BRPI0707956A2 - manipulador e sistema de acionamento de modo variável - Google Patents

Abstract

MANIPULADOR E SISTEMA DE ACIONAMENTO DE MODO VARIáVEL. A presente invenção refere-se a um sistema de acionamento de braço manipulador que pode ser operado em modos de taxa variáveis. O sistema de acionamento de braço manipulador de modo variável da invenção pode ser operado em um modo de taxa variável, um modo de taxa proporcional e em um modo de realimentação de força. Ele também pode ser submarino operado hidraulicamente.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MANIPULADORE SISTEMA DE ACIONAMENTO DE MODO VARIÁVEL".

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

Este pedido de patente reivindica o benefício do Pedido Provisó-rio 60/774.569, depositado em 17 de fevereiro de 2006.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a um sistema de acionamento debraço manipulador que pode ser operado em diversos modos de taxa. O sis-tema de acionamento de braço manipulador de modo variável da invençãopode ser operado em um modo de taxa variável, um modo de taxa propor-cional, e um modo de realimentação de força. Ele também pode ser subma-rino operado hidraulicamente.

Descrição da Técnica Anterior

Braços manipuladores de técnica anterior são operáveis em doismodos primários, modo de taxa e modo correspondente espacialmente("SC"). Em modo de taxa, cada um dos graus de liberdade de manipulador(DOF) é controlado por um atuador que por sua vez é controlado por meiode uma válvula de controle direcional que está inteiramente aberta ou intei-ramente fechada. Embora a expressão "modo de taxa" seja familiar aos ver-sados na técnica de braço manipulador, ela não fornece uma descrição lite-ral das capacidades funcionais deste modo. No modo de taxa de técnica an-terior, a junta de manipulador está se movendo em velocidade total ou elaestá completamente parada. No modo de taxa de técnica anterior, a taxa demovimento ou velocidade do braço manipulador não é controlada.

Um braço manipulador e sistema de acionamento de modo detaxa adequado para aplicações submarinas estão mostrados na figura 1. Emmodo de taxa, o operador energiza uma válvula de controle direcional aopressionar teclas ou tecla individual a fim de mover a válvula de controle di-recional, e conseqüentemente o atuador, na direção desejada. Manipulado-res de modo de taxa operam em um modo de "loop aberto" em que o opera-dor pressiona a tecla ou teclas correspondentes até que a junta ou juntas demanipulador se movam para a posição desejada. O operador monitora a po-sição do manipulador visualmente. Em aplicações submarinas usando umROV isto pode ser realizado por meio de uma câmera submarina. Não existesinal de realimentação de posição utilizado na eletrônica de controle de ma-nipulador propriamente dito.

Modo de taxa de técnica anterior fornece um método mais difícilde controlar um braço manipulador do que modo SC; entretanto, manipula-ção de modo de taxa é mais simples e menos cara para implementar do quemanipulação de modo SC. Um manipulador de modo de taxa também é maisseguro do que um manipulador de modo SC porque ele exige menos eletrô-nica do que um manipulador de modo SC.

No modo SC (também conhecido como "modo de posição con-trolada"), a posição de cada junta de braço manipulador é conhecida e con-trolada. Tipicamente, um sistema de manipulador SC compreende duas par-tes: um mestre e um escravo. O mestre é usualmente um controlador demão que é equipado com diversas juntas cuja posição angular é medida emonitorada à medida que o operador move o controlador. De uma maneirageral, o mestre tem um arranjo de junta que imita o arranjo de junta do es-cravo. O escravo é o manipulador propriamente dito. O escravo se moveráem proporção para o controlador de mão mestre. Se uma junta no mestre formovida lentamente, a junta de escravo se moverá lentamente. Se o mestrefor movido rapidamente, o escravo se moverá rapidamente. Um braço mani-pulador e sistema de acionamento de modo SC estão mostrados na figura 2.

Manipuladores SC de técnica anterior operam em modo de "loopfechado", o qual usa um sinal de erro que representa a posição de todas asjuntas no escravo. Este sinal é continuamente comparado com a posição dejunta desejada (tal como indicada pela posição da junta de casamento domestre) e a direção e magnitude da válvula de controle correspondente sãomoduladas como necessário de acordo com algum tipo de algoritmo que éusualmente uma variante de um Ioop proporcional, integral, derivativo (PID).

