可變模式機械手和驅動系統的製作方法

2023-12-08 03:07:26 3

專利名稱：可變模式機械手和驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及可以以幾種速率模式操作的機械手臂驅動系統。本發 明的可變模式機械手臂驅動系統可以以可變速率模式、正比速率模 式、和力反饋模式操作。它還可以在海底用液壓操作。
背景技術：
現有技術的機械手臂可以以兩種主要模式，即速率模式和空間對 應("SC，，)操作。在速率模式下，每個機械手自由度(DOF)由致動 器控制，致動器又通過全開或全閉的定向控制閥控制。雖然機械手臂 領域的普通技術人員都熟悉術語"速率模式"，但它並未提供這種模式 的功能能力的嚴格描述。在現有技術的速率模式下，機械手關節或者 全速運動或者完全停止。在現有技術的速率模式下，機械手臂的運動 速率或速度不受控制。
適合海底應用的速率模式機械手臂和驅動系統顯示在圖1中。在 速率模式下，操作者通過壓下一個或多個獨立按鈕對定向控制閥供 能，以便沿著所需方向移動定向控制閥，並因此移動致動器。速率模 式機械手以"開環，，方式工作，在"開環，，方式下，操作者壓下一個或多 個相應按鈕，直到一個或多個機械手關節移動到所需位置。操作者用 肉眼監視機械手的位置。在利用ROV的海底應用中，這可以通過海 底攝像機完成。不存在用在機械手控制電子線路本身中的位置反饋信 號。現有技術的速率模式提供了比sc模式更笨拙的控制機械手臂的 方法；但是，速率模式操縱實現起來比sc模式操縱更簡單和成本更 低。速率模式機械手也比sc模式機械手更可靠，因為它需要的電子 線路比sc模式機械手少。
在sc模式(也稱為"位置受控模式")下，每個機械手臂關節的
位置是已知的並受到控制。通常，SC機械手系統包括兩個部分主 動部分(master)和從動部分(slave)。主動部分通常是配有許多關 節的手動控制器，隨著操作者移動控制器，這些關節的角位置被測量 和監視。 一般說來，主動部分具有模仿從動部分的關節排列的關節排 列。從動部分是機械手本身。從動部分與主動部分手動控制器成比例 地移動。如果主動部分上的關節緩慢地移動，從動部分關節也將緩慢 地移動。如果主動部分迅速地移動，從動部分也將迅速地移動。SC 模式機械手臂和驅動系統顯示在圖2中。
現有技術的SC機械手以"閉環"模式工作，"閉環"模式使用代表 從動部分上的每個關節的位置的誤差信號。連續地將這個信號與所需 關節位置(如主動部分的匹配點的位置所指示的)相比較，如有必要， 按照通常是正比、積分、微分(PID)環的變體的某種算法調整相應 控制閥的方向和幅度。
現有技術的SC模式機械手系統存在幾方面問題。從動部分的每 個關節必須配有像編碼器、分辨器、或電位計那樣的位置反饋設備。 控制算法絕對必須具有來自這個設備的可靠信號，以便使機械手工 作。如果任何一個反饋設備失效了，那麼機械手就不能用。
從動部分關節的速度和加速度必須是可變的，最好是無級的。傳 統上，這是利用液壓伺服閥實現的，但存在四個缺點，即，成本高、 易出現由流體清潔度不足引起的故障、洩漏速率高、和在高流速下壓 降大。為了延長sc機械手的壽命，常常需要一個隔離液力單元 (HPU)。這使系統的成本、重量和複雜性都增大。
SC模式機械手比速率模式機械手更易於操作。它們還允許操作 者流體觸摸。SC模式機械手需要比速率模式機械手更多的響應閥和電子線路。這導致sc模式機械手與速率模式機械手相比複雜性增加
和可靠性降低。


