专利名称：可变模式机械手和驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以以几种速率模式操作的机械手臂驱动系统。本发 明的可变模式机械手臂驱动系统可以以可变速率模式、正比速率模 式、和力反馈模式操作。它还可以在海底用液压操作。
背景技术：
现有技术的机械手臂可以以两种主要模式，即速率模式和空间对 应("SC，，)操作。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控制阀控制。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 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 速率或速度不受控制。
适合海底应用的速率模式机械手臂和驱动系统显示在图1中。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。现有技术的速率模式提供了比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模式机械手少。
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)。主动部分通常是配有许多关 节的手动控制器，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。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。SC 模式机械手臂和驱动系统显示在图2中。
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(如主动部分的匹配点的位置所指示的)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。
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。 控制算法绝对必须具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臂和驱动系统； 图2描绘了现有技术的SC模式机械手臂和驱动系统； 图3是本发明第一优选实施例的系统层次图；和 图4是本发明第二实施例的方块图。
具体实施例方式
本发明的优选实施例针对用于机械手的可变和可调速率受控驱 动系统。如图3所示，在一个优选实施例中，这个系统可有选择地以 速率模式内的两种可替代模式之一操作。这两种模式是(a)可变速 率模式、和(b)正比速率模式。在另一个优选实施例中，这个系统 可有选择地以第三模式，即力反馈速率模式操作。本发明改善了速率 臂的可控制性和可用性而不会增加通常与SC或位置受控机械手相关 联的位置反馈电子线路的复杂。
如图4所示，在一个优选实施例中，本发明包括正比模式控制器 14，正比模式控制器14被配置成输出响应于正比模式控制器的位置 的正比模式控制信号。在一个实施例中，正比模式控制器是手动控制 器。
如图4所示，在这个实施例中，本发明进一步包括可变速率模式 控制器12，可变速率模式控制器12被配置成输出响应于预选设置的 可变速率模式控制信号。在一个实施例中，可变速率模式控制器是电 位计。
如图4所示，在这个实施例中，本发明进一步包括模式选择设备 10,模式选择设备10可操作地与本地控制计算机(LCC) 22耦合， 以便使LCC有选择地接收可变速率模式控制信号和正比模式控制信 号的至少一个，和有选择地输出可变速率模式控制信号和正比模式控制信号之一作为所选模式控制信号。本文使用的术语"计算机"包括微
处理器。LCC可操作地耦合成接收来自正比模式控制器或来自可变速 率模式控制器的所选输入。模式选择开关选择LCC接收哪个输入。 在一个实施例中，模式选择设备是开关。在另一个实施例中，模式选 择开关是图形用户界面屏幕上的按钮。在另一个实施例中，模式选择 开关包括在LCC内。
在一个优选实施例中，本发明还包括第四模式，第四模式是传统 的接通或断开速率模式。在这种第四模式下，如图3所示，操作者致 动速率控制器按钮IO。在一个优选实施例中，速率控制器按钮是接通 /断开开关10。
