设置用于抵消该质量增加的结构或机械加强件。臂的灵敏性和或外部负荷能力因此显著提高。

附图说明

从显示在附图中的实施例的具体描述中，将更清楚本发明的目的、目标、特征和优点，其中：

图1显示出根据现有技术的多关节臂的示例；

图2示意性地显示出根据本发明的多关节臂的实施例；

图3更示意性地显示出根据本发明的多关节臂的实施例；

图4示意性地显示出集合在根据本发明的多关节臂中的关节的非限制性实施例；

图5显示出集合在根据本发明的多关节臂中的关节的第二实施例；

图6为根据图5中显示的实施例的关节臂的剖视图；

图7显示出包括根据图6中显示的实施例多个关节、且多个关节串联连接的多关节臂。

图8示意性地显示出施加于图7中显示的多关节臂上的力；

图9示意性地显示出根据本发明的包括图5和6显示出的关节的和密封护套的多关节臂的实施例；

图10示意性地显示本发明的另一实施例，其中每个关节包括一个线性致动器。

图11显示出力吸收结构为中空的实施例。

附图以实施例方式给出，并不限制本发明。他们组成用于促进对本发明理解的外在表现，并不是实际应用的缩放。尤其是，并未实际显示多个部件的相对尺寸。

具体实施方式

在详细描述本发明的实施例前，下面列出可选择用在组合中或可选特征：

-优选的，护套封套住所有关节，可选的，关节臂的铰接端除外。

-有利地，当护套经受小于等于10巴，优选为小于等于5巴的压强时，护套的体积保持恒定或变化不超过10％，优选为变化不超过5％。

-优选的，护套为波形管，也称为波纹管。

-优选的，护套由选自不同等级的不锈钢、钛、碳、铜、包含硅树脂的聚合物或这些材料的组合的材料制成。

-根据有利的实施例，第一和第二支撑件配置为使护套与至少一个线性致动器保持有距离。

-根据一个有利的实施例，臂包括支撑结构，所述支撑结构配置为使护套与至少一个线性致动器保持有距离。根据另一个有利的实施例，通过存在于护套内的压力使护套与至少一个线性致动器保持有距离。关节臂包括封装在护套内的气体。因此关节臂包括封装在护套内的气体。

-根据一有利的实施例，臂配置为使护套与线性致动器和支撑件保持有距离，即，也与关节保持有距离。

-根据一有利的实施例，除关节外，护套包括流体。优选的，该流体比臂将要在其中移动的流体轻。例如，护套内的流体是例如空气的气体，而臂浸在例如水或钠的液体中。气体封装在护套内。因而气体不能从护套漏出。

-优选的，护套为单件。可选的，护套包括由支撑结构支撑的流体密封封套。

-没有本发明存在的此限制，支撑件由选自钢、不锈钢、钛、包括那些由碳或玻璃组成的复合材料或这些材料的组合的材料制成。

-优选的，每个关节具有长宽比在0.5～1之间的长度和宽度，长度的方向是指臂的纵向，宽度的方向是指垂直于该纵向的横向。纵向是当臂是直线时臂具有最大尺寸的方向。纵向是当臂是直线时臂的延伸方向。该方向由Rz表示。该比改善了关节臂的敏捷度。

-有利地，臂包括至少八个关节。

-优选的，线性致动器和吸收结构仅自身在第一和第二支撑件之间设有机械铰接。因此不设置其它部件以使两个支撑件相对彼此运动或固定。

-有利地，至少一个所述关节包括六个线性致动器以形成六足关节。六个线性致动器优选配置为消除任何摩擦或干扰位置。

-根据一有利的实施例，至少一个关节，优选为所有关节包括力吸收结构，所述力吸收结构嵌入第一支撑件的同时由回转接头连接至第二支撑件。该结构吸收剪切力并将致动器或多个致动器的力用于转动。每个关节可因此具有减小的尺寸和重量。因此，整个结构重量减小。因此可具有更大的长度和/或更多数量的关节，从而改善关节臂的可及性及敏捷性。

-有利地，串联的两个关节包括共用的支撑件。因此减小了结构的部件数量和重量。有利地，除了关节臂端部的那些支撑件外，所有的支撑件都为两个关节所共用。

-优选的，将力吸收结构连接至所述第二支撑件的回转接头的转动中心位于所述第二支撑件的厚度层中。

-有利地，将所述力吸收结构铰接至所述第二支撑件的回转接头的转动中心位于与第二支撑件相交的两个平面之间，所述两个平面相互平行并平行于由相互垂直的转动轴线Rx，Ry限定的平面，且当保持第一支撑件固定时第二支撑件相对于第一支撑件绕该转动轴线Rx，Ry转动。轴线Rz为第二支撑件的任何内在转动(即，第二支撑件自身的转动)的轴线。力吸收结构在主方向延伸。通常Rz方向为力吸收结构延伸的主方向。Rz方向由穿过嵌入件和将力吸收结构连接至第二支撑件的回转接头的转动中心的直线限定。因此，无论线性致动器如何布置，该方向是固定的。