圖l描繪了現有技術的速率模式機械手臂和驅動系統； 圖2描繪了現有技術的SC模式機械手臂和驅動系統； 圖3是本發明第一優選實施例的系統層次圖；和 圖4是本發明第二實施例的方塊圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例針對用於機械手的可變和可調速率受控驅 動系統。如圖3所示，在一個優選實施例中，這個系統可有選擇地以 速率模式內的兩種可替代模式之一操作。這兩種模式是(a)可變速 率模式、和(b)正比速率模式。在另一個優選實施例中，這個系統 可有選擇地以第三模式，即力反饋速率模式操作。本發明改善了速率 臂的可控制性和可用性而不會增加通常與SC或位置受控機械手相關 聯的位置反饋電子線路的複雜。
如圖4所示，在一個優選實施例中，本發明包括正比模式控制器 14，正比模式控制器14被配置成輸出響應於正比模式控制器的位置 的正比模式控制信號。在一個實施例中，正比模式控制器是手動控制 器。
如圖4所示，在這個實施例中，本發明進一步包括可變速率模式 控制器12，可變速率模式控制器12被配置成輸出響應於預選設置的 可變速率模式控制信號。在一個實施例中，可變速率模式控制器是電 位計。
如圖4所示，在這個實施例中，本發明進一步包括模式選擇設備 10,模式選擇設備10可操作地與本地控制計算機(LCC) 22耦合， 以便使LCC有選擇地接收可變速率模式控制信號和正比模式控制信 號的至少一個，和有選擇地輸出可變速率模式控制信號和正比模式控制信號之一作為所選模式控制信號。本文使用的術語"計算機"包括微
處理器。LCC可操作地耦合成接收來自正比模式控制器或來自可變速 率模式控制器的所選輸入。模式選擇開關選擇LCC接收哪個輸入。 在一個實施例中，模式選擇設備是開關。在另一個實施例中，模式選 擇開關是圖形用戶界面屏幕上的按鈕。在另一個實施例中，模式選擇 開關包括在LCC內。
在一個優選實施例中，本發明還包括第四模式，第四模式是傳統 的接通或斷開速率模式。在這種第四模式下，如圖3所示，操作者致 動速率控制器按鈕IO。在一個優選實施例中，速率控制器按鈕是接通 /斷開開關10。
可變速率模式允許預置每個正比閥的流速，以便當壓下速率控制 器按鈕10時，正比閥30打開到它的全開位置的一個預置百分比。在 如圖3所示的優選實施例中，正比閥30包括流體入口和流體出口， 並被配置成接收用作控制信號的來自脈寬調製(PWM)控制器28的 電流信號。PWM控制器通過改變方波輸出的佔空度產生包括可變電 流的控制信號。產生的電流量與PWM控制器的接通時間與斷開時間 之比成正比。因此，與控制器的斷開時間相比，較長的接通時間將產 生較強的電流。使正比閥的閥塞與PWM控制器產生的電流的幅度成 正比地位移。另外，使液壓流體流量與閥塞位移成正比。這使操作者 可以設置按下按鈕時每個關節移動的速度。
這種模式的優點是使操作者可以補償在海底環境下頻繁遇到的 深度或溫度變化引起的液壓性能的變化。還使操作者可以將關節速度 調整成適合個人的喜好。除了速率手動控制器之外，這種方案不需要 處在致動器上的任何硬體。
在另一個優選實施例中，操作者可以通過軟體改變流量設置。這 樣的改變通常周期地和不在實際機械手操作期間實現。
如圖3所示，可變速率模式控制器12允許操作者選擇控制器的 最大輸出。如圖3所示，這個實施例進一步包括與可變速率模式控制 器耦合的本地控制計算機22。可變速率模式控制器12可操作地與本地控制計算機22上的模擬輸入接收器18連接，本地控制計算機22 能夠將數位訊號發送到遙控計算機24。遙控計算機配有一個或多個模 擬輸入通道26。在另一個優選實施例中，可變速率模式控制信號是模 擬信號，本地控制計算機包括可操作地耦合成從可變速率模式控制器
接收模擬信號的模擬輸入接收器。