Sistemas de manipulador de modo SC de técnica anterior têmdiversos problemas. Cada junta do escravo deve ser equipada com um dis-positivo de realimentação de posição tal como um codificador, resolvedor oupotenciômetro. O algoritmo de controle deve ter um sinal absolutamente se-guro proveniente deste dispositivo a fim de o manipulador trabalhar. Sequalquer um dos dispositivos de realimentação falhar o manipulador estaráentão inutilizável.

A velocidade e aceleração das juntas de escravo devem ser va-riáveis e, preferivelmente, sem escalonamento. Tradicionalmente, isto temsido alcançado pelo uso de válvulas servo-hidráulicas que sofrem de quatrodesvantagens, as quais são de alto custo, tendência para falha por causa defalta de limpeza de fluido, alta taxa de escoamento e alta queda de pressãoem altas taxas de fluxo. A fim de aumentar a longevidade do manipuladorSC, uma unidade de potência hidráulica (HPU) isolada é freqüentementeexigida. Isto aumenta o custo, peso e complexidade do sistema.

Manipuladores de modo SC são mais fáceis de operar do quemanipuladores de modo de taxa. Eles também provêem o operador com umtoque fluido. Um manipulador de modo SC exige mais válvulas e eletrônicaresponsivas do que um manipulador de modo de taxa. Isto resulta em com-plexidade aumentada e confiabilidade reduzida para um manipulador de mo-do SC versus um manipulador de modo de taxa.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 representa um braço manipulador e sistema de acio-namento de modo de taxa da técnica anterior.

A figura 2 representa um braço manipulador e sistema de acio-namento de modo SC da técnica anterior.

A figura 3 representa um diagrama de nível de sistema de umaprimeira modalidade da invenção.

A figura 4 é um diagrama em blocos de uma segunda modalida-de da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDASUma modalidade preferida da invenção refere-se a um sistemade acionamento controlado de taxa variável e ajustável para um manipula-dor. Em uma modalidade preferida, este sistema é operável seletivamenteem um de dois modos alternativos dentro do modo de taxa, tal como mos-trado na figura 3. Estes dois modos são: a) modo de taxa variável, e b) modode taxa proporcional. Em uma outra modalidade preferida, este sistema éoperável seletivamente em um terceiro modo, o modo de taxa de realimen-tação de força. A presente invenção leva em conta capacidade de controleaperfeiçoada e utilização de um braço de taxa sem aumentar a complexida-de da eletrônica de realimentação de posição usualmente associada commanipuladores SC ou de posição controlada.

Em uma modalidade preferida, a invenção compreende um con-trolador de modo proporcional 14 configurado para produzir um sinal de con-trole de modo proporcional responsivo à posição do controlador de modoproporcional, tal como mostrado na figura 4. Em uma modalidade, o contro-lador de modo proporcional é um controlador de mão.

Nesta modalidade, a invenção compreende adicionalmente umcontrolador de modo de taxa variável 12 configurado para produzir um sinalde controle de modo de taxa variável responsivo a uma configuração pré-selecionada, tal como mostrado na figura 4. Em uma modalidade, o contro-lador de modo de taxa variável é um potenciômetro.

Nesta modalidade, a invenção compreende adicionalmente umdispositivo seletor de modo 10 acoplado operacionalmente ao computadorde controle local 22 (LCC) a fim de fazer com que o LCC receba seletiva-mente pelo menos um de o sinal de controle de modo de taxa variável e osinal de controle de modo proporcional e para produzir seletivamente um deo sinal de controle de modo de taxa variável e o sinal de controle de modoproporcional como o sinal de controle de modo selecionado, tal como mos-trado na figura 4. O termo "computador" tal como usado neste documentoabrange um microprocessador. O LCC é acoplado operacionalmente parareceber uma entrada selecionada do controlador de modo proporcional oudo controlador de modo de taxa variável. O comutador seletor de modo sele-ciona qual entrada o LCC recebe. Em uma modalidade, o dispositivo seletorde modo é um comutador. Em uma outra modalidade, o comutador seletorde modo é uma tecla em uma tela de interface gráfica de usuário. Em umaoutra modalidade, o comutador seletor de modo é contido dentro do LCC.

