多模式机械手臂和驱动系统的制作方法

专利名称：多模式机械手臂和驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以以多种模式，包括本文称为"速率(rate)模式，， 的接通或断开模式或空间对应("SC")模式操作的机械手臂 (manipulator arm )和驱动系统。本发明的多才莫式机械手臂和驱动系 统可以在海底用液压操作。
背景技术：
现有技术的机械手臂包括两种可替换主要模式(类型)，即速率 模式和空间对应("SC")模式机械手。在速率模式下，每个机械手自 由度(DOF)由致动器控制，致动器又通过全开或全闭的定向,制阀 控制。虽然机械手臂领域的普通技术人员都熟悉术语"速率模式"，但 它并未提供这种模式的功能能力的严格描述。在现有技术的速率模式 下，机械手关节或者作全速运动或者完全停止。在现有技术的速率模 式下，机械手臂的运动速率不受控制。具有一个可以选择性地以这些 模式之一操作的单个机械手是有利的。
在速率模式操作中，速率模式控制器允许对一条或多条致动器控 制通道进行简单的接通/断开控制。这进一步引起适当的致动器致动， 该致动器又引起适当的臂关节或分段运动。操作者可以同时致动不止 一个致动器。由于仅有"接通/断开"功能，操作者不能控制关节或分段 的速度。在速率模式下，不存在关节位置反馈。操作者仅致动所需关 节或分段，直到他看到其处在所需位置/方位上。适合海底应用的速率模式机械手臂和驱动系统在图1中示出。如 图l所示的速率模式机械手适合用在具有单个自由度的机械手上。在 速率模式下，操作者通过压下一个或多个独立按钮对定向控制阀供 能，以便沿着所需方向移动定向控制阀，并因此移动致动器。速率模 式机械手以"开环，，方式工作，在"开环"方式下，操作者压下一个或多 个相应按钮，直到一个或多个机械手关节移动到所需位置。操作者用
肉眼监视机械手的位置。在利用ROV的海底应用中，这可以通过海 底摄像机完成。不存在用在机械手控制电子线路本身中的位置反馈信 号。
速率模式提供了比SC模式更笨拙的控制机械手臂的方法；但是， 速率模式操纵实现起来比SC模式操纵更简单和成本更低。速率模式 机械手也比SC模式机械手更可靠，因为它需要的电子线路比SC模 式才几械手少。
在SC模式(也称为"位置受控模式")下，每个机械手臂关节的 位置是已知的并受到控制。通常，SC机械手系统包括两个部分主 动部分(master)和从动部分(slave)。主动部分是常常以手动控制 器(hand controller)的形式实现的输入设备，手动控制器配有许多 关节，随着操作者移动控制器，这些关节的角位置被测量和监视。一 般说来，主动部分具有模仿从动部分的关节排列的关节排列。
从动部分是机械手本身。机械手是远程机器人臂(tele-robotic arm)。从动部分与主动部分手动控制器成比例地移动。如果主动部 分上的关节緩慢地移动，从动部分关节也将緩慢地移动。如果主动部 分迅速地移动，从动部分也将迅速地移动。从动部分关节和分段的运 动(速度)"对应于""主动部分"控制器关节和分段的运动。SC模式 机械手臂和驱动系统显示在图2中。
主动部分关节和分段的位置或位置变化通过本地控制计算机监 视。本地控制计算机响应主动部分控制器输入，将适当信号发送到遥 控计算机。遥控计算机监视臂关节和分段的位置，并且将那些位置与 从本地控制计算机发送的位置信息相比较。然后，进行必要的计算以确定致动器控制所需的信号的方向和幅度，以便将致动器、以及臂关 节和分段移动到正确位置。
现有技术的sc机械手以"闭环，，模式工作，"闭环，，模式使用代表