如圖3所示，正比閥通過液壓線32和34與活塞外殼40連接。 在如圖3所示的優選實施例中，流出液壓線32具有與流體出口連接 的第一端和與第一端相對的第二端。此外，如圖3所示，流入液壓線 具有與流體入口連接的第一端和與第一端相對的第二端。
從正比閥直通線32噴出的液壓流體可以擴散到活塞42中。在這 種模式下，液壓流體從活塞外殼返回到正比閥直通線34。活塞42附 在機械手臂44上，以便活塞的伸出使機械手臂沿著第一方向移動而 活塞的縮回使機械手臂沿著與第一方向相反的第二方向移動。可以顛 倒正比閥的取向，使液壓流體流動的方向相反，以便液壓流體從正比 閥直通線34噴出和返回到正比閥直通線32。在這種操作模式下，活 塞將縮回。機械手臂上的其它自由度以相似的方式工作。
正比速率模式使操作者可以操作機械手而不需要來自關節的位 置反饋。在這種模式下，每一個正比閥與正比模式控制器14上的相 關模擬輸入設備的力或位移成正比地輸送流量。在優選實施例中，如 圖3所示，手動正比模式控制器14是手動控制器。本地控制計算機 也可操作地與正比模式控制器耦合。本地控制計算機包括模擬輸入端 18。正比模式控制器可操作地耦合成將模擬輸入信號提供給模擬輸入 端18。如果模擬輸入設備執行像力或位移那樣的模擬現象的局部轉 換，那麼，本地控制計算機22將通過並行或串行數字輸入接口與模 擬輸入設備連接。本地控制計算機22被配置成讀取、過濾、和/或定 標來自手動控制器14的輸入，並且組成要發送到遙控計算機(RCC ) 24的數字控制信號。如圖3所示，本地控制計算機可以通過一條或多 條導線或光纖可操作地與遙控計算機連接。
在一個優選實施例中，手動控制器14是像Sony Play Station 2那樣的簡單遊戲操縱臺控制器。隨著操作者進一步或更努力地移動相 關控制器，正比閥進一步打開，並且提高關節的速度。在一個優選實 施例中，正比閥位於海底。
力反饋速率模式使用與用在正比速率模式中的那個相同但附加
了簡化"力反饋"的控制器14。為了實現這種才莫式，如圖3所示，正比
閥與它的相關致動器之間的每條液壓線路都配有壓力傳送器36。在一
個優選實施例中，壓力傳感器可操作地與流入液壓線連接，能夠感測
所述線中的壓力的幅度和將壓力信號發送到模擬輸入端。隨著與特定
關節/致動器相關聯的負載增大，致動器中的壓力也增大。在針對位於
海底的機械手臂的優選實施例中，壓力傳感器通過海底遙控計算機將
壓力信號發送到本地控制計算機。利用光、聲音或振動向操作者呈現
壓力信號的幅度，並由此呈現力的大小。
前面對本發明的公開和描述是例示性的說明性的。可以不偏離本
發明精神對尺寸、形狀、和材料，以及例示性結構和/或例示性方法的 細節作各種各樣的改變。
權利要求
1. 一種機械手驅動系統，包括
2. 根據權利要求1所述的驅動系統，其中，正比模式控制器是 手動控制器。
3. 根據權利要求1所述的驅動系統，其中，可變速率模式控制 器是手動控制器。
4. 根據權利要求1所述的驅動系統，進一步包括可操作地與可 變速率模式控制器連接的速率控制器按鈕。
5. 根據權利要求5所述的驅動系統，其中，本地控制計算機包 括可操作地耦合成有選擇地接收正比模式控制信號的模擬輸入接收 器。
6. 根據權利要求6所述的驅動系統，其中，所選模式控制信號 是數位訊號。
7. 根據權利要求6所述的驅動系統，其中，本地控制計算機被 配置成讀取、過濾、和定標正比模式信號。
8. 根據權利要求7所述的驅動系統，進一步包括可操作地與本 地控制計算機連接以接收所選模式控制信號的遙控計算機，所述遙控 計算機包括a. 至少一個模擬輸入通道；和b. 能夠生成控制信號的脈寬調製輸出單元。