-有利地，将线性致动器铰接至第一支撑件的回转接头的中心是共面的。由将线性致动器铰接至第一支撑件的回转接头的中心限定的平面平行于相互平行的两个平面，这两个平面穿过第二支撑件，将力吸收结构连接至第二支撑件的回转接头的转动中心位于这两个平面之间。

-第二支撑件的轮廓限定外部封套，且由第二支撑件和力吸收结构形成的所述回转接头的转动中心位于该封套内。

回转接头的转动中心理想上位于第二支撑件的中间平面。

-优选的，第二支撑件具有朝向力吸收结构的内面和背对内面的外面，其中转动中心位于内面和外面之间，理想上位于这两个面中间的平面中。

-优选的，连接第二支撑件的力吸收结构的回转接头的转动中心距第二支撑件的外面和内面距离相等，即在第二支撑件的厚度层的中间。

-根据一非限制性实施例，内面和外面为平面。

-根据另一非限制性实施例，力吸收结构为连接臂，其一端嵌入第一支撑件，另一端由回转接头连接至第二支撑件。优选的，力吸收结构为管。

-根据一实施例，本发明提供一种关节，该关节基于斯图尔特平台型关节并集合其它特征，例如用于吸收剪切力的结构。

-线性致动器为可伸缩臂。线性致动器例如为液压千斤顶、气动千斤顶或螺旋千斤顶等。

-线性致动器不包括除允许将其连接至第一和第二支撑件的回转接头之外的枢轴或回转接头。孤立的线性致动器因此能够平移移动，以及可选地绕其平移轴线转动。

-第一支撑件是刚性的，除了其连接的外部元件(例如致动器，力吸收结构)它不包括任何关节。同样第二支撑件是刚性的，除了其连接的外部元件它不包括任何关节。

-有利地，由第二支撑件与力吸收结构形成的回转接头的转动中心位于由将线性致动器铰接至第二支撑件的回转接头形成的圆心。

-有利地，力吸收结构在将线性致动器铰接至第一支撑件的回转接头形成的圆心处嵌入第一支撑件。

-有利地，每个将线性致动器铰接至第一支撑件的回转接头具有位于第一支撑件厚度层中的转动中心。因此将致动器连接至第一支撑件的回转接头的转动中心位于穿过第一支撑件的两个平面之间，所述两个平面相互平行并平行于由两个转动轴线Rx,Ry限定的平面，转动轴线Rx,Ry相互垂直，且当保持第一支撑件固定时第二支撑件相对于第一支撑件绕该转动轴线Rx，Ry转动。优选的，将致动器连接至第一支撑件的回转接头的转动中心位于穿过第一支撑件的两个平面之间，所述两个平面相互平行并垂直于轴线Rz，轴线Rz穿过力吸收结构与第一支撑件之间的嵌入件和将力吸收结构连接至第二支撑件的回转接头的中心。有利地，减小了回转接头和第一回转接头及第一支撑件之间的杠杆臂，因此限制了第一支撑件和转体上产生的力。

-有利地，将线性致动器铰接至第二支撑件的回转接头具有位于第二支撑件厚度层中的转动中心。有利地，回转接头与第二支撑件之间的杠杆臂减小，因此限制了第二支撑件和转体上产生的力。

-根据一非限制性实施例，第一和/或第二支撑件形成板。因此将力吸收结构连接至第二支撑件的转体的转动中心位于第二支撑件的厚度层e₂中。厚度e₂可由第二支撑件上平行于力吸收结构延伸方向的方向上的两个点间的尺寸限定。有利地，第二支撑件的外面或内面与将力吸收结构连接至第二支撑件的回转接头的中心间的距离等于e₂/2。

-根据一非限制性实施例，六足系统的第一支撑件和/或第二支撑件包括连接件，所述连接件配置为与力吸收结构的一端配合以分别形成嵌入件和回转接头。

-有利地，连接件还配置为与另外的力吸收结构配合以与力吸收结构和另外的力吸收结构中的一个形成嵌入件，且与力吸收结构和另外的力吸收结构中的另一个形成回转接头。因此同一连接件为两个关节所共用。