Em uma modalidade preferida, a invenção também inclui umquarto modo, o qual é o modo de taxa ligado ou desligado convencional.Neste quarto modo, o operador aciona uma tecla controladora de taxa 10, talcomo mostrado na figura 3. Em uma modalidade preferida, a tecla controla-dora de taxa é um comutador de ligado/desligado 10.

O modo de taxa variável permite que a taxa de fluxo de cadauma das válvulas proporcionais seja pré-fixada de maneira que, quando umatecla controladora de taxa 10 é pressionada, a válvula proporcional 30 abreem uma porcentagem pré-fixada da sua posição aberta total. Na modalidadepreferida mostrada na figura 3, a válvula proporcional 30 compreende umaporta de entrada de fluido e uma porta de saída de fluido, e é configuradapara receber um sinal de corrente do controlador de modulação por largurade pulso (PWM) 28 que serve como um sinal de controle. O controladorPWM produz um sinal de controle compreendendo corrente variável pelavariação do ciclo de trabalho de uma saída de onda quadrada. A quantidadede corrente produzida é proporcional ao tempo ligado do controlador PWMem relação ao tempo desligado. Assim, um maior tempo ligado, em propor-ção com o tempo desligado do controlador produzirá uma corrente mais alta.

A bobina da válvula proporcional é deslocada em proporção com a magnitu-de da corrente produzida pelo controlador PWM. Adicionalmente, o fluxo defluido hidráulico varia em proporção direta com o deslocamento de bobina.Isto permite ao operador estabelecer a velocidade na qual cada junta se mo-verá quando a tecla é empurrada.

A vantagem deste modo é que ele permite ao operador com-pensar variações no desempenho hidráulico que ocorrem com mudanças deprofundidade ou temperatura freqüentemente encontradas em um ambientesubmarino. Ele também permite ao operador ajustar velocidade de junta pa-ra satisfazer à preferência pessoal. Este esquema não exige qualquer hard-ware localizado no atuador além de um controlador de mão de taxa.

Em uma outra modalidade preferida, o operador pode mudar osajustes de fluxo por meio de software. Tais mudanças normalmente seriamimplementadas periodicamente e não durante operações reais de manipulador.

Tal como mostrado na figura 3, o controlador de modo de taxavariável 12 permite ao operador selecionar a saída máxima do controle. Estamodalidade compreende adicionalmente um computador de controle local 22acoplado ao controlador de modo de taxa variável, tal como mostrado nafigura 3. O controlador de modo de taxa variável 12 é conectado operacio-nalmente a um receptor de entrada analógica 18 no computador de controlelocal 22 que é capaz de transmitir um sinal digital para o computador de con-trole remoto 24. O computador de controle remoto é equipado com um oumais canais de entrada analógica 26. Em uma outra modalidade preferida, osinal de controle de modo de taxa variável é um sinal analógico e o compu-tador de controle local compreende um receptor de entrada analógica aco-plado operacionalmente para receber o sinal analógico do controlador demodo de taxa variável.

Tal como mostrado na figura 3, a válvula proporcional é conec-tada ao alojamento de pistão 40 pelas linhas hidráulicas 32 e 34. Na modali-dade preferida mostrada na figura 3, a linha hidráulica de saída 32 tem umaprimeira extremidade conectada à porta de saída de fluido e uma segundaextremidade oposta à primeira extremidade. Tal como também mostrado nafigura 3, a linha hidráulica de entrada tem uma primeira extremidade conec-tada à porta de entrada de fluido e uma segunda extremidade oposta à pri-meira extremidade.

O fluido hidráulico ejetado pela válvula proporcional através dalinha 32 pode estender o pistão 42. Neste modo, o fluido hidráulico é retor-nado do alojamento de pistão para a válvula proporcional através da linha34. O pistão 42 é fixado ao braço manipulador 44 de maneira tal que exten-são do pistão causa movimento do braço manipulador em uma primeira dire-ção e retração do pistão causa movimento do braço manipulador em umasegunda direção, oposta à primeira direção. O alinhamento de válvula pro-porcional pode ser invertido para inverter a direção de fluxo de fluido hidráu-lico, de maneira tal que o fluido hidráulico é ejetado pela válvula proporcionalatravés da linha 34 e retornado para a válvula proporcional através da linha32. Neste modo de operação o pistão será retraído. Os outros graus de li-berdade no braço manipulador trabalham em modo similar.