可变速率模式允许预置每个正比阀的流速，以便当压下速率控制 器按钮10时，正比阀30打开到它的全开位置的一个预置百分比。在 如图3所示的优选实施例中，正比阀30包括流体入口和流体出口， 并被配置成接收用作控制信号的来自脉宽调制(PWM)控制器28的 电流信号。PWM控制器通过改变方波输出的占空度产生包括可变电 流的控制信号。产生的电流量与PWM控制器的接通时间与断开时间 之比成正比。因此，与控制器的断开时间相比，较长的接通时间将产 生较强的电流。使正比阀的阀塞与PWM控制器产生的电流的幅度成 正比地位移。另外，使液压流体流量与阀塞位移成正比。这使操作者 可以设置按下按钮时每个关节移动的速度。
这种模式的优点是使操作者可以补偿在海底环境下频繁遇到的 深度或温度变化引起的液压性能的变化。还使操作者可以将关节速度 调整成适合个人的喜好。除了速率手动控制器之外，这种方案不需要 处在致动器上的任何硬件。
在另一个优选实施例中，操作者可以通过软件改变流量设置。这 样的改变通常周期地和不在实际机械手操作期间实现。
如图3所示，可变速率模式控制器12允许操作者选择控制器的 最大输出。如图3所示，这个实施例进一步包括与可变速率模式控制 器耦合的本地控制计算机22。可变速率模式控制器12可操作地与本地控制计算机22上的模拟输入接收器18连接，本地控制计算机22 能够将数字信号发送到遥控计算机24。遥控计算机配有一个或多个模 拟输入通道26。在另一个优选实施例中，可变速率模式控制信号是模 拟信号，本地控制计算机包括可操作地耦合成从可变速率模式控制器
接收模拟信号的模拟输入接收器。
如图3所示，正比阀通过液压线32和34与活塞外壳40连接。 在如图3所示的优选实施例中，流出液压线32具有与流体出口连接 的第一端和与第一端相对的第二端。此外，如图3所示，流入液压线 具有与流体入口连接的第一端和与第一端相对的第二端。
从正比阀直通线32喷出的液压流体可以扩散到活塞42中。在这 种模式下，液压流体从活塞外壳返回到正比阀直通线34。活塞42附 在机械手臂44上，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与第一方向相反的第二方向移动。可以颠 倒正比阀的取向，使液压流体流动的方向相反，以便液压流体从正比 阀直通线34喷出和返回到正比阀直通线32。在这种操作模式下，活 塞将缩回。机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机械手而不需要来自关节的位 置反馈。在这种模式下，每一个正比阀与正比模式控制器14上的相 关模拟输入设备的力或位移成正比地输送流量。在优选实施例中，如 图3所示，手动正比模式控制器14是手动控制器。本地控制计算机 也可操作地与正比模式控制器耦合。本地控制计算机包括模拟输入端 18。正比模式控制器可操作地耦合成将模拟输入信号提供给模拟输入 端18。如果模拟输入设备执行像力或位移那样的模拟现象的局部转 换，那么，本地控制计算机22将通过并行或串行数字输入接口与模 拟输入设备连接。本地控制计算机22被配置成读取、过滤、和/或定 标来自手动控制器14的输入，并且组成要发送到遥控计算机(RCC ) 24的数字控制信号。如图3所示，本地控制计算机可以通过一条或多 条导线或光纤可操作地与遥控计算机连接。
在一个优选实施例中，手动控制器14是像Sony Play Station 2那样的简单游戏操纵台控制器。随着操作者进一步或更努力地移动相 关控制器，正比阀进一步打开，并且提高关节的速度。在一个优选实 施例中，正比阀位于海底。
力反馈速率模式使用与用在正比速率模式中的那个相同但附加
了简化"力反馈"的控制器14。为了实现这种才莫式，如图3所示，正比
阀与它的相关致动器之间的每条液压线路都配有压力传送器36。在一
个优选实施例中，压力传感器可操作地与流入液压线连接，能够感测
所述线中的压力的幅度和将压力信号发送到模拟输入端。随着与特定
关节/致动器相关联的负载增大，致动器中的压力也增大。在针对位于
海底的机械手臂的优选实施例中，压力传感器通过海底遥控计算机将
压力信号发送到本地控制计算机。利用光、声音或振动向操作者呈现
压力信号的幅度，并由此呈现力的大小。
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
2. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，正比模式控制器是 手动控制器。
3. 根据权利要求1所述的驱动系统，其中，可变速率模式控制 器是手动控制器。