-第一和第二支撑件中的至少一个包括连接件，该连接件配置为与所述力吸收结构配合以一起形成嵌入件或单独形成回转接头，所述连接件还配置为与第二关节(这两个关节串联安装)的第二力吸收结构配合以与该第二力吸收结构形成回转接头或单独形成嵌入件，因此，同一连接件与串联安装的两个关节的力吸收结构配合。

-有利地，连接件形成单件。

-有利地，两个关节的力吸收结构仅由连接件固定至支撑件。

-有利地，包括连接件的支撑件为串联安装的两个关节所共用

-有利地，两个关节的致动器铰接以在共用的支撑件上转动。

-有利地，共用的支撑件形成单件。

-有利地，所述力吸收结构具有第一端和第二端，所述力吸收结构在所述第一端嵌入所述第一支撑件，所述力吸收结构在所述第二端通过转体连接至所述第二支撑件，其中所述力吸收结构的所述第一端和所述第二端是固定的。因此第一端和第二端刚性连接。后者不是铰链式的。

-有利地，力吸收结构从同一关节的一个支撑件延伸至其另一支撑件。

-有利地，力吸收结构在主方向延伸，该主方向平行于每个支撑件延伸的平面。力吸收结构基本成直线地延伸。

-有利地，每个关节包括一个力吸收结构。

-有利地，每个线性致动器的第一端和第二端仅由回转接头分别铰接至第一和第二支撑件。

-有利地，每个线性致动器配置为只允许平移运动。有利地，每个致动器为千斤顶。

-每个线性致动器的第一和第二端不允许任何相对转动。

-根据一实施例，力吸收结构包括承载有中空转体的中空管。连接件是中空的。系统配置为形成穿过力吸收结构和第一和第二支撑件的通道。该通道穿过支撑件的中心。配备有多个六足系统的多关节臂包括穿过每个六足系统的通道的至少一个缆线或至少一个管。臂的每个六足系统的通道形成连续的通道。

-优选的，每个力吸收结构包括至少一个承载有中空转体的中空管，每个关节布置有通道，该通道至少一部分由力吸收结构形成，臂还包括至少一个缆线或至少一个管，所述至少一个缆线或至少一个管通过穿过所有六足系统的通道而穿过所有六足系统。

根据非限制性实施例，机器人是用于在不利环境中拆除和/或工作的机器人。

图2显示出根据本发明的多关节臂100的实施例。该臂包括串联设置的多个关节1。通常每个关节1包括第一支撑件2和第二支撑件3以及线性致动器10，线性致动器10的一端由回转接头连接至第一支撑件，另一端由另一回转接头连接至第二支撑件。线性致动器10的数量为一个或多个。

根据有利的但非限制性的实施例，关节1包括六个线性致动器10并形成六足结构。

根据线性致动器10的可伸缩的或可展开结构，关节1的一个支撑件相对于这个关节的另一支撑件在其六个自由维度的一个或多个上移动。因此线性致动器10的伸展或缩回能够精确控制三维位置并形成多关节臂100。尤其是，线性致动器10能移动图2中显示的物体M绕轴线Rx和Ry转动。物体10的重量也显示在该图中。该重量说明了可施加在多关节臂100远端的负荷。臂可以代替这个重量在多关节臂外的部件上施加相同的力，例如在意在修理臂外元件的臂的动作的情况下。

在图2中，参照标号2的第一支撑件固定至构架。因此支撑件3和4能够移动。有利地，两个并列的关节共享同一支撑件。因此在图1的图示中，五个支撑件2、3、4、5形成四个关节。

特别有利地，多关节臂100包括在多关节臂100周围或至少在关节1的周围形成套筒的护套200。

护套200是流体密封的。它是可变形的并能够适应关节的运动。在绕轴线Rx或Ry转动的情况下，护套200适应多关节臂100的形状。将要指出的是，无论臂100的曲率如何，关节的曲率半径的中心都位于其外部并通常位于护套200的内在部分以外。护套的变形也因此分布在其相当大的表面上。受压变形的区域因此伸展，这降低护套200的疲劳。它的流体密封性也因此有效并耐久。

护套200因此非常适合用于在必须保护关节的环境中改变臂100的位置。这就是例如纳冷却剂反应堆的情况。

优选的，护套200的一端密封固定至构架或固定至支撑件2，而支撑件2固定至所述构架，即，臂100近端的支撑件。护套200的另一端优选地固定至臂100远端的支撑件6或固定至元件，而该元件固定至支撑件6。