从动部分上的每个关节的位置的误差信号。连续地将这个信号与所需 关节位置(如主动部分的匹配关节的位置所指示的)相比较，如有必
要，按照通常是正比、积分、微分(PID)环的变体的某种算法调整 相应控制阀的方向和幅度。
在现有机械手或机器人臂设计中，利用分辨器、电位计、或其它 旋转传感器监视一个或多个关节的角位移。这些都需要关节的可动部 分与传感器之间的某种机械连接，通常为转轴。传感器通常由关节的 非可动部分保持静止。在海底环境下，机械连接，例如转轴必须配有 机械连接密封剂，以防止海水侵入传感器中。这种机械连接器密封剂 易失效，因此导致传感器随之失效。
现有解决方案需要为所安装的每个传感器提供分立连线。带有大 量关节传感器的臂需要可能难以安装和维护的相当多的连线。
现有传感器类型常常要求某种主控制器读取由传感器，例如分辨 器或电位计产生的模拟值。这就要求控制器提供读取、过滤、或定标 必须在易产生噪声的长导体上发送模拟信号的每个传感器的读数的 处理能力。
现有技术的SC模式机械手系统存在几方面问题。从动部分的每 个关节必须配有像编码器、分辨器、或电位计那样的位置反馈设备。 控制算法必须拥有来自这个设备的可靠信号，以便使机械手工作。如
果任何一个反馈设备失效了 ，那么机械手就不能用。
从动部分关节的速度和加速度必须是可变的，最好是无级的。传 统上，这是利用液压伺服阀实现的，但存在四个缺点，即，成本高、 易出现由流体清洁度不足引起的故障、泄漏速率高、和在高流速下压 降大。为了延长sc机械手的寿命，常常需要一个隔离液力单元 (HPU)。这使系统的成本、重量和复杂性都增大。
SC模式机械手比速率模式机械手更易于操作。它们还允许操作者流体触摸。sc模式机械手需要比速率模式机械手更多的响应阀和
电子线路。这导致sc模式机械手与速率模式机械手相比复杂性增加
和可靠性降低。


图l描绘了现有技术的速率模式机械手和驱动系统； 图2描绘了现有技术的SC模式机械手和驱动系统； 图3是本发明第一优选实施例的系统层次图； 图4a是选择性地以速率模式操作的本发明第二优选实施例的系 统层次图；和
图4b是选择性地以SC模式操作的本发明第二优选实施例的系 统层次图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例针对如图3、 4a和4b所示，能够以所选速 率模式或SC模式驱动和/或控制机械手臂的多模式机械手臂和驱动系 统。本发明的优选实施例包括一个或多个速率模式选择开关10，每个 速率模式选择开关10被配置成输出能够以速率模式驱动机械手臂的 速率模式信号。在优选实施例中，每个速率模式选择开关是按钮或拨 动开关。在另一个优选实施例中，速率模式选择开关可由操作者操作， 放置在打开位置上或放置在闭合位置上。在一个优选实施例中，受控 制的机械手臂的每个关节都有一个速率模式选择开关。
如图3、 4a和4b所示，本发明的另一个实施例包括数字信号输 入端16，数字信号输入端16可操作地与速率模式选择或致动开关耦 合，以便当压下速率模式致动开关时，数字信号输入端记录数字输入 信号的变化，而当释放速率模式致动开关时，记录相反的数字输入信 号。
如图3所示，本发明的优选实施例进一步包括空间对应控制器 11，空间对应控制器11包括位置可调主动部分，配置成响应于主动部分的位置输出空间对应模式信号，并能够以空间对应模式驱动机械 手臂。在优选实施例中，空间对应模式控制器是像操纵杆那样的手动 控制器。在优选实施例中，主动部分包括多个模拟传感器，其数量等 于从动部分的自由度的数目减1。例如，七自由度机械手的主动部分 具有六个模拟传感器。在另一个优选实施例中，主动部分包括用于打 开和闭合机械手爪的单个数字输入端。