9. 根據權利要求8所述的驅動系統，進一步包括a. 正比閥，包括流體入口和流體出口，所述正比閥^皮配置成接 收來自脈寬調製輸出單元的控制信號；b. 流出液壓線，具有與流體出口連接的第一端並具有與第一端相對的第二端；c. 流入液壓線，具有與流體入口連接的第一端並具有與第一端相對的第二端；d. 活塞外殼，包括與流出液壓線的第二端連接的入口和與流入 液壓線的第二端連接的出口；和e. 活塞，可滑動地安裝在活塞外殼內，以便可以響應於流出和 流入液壓線中液壓流體流動的方向有選擇地縮回或伸出。
10. 根據權利要求9所述的驅動系統，進一步包括壓力傳送器， 可操作地與流入液壓線連接並能夠感測所述線中的壓力的幅度並將 壓力信號發送到模擬輸入端。
11. 根據權利要求10所述的驅動系統，進一步包括壓力指示器， 可操作地與模擬輸入端連接，以顯示壓力傳送器測量的壓力的指示。
12. 根據權利要求9所述的驅動系統，進一步包括機械手臂，與 活塞耦合，使得活塞的伸出使機械手臂沿著第一方向移動，而活塞的 縮回使機械手臂沿著與第一方向相反的第二方向移動。
13. —種機械手驅動系統，包括a. 正比模式控制器，被配置成輸出響應於正比模式控制器的位 置的正比模式控制信號；b. 可變速率模式控制器，被配置成輸出響應於預選設置的可變 速率模式控制信號；c. 本地控制計算機，可操作地耦合成接收來自正比模式控制器 或可變速率模式控制器之一的所選輸入；d. 模式選擇設備，可操作地與本地控制計算機耦合，使本地控制計算機有選擇地接收可變速率模式控制信號和正比模式控制信號 中的至少一個，和有選擇地輸出可變速率模式控制信號和正比模式控制信號之一作為所選模式控制信號；和e.速率控制器按鈕，可操作地與可變速率模式控制器連接。
14. 根據權利要求13所述的驅動系統，其中，本地控制計算機 包括可操作地耦合成接收正比模式控制信號的模擬輸入接收器。
15. 根據權利要求14所述的驅動系統，其中，所選模式控制信 號是數位訊號。
16. 根據權利要求13所述的驅動系統，其中，可變速率模式控 制信號是模擬信號，本地計算機包括可操作地耦合成接收來自可變速 率模式控制器的模擬信號的模擬輸入接收器。
17. 根據權利要求15所述的驅動系統，其中，本地控制計算機 被配置成讀取、過濾、和定標正比模式信號。
18. 根據權利要求16所述的驅動系統，進一步包括可操作地與 本地控制計算機連接以接收所選模式控制信號的遙控計算機，所述遙 控計算機包括a. 至少一個模擬輸入通道；和b. 能夠生成控制信號的脈寬調製輸出單元。
19. 根據權利要求18所述的驅動系統，進一步包括a. 正比閥，包括流體入口和流體出口，所述正比閥被配置成接 收來自遙控計算機中的脈寬調製單元的控制信號；b. 流出液壓線，具有與流體出口連接的第一端並具有與第一端 相對的第二端；c. 流入液壓線，具有與流體入口連接的第一端並具有與第一端 相對的第二端；d. 活塞外殼，包括與流出液壓線的第二端連接的入口和與流入 液壓線的第二端連接的出口；和e. 活塞，可滑動地安裝在活塞外殼內，以便可以響應於流出和 流入液壓線中液壓流體流動的方向有選擇地縮回或伸出。
20.根據權利要求19所述的驅動系統，進一步包括壓力傳送器， 可操作地與流入液壓線連接並能夠感測所述線中的壓力的幅度並將 壓力信號發送到模擬輸入端。
全文摘要
本發明涉及可以以幾種速率模式操作的機械手臂驅動系統。本發明的可變模式機械手臂驅動系統可以以可變速率模式、正比速率模式、和力反饋模式操作。它還可以在海底用液壓操作。
文檔編號F16D31/00GK101421532SQ200780012771
公開日2009年4月29日 申請日期2007年2月16日 優先權日2006年2月17日
發明者小R·W·麥科伊 申請人:國際海洋工程公司