优选的，护套200在其两端之间具有连续的流体密封性。其可以是单件或由数个部分密封装配在一起。

优选的，护套200具有恒定体积或是稍微可压缩的。因此护套200在外部压力作用下是可变形的，但不可压缩或仅稍微可压缩。经受通常在1～10巴之间的较强的环境压强时，护套200保持基本恒定的体积。一般地说，经受通常在1～10巴之间的较高环境压强时，护套200的体积减小不大于10％，且优选为减小不大于5％。这样的外部压力可例如由多关节臂100所浸入的流体产生。这就是当臂100在纳冷却剂反应堆中执行ISIR任务时可能发生的。

护套200具有恒定体积，这防止护套200在外部压力作用下与线性致动器10接触。于是避免了撕裂风险。此外，护套200使多关节臂100的体积增加从而增加了施加在后者上的阿基米德浮力。阿基米德浮力显示在图8中。该阿基米德浮力抵消多关节臂100的全部或部分重量。这是因为臂100自身的重量有添加至物体M的负荷的倾向，物体M由臂的远端和/或由该端施加在外部元件上的力支撑。由臂100自身重量引起的剪切力因此限制臂100的负荷能力。由于本发明，当由阿基米德浮力抵消全部或部分的臂100的固有重量时，可由臂100配置的负荷能力因此增加。

当臂100具有由于其长度、包括的关节数量或尺寸的高质量时，这是尤其有利的。

当臂水平展开和/或工作在接近水平的展开位置时，这是尤其有利的。

存在于护套200内的流体比围绕臂100的流体介质轻。通常，当多关节臂100在流体中运动时，将优选气体，如空气。当臂100在大气中运动时也有可能提供比空气轻的气体，如氦气。当臂100不竖直时，由于臂100的重量会在力吸收结构50上施加剪切力，这是更有利的。该重量及其引起的剪切力在图2中显示。

优选的，护套200由例如波纹管的波形管形成。有利地，护套200由由例如不锈钢的金属制成的波形管形成。这种材料的选择使其在例如钠冷却剂的情况下可能经受住周围流体的压力，或乃至温度和/或化学应力。波形管的刚性使护套200能够保持适应由多关节臂赋予的运动的体积，甚至在有外部压力存在下。

根据另一实施例，护套200包括柔性的流体密封外罩和支撑柔性封套的刚性构架。构架因此形成支撑结构。它例如由金属制成。构架可连接至多关节臂100。

根据另一实施例，构架由关节1的支撑件2，...，6形成。因此支撑件的尺寸设置成使封套与线性致动器10和将线性致动器连接至支撑件的转体间保持有距离。

根据又一实施例，护套设成部分可变形，但不会因为变形引起护套和致动器10之间接触。因此，可能具有由柔性的外部封套形成的护套，该外部封套可变形直至遇到阻止其与线性致动器10接触的刚性构架。因此，消除了护套与线性致动器10接触而撕裂的风险。

根据又一实施例，臂配置为使护套200内保持足够的压力以保持后者的体积。因此，能做好准备向护套内注入压力气体以使护套200内的压力平衡环境压力在护套上的作用。

图3显示出多关节臂100。该图中，关节臂100包括七个关节。根据具体实施例，每个关节1为六足结构。为赋予臂良好的敏捷度并使lg能够在难以进入的区域工作，长度(图3中标号lg)与直径(图3中标号d)之比必须尽可能小，同时限制臂的总重量并因此限制关节数量。优选的，选择该比以使：

0.5<lg/d<1

应当注意的是，支撑件的形状不一定是圆盘或圆形的，那么直径d是支撑件的最大横径。

图4、5、6显示出串联布置以形成根据本发明的多关节臂100的关节的尤其有利的实施例。关节1包括至少三个，优选为六个的上述线性致动器10。在物体施加的重量垂直顶板的构型中，在需要移动由顶板承载的物体时，这些六足型关节非常有效。另一方面，如图3所示，当臂不垂直时，每个关节的重量和固定至关节的远端的物体的重量引起力矩和剪切力。该力非常显著地减小臂100的负荷能力。当臂必须在横向于其延伸的主方向上施加力时这也同样适用。

为弥补这一点，有利的实施例(其一个例子显示在图4中)通过整合机械结构以为改进具有三个或更多线性致动器的已知系统做好准备，该机械结构布置为吸收剪切力T以减轻该剪切力的线性致动器负荷。

该用于吸收剪切力的结构优选为封装在六足结构的中心。其固定至固定的支撑件和连接至支撑件的回转接头，回转接头可相对于可移动支撑件移动。该关节形成在要求的轴线(即轴线Rx和Ry)上提供二转动自由维度的转体。