本发明的优选实施例进一步包括模式选择设备13，模式选择设 备13可操作地耦合成有选择地接收速率模式信号和空间对应模式信 号的至少一个，和有选择地输出速率模式信号和空间对应模式信号之 一作为所选模式信号。在优选实施例中，模式选择器包括配置成选择 至少两个输入之一的选择开关。在这个实施例中，选择开关可以由操 作者放置成在速率模式信号和空间对应模式信号之间选择。速率模式 选择开关、空间对应控制器和模式选择设备的组合可以用作能够用于 以所选模式有选择地控制机械手操作的多模式机械手驱动选择系统。
本发明的另一个实施例进一步包括本地控制计算机15,本地控 制计算机15可操作地连接成接收所选模式信号和输出遥控输入信号。 在优选实施例中，本地控制计算机能够通过导线或光纤将遥控输入信 号发送到遥控计算机。本文使用的术语"计算机"包括微处理器。如图 3所示，在优选实施例中，本地控制计算机被配置成将从空间对应控 制器接收的模拟控制信号与从臂分段位置传感器接收的位置信号相 比较，并产生由这两个信号之间的差值的幅度确定的纠错信号。在一 个实施例中，这个控制器包括PID环。
在一个优选实施例中，本发明进一步包括遥控计算机17，遥控 计算机17可操作地与本地控制计算机连接，以接收遥控输入信号和 输出致动器控制输入信号。在一个优选实施例中，遥控计算机能够接 收遥控输入信号。在本地控制计算机牵涉到闭环控制远程机器人臂的 另一个优选实施例中，也能够接收来自遥控计算机的输入。如图3、 4a和4b所示，在一些优选实施例中，本发明可控制位于海底的机械 手。如图3、 4a和4b所示，在海底应用中，遥控计算机包括海底遥测电子线路和软件。
如图4a和4b所示，在一个优选实施例中，本发明进一步包括致 动器控制器19，致动器控制器19被配置成接收致动器控制输入信号 和输出致动器位置信号。在以闭环方式操作远程机器人臂的另一个优 选实施例中，将遥控计算机配置成接收来自 一个或多个位置或速度反 馈传感器的输入。在一个优选实施例中，致动器控制器能够根据来自 遥控计算机的所需关节位置和/或速度信息行动。在通过液压致动器移 动远程机器人臂的实施例中，致动器控制器能够控制将液压和液流供 应给液压致动器的液压阀。
如图4a和4b所示，在另一个优选实施例中，本发明进一步包括 致动器21，致动器21被配置成接收致动器位置信号和移动机械手臂 分段或关节。本文使用的术语"信号"包括通过电、机电、电磁、电子、 或液压媒体发送数据或其它定量信息。致动器被配置成随致动器位置 信号而移动。致动器将机械力施加在相应远程机器人臂分段23上， 以改变该分段的位置和/或速度。远程机器人臂分段与致动器耦合，以 便随致动器移动而移动。在使用液压致动器的实施例中，致动器是液 压筒或液压旋转致动器，并且响应于像液压或液流那样的液压过程参 数的预定水平生成致动器位置信号。在另一个优选实施例冲，本发明 对于每个臂分段包括一个臂分段位置传感器25。
如图3所示，本发明的实施例进一步包括可动机械手臂44和位 置传感器45，位置传感器45可操作地与机械手臂耦合并配置成输出 指示机械手臂的位置的位置信号。在另一个优选实施例中，机械手臂 包括通过多个关节连接的多个分段。
如图3所示，本发明的另一个实施例进一步包括液压驱动系统 30，液压驱动系统30包括第一端口 32、第二端口 49、正比控制螺线 管34、和定向控制阀36,定向控制阀36可配置为第一方向才莫式和第 二方向模式。在一个优选实施例中，定向控制阀36是4-路、3-位置 正比阀。这个液压驱动系统被配置成从数字信号接收器接收机械手致 动信号，和从空间对应模式控制系统接收纠错信号。这个液压驱动系统被进一步配置成当正比控制螺线管处在第一配置下时，响应于机械 手致动信号和纠错信号，通过第一端口喷出液压流体。在这种第一配