4. 根据权利要求1所述的驱动系统，进一步包括可操作地与可 变速率模式控制器连接的速率控制器按钮。
5. 根据权利要求5所述的驱动系统，其中，本地控制计算机包 括可操作地耦合成有选择地接收正比模式控制信号的模拟输入接收 器。
6. 根据权利要求6所述的驱动系统，其中，所选模式控制信号 是数字信号。
7. 根据权利要求6所述的驱动系统，其中，本地控制计算机被 配置成读取、过滤、和定标正比模式信号。
8. 根据权利要求7所述的驱动系统，进一步包括可操作地与本 地控制计算机连接以接收所选模式控制信号的遥控计算机，所述遥控 计算机包括a. 至少一个模拟输入通道；和b. 能够生成控制信号的脉宽调制输出单元。
9. 根据权利要求8所述的驱动系统，进一步包括a. 正比阀，包括流体入口和流体出口，所述正比阀^皮配置成接 收来自脉宽调制输出单元的控制信号；b. 流出液压线，具有与流体出口连接的第一端并具有与第一端相对的第二端；c. 流入液压线，具有与流体入口连接的第一端并具有与第一端相对的第二端；d. 活塞外壳，包括与流出液压线的第二端连接的入口和与流入 液压线的第二端连接的出口；和e. 活塞，可滑动地安装在活塞外壳内，以便可以响应于流出和 流入液压线中液压流体流动的方向有选择地缩回或伸出。
10. 根据权利要求9所述的驱动系统，进一步包括压力传送器， 可操作地与流入液压线连接并能够感测所述线中的压力的幅度并将 压力信号发送到模拟输入端。
11. 根据权利要求10所述的驱动系统，进一步包括压力指示器， 可操作地与模拟输入端连接，以显示压力传送器测量的压力的指示。
12. 根据权利要求9所述的驱动系统，进一步包括机械手臂，与 活塞耦合，使得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与第一方向相反的第二方向移动。
13. —种机械手驱动系统，包括a. 正比模式控制器，被配置成输出响应于正比模式控制器的位 置的正比模式控制信号；b. 可变速率模式控制器，被配置成输出响应于预选设置的可变 速率模式控制信号；c. 本地控制计算机，可操作地耦合成接收来自正比模式控制器 或可变速率模式控制器之一的所选输入；d. 模式选择设备，可操作地与本地控制计算机耦合，使本地控制计算机有选择地接收可变速率模式控制信号和正比模式控制信号 中的至少一个，和有选择地输出可变速率模式控制信号和正比模式控制信号之一作为所选模式控制信号；和e.速率控制器按钮，可操作地与可变速率模式控制器连接。
14. 根据权利要求13所述的驱动系统，其中，本地控制计算机 包括可操作地耦合成接收正比模式控制信号的模拟输入接收器。
15. 根据权利要求14所述的驱动系统，其中，所选模式控制信 号是数字信号。
16. 根据权利要求13所述的驱动系统，其中，可变速率模式控 制信号是模拟信号，本地计算机包括可操作地耦合成接收来自可变速 率模式控制器的模拟信号的模拟输入接收器。
17. 根据权利要求15所述的驱动系统，其中，本地控制计算机 被配置成读取、过滤、和定标正比模式信号。
18. 根据权利要求16所述的驱动系统，进一步包括可操作地与 本地控制计算机连接以接收所选模式控制信号的遥控计算机，所述遥 控计算机包括a. 至少一个模拟输入通道；和b. 能够生成控制信号的脉宽调制输出单元。
19. 根据权利要求18所述的驱动系统，进一步包括a. 正比阀，包括流体入口和流体出口，所述正比阀被配置成接 收来自遥控计算机中的脉宽调制单元的控制信号；b. 流出液压线，具有与流体出口连接的第一端并具有与第一端 相对的第二端；c. 流入液压线，具有与流体入口连接的第一端并具有与第一端 相对的第二端；d. 活塞外壳，包括与流出液压线的第二端连接的入口和与流入 液压线的第二端连接的出口；和e. 活塞，可滑动地安装在活塞外壳内，以便可以响应于流出和 流入液压线中液压流体流动的方向有选择地缩回或伸出。
20.根据权利要求19所述的驱动系统，进一步包括压力传送器， 可操作地与流入液压线连接并能够感测所述线中的压力的幅度并将 压力信号发送到模拟输入端。
全文摘要
本发明涉及可以以几种速率模式操作的机械手臂驱动系统。本发明的可变模式机械手臂驱动系统可以以可变速率模式、正比速率模式、和力反馈模式操作。它还可以在海底用液压操作。
文档编号F16D31/00GK101421532SQ200780012771
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
发明者小R·W·麦科伊 申请人:国际海洋工程公司