将分别参照图4、5、6对关节的具体实施例进行详细描述。

图4显示出通常为六足结构的关节1的第一实施例，包括第一支撑件2和第二支撑件3。本发明不局限于任何特殊形式的支撑件；非限制性地，每个支撑件可具有平面形式并构成板。

同样非限制性地，在本说明书中可以认为支撑件3必须相对于第一支撑件转动。为此，六个线性致动器10a，10b，...，10f的一端由回转接头43a,44a,...,43f,44f铰接至第一支撑件2，另一端由另外的回转接头41a,42a,...,41f,42f铰接至第二支撑件3。每个回转接头41a,...,41f,43a,...,43f与由支撑件2或3支撑的座42a,…,42f,44a,，…,44f配合。

线性致动器10a，...，10f也称为关节臂，例如包括液压、气动或螺旋千斤顶。这些线性致动器10a，...，10f成对布置，以使例如致动器10b的回转接头置于第一支撑件2上，比其他致动器10c,…,10f距离致动器10a近，并使致动器10b置于第二支撑件3上，比线性致动器10d，...，10a距离致动器10c近。因此，致动器的这种布置避免机械装置上的摩擦或干扰点。

该系统还包括力吸收结构50。该结构嵌入第一支撑件2内。该结构由回转接头51,52连接至第二支撑件3。该力吸收结构50是刚性的，即，其布置为在嵌入件54与回转接头51,52间沿Rx,Ry和Rz传递力。优选的，该结构不包括任何除回转接头51,52外的关节。

根据图示的有利的实施例，该结构形成关节臂。连接臂的一端53与第一支撑件2配合以形成嵌入件54。连接臂的另一端形成与固定至第二支撑件3的座52配合的转体51以形成回转接头51,52。有利地，连接臂形成管。

第二支撑件3具有绕图4中显示的轴线Rx和Ry的至少两个转动自由维度，转动轴线Rz是第二支撑件4的自然转动轴线。在力吸收结构在其主方向上大体为线形、圆柱形或圆锥形的情况下，轴线Rz平行于该结构所沿的主方向。

在一具体实施例中，第二支撑件3也可相对于第一支撑件2在垂直于轴线Rx和Ry的轴线Rz上转动。在轴线Rz上的该转动自由维度例如可用于通过由支撑件支撑的工具旋拧元件。

优选的，当臂100配备有护套200时，将阻止轴线Rz上的转动以避免撕裂护套的风险。例如通过控制线性致动器10消除轴线Rz上的转动。

尤其有利地，回转接头51、52的中心60位于第二支撑件3的厚度层中。在图4中e2表示第一支撑件的厚度层。例如，在支撑件3形成具有底面31和顶面32的板的情况下，中心60位于这两个表面31,32之间。即，回转接头51,52的转动中心60位于相互平行的两个平面之间并穿过第二支撑件3，其中这两个平面平行于由轴线Rx和Ry限定的平面。

尤其有利地，转体41a,…,41f,43a,…,43f的中心分别位于板3的厚度层e2中和板2的厚度层e1中。转体41a,…,41f的中心共面，且中心60在包括转体41a,…,41f的中心的平面内。这有助于减小致动器11a,…,11f施加的除移动板3所必须的力之外的力。中心43a,...,43f也共面。

因此，本发明消除或至少降低转动中心60、第二支撑件3和转体41a,…,41f的中心之间的杠杆臂，因此限制了需由致动器11a,...,11f平衡的剪切力，该剪切力不利于移动和在第二支撑件3上产生运动所需的力。力吸收结构50尤其吸收外力施加的剪切力，该外力方向为非垂直于第一支撑件2的施加在支撑件3上的外力。即，非垂直于由轴线Rx和Ry限定的平面施加的力。

于是可减小系统的尺寸和重量同时保持其绕轴线Rx和Ry上的转动中的负荷能力。

优选的，线性致动器10的回转接头41,42与第二支撑件3形成平面轮廓。剪切力吸收结构50的回转接头51,52的中心60布置为垂直于所述平面并穿过中心60也在所述轮廓内穿过的直线。优选的，转体41,42的中心限定一个圆和圆中央的圆心60,，圆心60位于垂直于该圆并穿过该圆心的直线上。第二支撑件3的这种力均匀分散在剪切力吸收结构50上。

优选的，同样适用于嵌入件54。嵌入件54优选位于由回转接头43,44形成的圆周内。优选的，该圆周形成圆，且嵌入件位于该圆的中央或在垂直于该圆并穿过该圆心的直线上。