置下，液压驱动系统通过第二端口 49接收液压流体。
如图3所示，本发明的这个实施例进一步包括第一液压流体通道 31，第一液压流体通道31包括与第一端口 32连接的第一端33和与 第一端相对的第二端35。如图3所示，本发明的这个实施例进一步包 括第二液压流体通道37，第二液压流体通道37包括与第二端口 49连 接的第一端39和与第一端相对的第二端38。当以第二配置放置正比 控制螺线管时，液压流体流过流体通道31和37和流过端口 32和49 的方向与控制螺线管处在第一配置下时这种流动的方向相反。
如图3所示，本发明的这个实施例进一步包括液压活塞42，液 压活塞42包括与第一液压流体通道的第二端连接的第一端口 41、和 与第二液压流体通道的第二端连接的第二端口 43,以便当以第一方向 才莫式配置定向控制阀时，从驱动系统喷出的液压流体流入第 一端口并 从第二端口流出，使活塞伸出，而当以第二方向模式配置定向控制阀 时，从驱动系统喷出的液压流体流入第二端口并从第一端口流出，使 活塞缩回。活塞还与机械手臂连接，以便活塞的伸出使机械手臂沿着 第一方向移动，而活塞的缩回使机械手臂沿着第二方向移动。
应用在本发明的优选实施例中的混合控制方案具有速率模式和 SC模式两者的优点。本发明的优选实施例具有用于每个关节的位置 反馈设备和用于调整到与关节相关联的每个致动器的流动的设备。
在一个优选实施例中，本发明使用正比流动定向控制阀。这些阀 门是伺服阀的成本的一小部分，并且在它们两端具有较低压降。正比 阀还更能容忍含杂质油。正比阀具有与通常用在速度机械手中的简单 定向控制阀的泄漏速率相对应的泄漏速率。这意味着机械手臂关节不 会漂移并且不需要连续监视位置。
通过应用正比阀、专门软件、和电子线路，本发明的优选实施例 在任何时候都可以在SC模式和速率模式之间切换。如果在以SC模 式操作的同时，位置反馈传感器失效了，操作者可以将机械手从SC模式切换到速率模式，并且继续工作。可替代地，可以根据操作者的 偏爱来回切换模式。
存在希望以sc模式操作一些机械手关节，而以速率模式操作其
它关节的情形。这主要通过软件实现，但要求最高控制台配有为各个 关节设置操作模式的装置。最简单的安排由每个关节的拨动开关和指
示灯(LED)组成。
前面对本发明的公开和描述是例示性的说明性的。可以不偏离本 发明精神对尺寸、形状和材料，以及例示性结构和/或例示性方法的细 节作各种各样的改变。
权利要求
1. 一种机械手驱动系统，包括a. 速率模式选择开关，配置成输出能够以速率模式驱动机械手臂的速率模式驱动信号；b. 空间对应控制器，包括位置可调主动部分，配置成输出响应于该主动部分的位置的空间对应模式控制信号并能够以空间对应模式驱动机械手臂；和c. 模式选择设备，可操作地耦合成有选择地接收速率模式驱动信号和空间对应模式控制信号中的至少一个，和有选择地输出速率模式控制信号或空间对应模式控制信号之一作为所选模式控制信号。
2. 根据权利要求1所述的机械手驱动系统，其中，速率模式选 择开关是按钮。
3. 根据权利要求1所述的机械手驱动系统，其中，空间对应模 式控制器是手动控制器。
4. 根据权利要求1所述的机械手驱动系统，进一步包括本地控 制计算机，可操作地连接成接收所选模式控制信号和输出遥控信号。
5. 根据权利要求4所述的机械手驱动系统，进一步包括遥控计 算机，可操作地与本地控制计算机连接，以接收遥控信号和输出致动 器控制输入信号。
6. 根据权利要求5所述的机械手驱动系统，其中，本地控制计 算机通过导线可操作地与遥控计算机连接。
7. 根据权利要求5所述的机械手驱动系统，其中，本地控制计 算机通过光纤可操作地与遥控计算机连接。
