[发明专利]可变模式机械手和驱动系统

说明书

交叉参考相关申请

本申请要求2006年2月17日提出的临时申请第60-774,569号的 权益。

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缓慢地移动，从动部分关节也将缓慢 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。

附图说明

图1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。