图5和6中显示的实施例与上述参照图4描述的实施例的特征相同。此外，在本实施例中，在第二支撑件3上与致动器10铰接的转体的转动中心41移动靠近第二支撑件3。优选的，转动中心41位于第二支撑件3的平面内或第二支撑件3的厚度层e₂内。这进一步减小转体和第二支撑件3之间的杠杆臂，因而减小施加在该支撑件3和线性致动器10上的力。在保持在轴线Rx和Ry上的转动能力的同时可减小系统的嵌入和重量。

同样的，且优选地，在第一支撑件1上与线性致动器10铰接的转体的转动中心43移动靠近第一支撑件2。优选的，转动中心43位于第一支撑件2的平面内或第一支撑件2的厚度层e₁内。

优选的，每个支撑件2和3为金属板，其厚度与系统的高度相比相对较小，系统的高度在Rz方向上。这些金属板可设有加强件增强沿轴线Rx和Ry的刚性，以限制它们在由致动器、力吸收结构和外力产生的力的作用下变形。

优选的，第一和第二支撑件2，3为附接有回转接头的座42,44以铰接线性致动器10的板。从而，有利于系统的制造。

优选的，第二支撑件3包括连接件21a。该连接件21a包括将力吸收结构50铰接在第二支撑件3上的回转接头51,52的座52。优选的，该连接件21a也配置为接收力吸收结构50的另一端以与后者形成嵌入件。因此同样的连接件可用于形成回转接头和形成嵌入件。因此，第一和第二支撑件2，3也可类似，这有利于系统的制造和其成本降低。

有利地，第一支撑件2也包括连接件21b。因此，在系统组装前第一和第二支撑件2，3相同。

根据具体实施例，连接件21a，21b为具有两端的套筒形式。第一端210a，210b配置为接收形成力吸收结构50的回转接头51,52的座52和转体51。第二端211a，211b配置为接收结构50的端53以与后者形成嵌入件。通常，通过将剪切力吸收结构50拧入连接件21a，21b中形成该嵌入件54。例如可设有销以消除剩余的转动自由维度。

有利地，同样的连接件配置为同时接收第一结构50以形成回转接头和接收第二结构50以形成嵌入件。

因此，同样的连接件21和同样的支撑件可用于串联连接的两个六足结构。

图7清楚地显示出本发明的优点。在该图中，第二支撑件3支撑连接件21，连接件21与连接至支撑件2的力吸收结构50配合同时与连接至支撑件4的另一力吸收结构50配合。多关节臂100的这种特殊布置具有减小的质量并有利于组装。

图8显示出在工作构型中的图7的多关节臂100，其中由臂100的远端支撑的物体M的重量横向于臂100延伸的主方向Rz。重量和产生的剪切力显示在该图中。

力吸收结构50充分发挥其角色并吸收物体M的重量和多关节臂100的固有重量产生的剪切力。于是线性致动器10的负荷能力得到保持并可完全用于产生使物体M在Rx和Ry方向上转动的臂的运动或在这些相同的转动中在臂100的外部元件上施加动作。

图9显示出一个实施例，其中每个关节1包括用于吸收剪切力的结构50，且其中关节封装在护套200内。

为生产用于在钠冷反应堆中进行ISIR操作的多关节臂，有可能例如采用如下特征：

-关节数量：10～30；

-多关节臂总长度：10～30米；

-支撑件横向最大尺寸/直径：300～800毫米，优选为600毫米；

-在机械致动器展开构型中的关节长度：300～800毫米，优选为600毫米；

-由不锈钢波形管形成的护套；

-可由各线性致动器在其工作方向产生的力：0～100kN。

图10显示出一个具体实施例，其中关节1仅包括一个线性致动器10。在该实施例中，力吸收结构50尤其有利，因为线性致动器10的数量限制为仅一个且剪切力将必须由这一个致动器吸收，这将限制多关节臂100的负荷能力。一具体实施例装配有手拉紧转体以锁住绕Rz的转动，因为这种运动与波纹管的运动矛盾。另一方面，如果该转动运动未被锁住，可以设想能够拧紧。