8. 根据权利要求7所述的机械手驱动系统，其中，遥控计算机 包括遥测电子线路和软件。
9. 根据权利要求5所述的机械手驱动系统，进一步包括a.致动器控制器，配置成接收致动器控制输入信号和输出致动 器控制输出信号；b. 致动器，配置成接收致动器控制输入信号和响应于致动器位置信号而移动；和c. 远程机器人臂分段，与致动器耦合，以便响应于致动器的移 动而移动。
10. 根据权利要求9所述的机械手驱动系统，其中，致动器是液 压致动器。
11. 根据权利要求10所述的机械手驱动系统，其中，响应于液 压过程参数的预定水平生成致动器控制信号。
12. 根据权利要求9所述的机械手驱动系统，进一步包括臂分段 位置传感器，配置成感测远程机器人臂分段的位置和将位置指示信号 输出到遥控计算机。
13. —种机械手驱动系统，包括a. 速率模式选择开关，配置成输出能够以速率模式驱动机械手 臂的速率模式驱动信号；b. 空间对应手动控制器，包括位置可调主动部分，配置成输出 响应于该主动部分的位置的空间对应模式控制信号并能够以空间对 应模式驱动机械手臂；c. 模式选择设备，可操作地耦合成有选择地接收速率模式驱动 信号和空间对应模式控制信号中的至少一个，和有选择地输出速率模 式控制信号或空间对应模式控制信号之一作为所选模式控制信号；和d. 本地控制计算机，可操作地连接成接收所选模式控制信号和 输出遥控信号。
14. 根据权利要求13所述的机械手驱动系统，进一步包括遥控 计算机，可操作地与本地控制计算机连接，以接收遥控信号和输出致 动器控制输入信号。
15. 根据权利要求14'所述的机械手驱动系统，其中，遥控计算 机包括遥测电子线路和软件。
16. 根据权利要求15所述的机械手驱动系统，进一步包括a.致动器控制器，配置成接收致动器控制输入信号和输出致动器控制输出信号；b. 致动器，配置成接收致动器控制输入信号和响应于致动器位 置信号而移动；和c. 远程机器人臂分段，与致动器耦合，以便响应于致动器的移 动而移动。
17. 根据权利要求16所述的机械手驱动系统，进一步包括臂分 段位置传感器，配置成感测远程机器人臂分段的位置和将位置指示信 号输出到遥控计算机。
18. —种4几械手驱动系统，包括a. 速率模式选择开关，配置成输出能够以速率模式驱动机械手 臂的速率模式驱动信号；b. 空间对应手动控制器，包括位置可调主动部分，配置成输出 响应于该主动部分的位置的空间对应模式控制信号并能够以空间对 应模式驱动机械手臂；c. 模式选择设备，可操作地耦合成有选择地接收速率模式驱动 信号和空间对应模式控制信号中的至少一个，和有选择地输出速率模 式控制信号或空间对应模式控制信号之一作为所选模式控制信号；d. 本地控制计算机，可操作地连接成接收所选模式控制信号和 输出遥控信号；和e. 遥控计算机，包括遥测电子线路和软件，并且可操作地与本 地控制计算机连接，以接收遥控信号和输出致动器控制输入信号。
19. 根据权利要求18所述的机械手驱动系统，其中，遥控计算 机通过光纤可操作地与本地控制计算机连接。
20. 根据权利要求18所述的机械手驱动系统，其中，遥控计算 机通过导线可操作地与本地控制计算机连接。
全文摘要
本发明涉及可以以多种模式，包括本文称为“速率模式”的接通或断开模式或空间对应(“SC”)模式操作的机械手臂和驱动系统。本发明的多模式机械手臂和驱动系统可以在海底用液压操作。
文档编号B63G8/41GK101421152SQ200780012861
公开日2009年4月29日 申请日期2007年2月16日 优先权日2006年2月17日
发明者R·W·麦科伊 申请人:国际海洋工程公司