图11显示出可选的但是特别有利的实施例。在本实施例中，力吸收结构50完全中空。每个六足系统1因此具有通道61。这减轻了关节1的整体重量并因此减轻了多关节臂的重量或允许增加等重量的负荷能力。这也使能够在连接件的中心穿过缆线或管。因此关节绕轴线Rz(即绕力吸收结构大体延伸的轴线)的转动不引起穿过它的缆线或管扭曲，即使这些缆线或管从多关节臂的一端延伸至另一端。此外，将缆线定位在关节的中心避免了在关节转动期间拉伸它们。这些缆线例如为电缆，使能够力图控制置于臂上的工具或使能够与由臂支撑的传感器通信。管可使能够控制和驱动设于臂上的例如气动或液动的工具。这些管还可使从臂的端部注入取出或抽取流体。

根据图11中示出的非限制性实施例，力吸收结构50与参照图5和6描述的基本相同。

连接件21a是中空的。其包括贯通的内孔。

连接件的第二端211a包括内螺纹59，内螺纹59与位于力吸收结构的中空管55的第一端53外表面的外螺纹配合。

连接件的第一端210a包括收缩截面，其防止转体51从由连接件形成的孔中露出。

中空管55包括内表面具有螺纹57的第二端，该螺纹57配置成与互补螺纹配合，互补螺纹设在形成用于转体51的转体支撑件56的部分的外表上。转体支撑件56因此由螺丝固定至中空管55。该实施例大大简化了关节的制造和组装。

转体支撑件56包括用于接收转体51的部分。转体51主要形成球体，该球体包括与该接收部分互补的孔并在该转体支撑件56的末端装配至孔。还设有保持止挡以防止转体51退回。该止挡优选包括具有外螺纹的螺钉，该外螺纹与转体51的支撑件56的孔承载的内螺纹配合。因此该螺钉固定在转体51的支撑件56的端部。螺钉头的横截面大于转体51的孔的横截面。因此转体51抵靠螺钉头的底表面。优选的，螺钉头58与转体51间具有垫圈。

尤其有利地，螺钉是中空的。包括两个连接件21a，21b、中空管55、用于转体51的支撑件56、转体51和螺钉58的力吸收结构50具有形成用于缆线或管的通道61的贯通开口。

有利地，如下述组装关节1：

-将中空管55固定，优选为通过螺钉，至固定至支撑件2的连接件21b；

-将用于转体51的支撑件56固定，优选为通过螺钉，至中空管55；

-使用于转体51的支撑件56穿过固定至支撑件3的连接件21a；

-将转体51置于设于转体支撑件56的接收部分上并置于由连接件21a形成的座52内；

-将保持止挡(这里指中空螺钉和垫圈)固定，优选为通过螺钉，至用于转体51的支撑件56。

臂的组装可由组装第二关节继续。为此，使用支撑件3的连接件21a重复进行上述步骤。因此第一步骤包括将另一中空管固定在连接件21a上。

可以设想其它实施例以形成穿过各关节的通道。

由此可见，本发明提供用于简化吸收剪切力以减轻致动器负荷的强健的解决方案。本发明还提出有效的机械化转体型解决方案以根据至少两个转动自由维度移动负荷或采取动作。

因此证明本发明形成用于在例如为核反应堆中的限制环境中的检查或维修任务中的多关节臂尤其有效。

本发明不限于上述实施例并延伸至权利要求所覆盖的所有实施例。

尤其是，尽管其尤其有利于在核环境中的检查和维修任务，本发明还应用于具有其它任务或用于在其它环境中移动的机器人的关节。

Claims

1.一种关节臂(100)，包括至少三个串联安装的关节(1)，以允许关节臂(100)通过铰接绕至少两个转动轴线(Rx,Ry)运动，每个关节(1)包括第一支撑件(2)、第二支撑件(3)和至少三个线性致动器(10)，每个线性致动器(10)具有通过回转接头分别铰接至第一支撑件(2)和第二支撑件(3)的第一端和第二端，所述关节臂(100)包括可变形的流体密封的护套(200)，所述护套(200)封装所述关节(1)并配置为适应关节臂(100)的任何运动并与所述线性致动器(10)和所述回转接头保持有距离，其特征在于，至少一个关节(1)包括力吸收结构(50)，所述力吸收结构(50)嵌入所述第一支撑件(2)的同时由转体连接至所述第二支撑件(3)；

所述力吸收结构(50)在将线性致动器(10a,..,10f)铰接至所述第一支撑件(2)的回转接头形成的圆心处嵌入所述第一支撑件(2)；

由所述第二支撑件(3)与所述力吸收结构(50)形成的转体的转动中心(60)位于将线性致动器(10)铰接至所述第二支撑件(3)的回转接头形成的圆心处或位于垂直于所述圆并穿过所述圆心的直线上；

至少一个所述关节(1)包括六个所述线性致动器以形成六足关节(1)；和

其中将所述线性致动器铰接在所述第二支撑件上的所述回转接头与将所述力吸收结构连接至所述第二支撑件的所述转体的转动中心共面。

2.根据权利要求1所述的关节臂(100)，其中，将所述线性致动器(10a,..,10f)铰接至所述第一支撑件(2)的回转接头均具有位于所述第一支撑件(2)的厚度层中的转动中心，将所述线性致动器(10a,..,10f)铰接至所述第二支撑件(3)的回转接头具有位于所述第二支撑件(3)的厚度层中的转动中心。

3.根据权利要求1所述的关节臂(100)，其中，当所述关节臂(100)经受小于等于10巴的压强时，所述护套(200)的体积保持恒定或变化不超过10％。

4.根据权利要求1所述的关节臂(100)，其中，所述护套(200)为波形管。

5.根据权利要求1所述的关节臂(100)，其中，所述第一支撑件(2)和所述第二支撑件(3)配置为使所述护套(200)与所述线性致动器(10)保持有距离。

6.根据权利要求1所述的关节臂(100)，其中，所述关节臂(100)包括支撑结构，所述支撑结构配置为使所述护套(200)与所述线性致动器(10)保持有距离。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，所述关节臂(100)配置为确保合适的压力以使所述护套(200)与所述护套(200)内的所述线性致动器(10)保持有距离。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述护套(200)由一系列彼此密封连接的护套部分组成。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述护套(200)包括由支撑结构支撑的流体密封封套。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述护套(200)是单件。

11.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述护套(200)由金属制成。

12.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，每个所述关节(1)具有长宽比在0.5～1之间的长度和宽度，所述长度的方向是指所述关节臂(100)的纵向，所述宽度的方向是指垂直于所述纵向的横向。

13.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述关节臂(100)包括至少八个关节(1)。

14.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，将所述力吸收结构(50)连接至所述第二支撑件(3)的所述转体的转动中心(60)位于所述第二支撑件(3)的厚度层中。

15.根据权利要求14所述的关节臂(100)，其中，将所述力吸收结构(50)连接至所述第二支撑件(3)的所述转体的转动中心(60)位于穿过所述第二支撑件(3)的两个平面之间，所述两个平面相互平行并垂直于穿过所述力吸收结构(50)与所述第一支撑件(2)之间的嵌入件并穿过将所述力吸收结构连接至所述第二支撑件(3)的所述转体的中心的轴线(Rz)。

16.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，串联的两个关节(1)包括共用的支撑件。

17.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，六足关节(1)的所述第一支撑件(2)和/或所述第二支撑件(3)包括连接件(21a，21b)，所述连接件(21a，21b)设置为与所述力吸收结构(50)配合以形成嵌入件(54)和转体。

18.根据权利要求17所述的关节臂(100)，其中，所述连接件(21a，21b)还配置为与第二关节(1)的第二力吸收结构配合，两个关节(1)串联安装，以与该第二力吸收结构分别形成回转接头和嵌入件，同一连接件(21a，21b)由此与串联安装的两个关节(1)的力吸收结构(50)配合。

19.根据权利要求18所述的关节臂(100)，其中，所述连接件(21a，21b)为单件。

20.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，串联安装的两个关节(1)的力吸收结构(50)仅通过所述连接件(21a，21b)固定至第一和第二支撑件(2，3)。

21.根据权利要求18所述的关节臂(100)，其中，所述第一和第二支撑件(2，3)包括串联安装的两个关节(1)所共用的连接件(21a，21b)，所述两个关节(1)的线性致动器(10a,...)转动地铰接在共用的支撑件(2，3)上。

22.根据权利要求16所述的关节臂(100)，其中，所述共用的支撑件(2，3)为单件，所有的关节(1)包括力吸收结构(50)。

23.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，所述力吸收结构(50)具有第一端和第二端，所述力吸收结构(50)在所述第一端嵌入所述第一支撑件(2)，所述力吸收结构(50)在所述第二端通过转体连接至所述第二支撑件(3)，所述力吸收结构(50)的所述第一端和所述第二端是固定的。

24.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，每个所述关节(1)包括一个力吸收结构(50)。

25.根据权利要求1-6中任一项所述的关节臂(100)，其中，每个力吸收结构(50)包括至少一个承载有中空转体的中空管(55)，每个关节(1)布置有通道(61)，所述通道(61)的一部分至少由所述力吸收结构(50)形成，所述关节臂还包括至少一个缆线或至少一个管，所述至少一个缆线或至少一个管通过穿过所有关节(1)的通道(61)穿过所有关节(1)。