O modo de taxa proporcional permite ao operador operar o ma-nipulador sem realimentação de posição das juntas. Neste modo, cada umade a válvula ou as válvulas proporcionais entrega fluxo em proporção com aforça ou deslocamento do dispositivo de entrada analógica associado nocontrolador de modo proporcional 14. Na modalidade preferida, mostrada nafigura 3, o controlador de modo proporcional de mão 14 é um controlador demão. O computador de controle local também é acoplado operacionalmenteao controlador de modo proporcional. O computador de controle local com-preende a entrada analógica 18. O controlador de modo proporcional é aco-plado operacionalmente para fornecer um sinal analógico de entrada para aentrada analógica 18. Se o dispositivo de entrada analógica executar con-versão localizada do fenômeno analógico, tal como força ou deslocamento,então o computador de controle local 22 fará interface com o dispositivo deentrada analógica por meio de uma interface de entrada digital paralela ouserial. O computador de controle local 22 é configurado para ler, filtrar e/ouescalar a entrada proveniente do controlador de mão 14 e compor o sinaldigital de controle a ser transmitido para o computador de controle remoto(RCC) 24. O computador de controle local pode ser conectado operacional-mente ao computador de controle remoto por meio de um ou mais cabos oufibra ótica 23, tal como mostrado na figura 3.

Em uma modalidade preferida, o controlador de mão 14 é umcontrolador de console de jogo simples, tal como o Sony Play Station 2 éadequado. À medida que o operador desloca o controle associado adicio-nalmente ou mais firmemente, a válvula proporcional abre adicionalmente eaumenta a velocidade da junta. Em uma modalidade preferida, a válvulaproporcional é localizada no fundo do mar.

O modo de taxa de realimentação de força usa o mesmo contro-lador 14 usado no modo de taxa proporcional, mas com a adição de "reali-mentação de força" simplificada. A fim de implementar este modo, cada umdos circuitos hidráulicos entre a válvula proporcional e o seu atuador associ-ado é equipado com um transmissor de pressão 36, tal como mostrado nafigura 3. Em uma modalidade preferida, o sensor de pressão é conectadooperacionalmente à linha hidráulica de entrada e é capaz de detectar amagnitude da pressão na dita linha e transmitir um sinal de pressão para aentrada analógica. À medida que a carga associada com uma junta/atuadorparticular aumenta, a pressão no atuador aumenta. Em uma modalidade pre-ferida dirigida para um braço manipulador localizado no fundo do mar, osensor de pressão transmite um sinal de pressão por meio de um computa-dor de controle remoto submarino para o computador de controle local. Amagnitude do sinal de pressão, e conseqüentemente da força, é apresenta-da ao operador usando luzes, som ou vibração.

A revelação e descrição expostas anteriormente das invençõessão ilustrativas e explanativas. Várias mudanças no tamanho, forma e mate-riais, assim como nos detalhes da construção ilustrativa e/ou de um métodoilustrativo, podem ser feitas sem fugir do espírito da invenção.

Claims (20)

1. Sistema de acionamento de manipulador compreendendo:a. um controlador de modo proporcional configurado para pro-duzir um sinal de controle de modo proporcional responsivo à posição docontrolador de modo proporcional;b. um controlador de modo de taxa variável configurado paraproduzir um sinal de controle de modo de taxa variável responsivo a umaconfiguração pré-selecionada;c. um computador de controle local acoplado operacionalmentepara receber uma entrada selecionada de um de o controlador de modo pro-porcional ou o controlador dé modo de taxa variável;d. um dispositivo seletor de modo acoplado operacionalmenteao computador de controle local para fazer com que o computador de con-trole local receba seletivamente pelo menos um de o sinal de controle demodo de taxa variável e o sinal de controle de modo proporcional e paraproduzir seletivamente um de o sinal de controle de modo de taxa variável eo sinal de controle de modo proporcional como o sinal de controle de modoselecionado.

2. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 1, emque o controlador de modo proporcional é um controlador de mão.

3. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 1, emque o controlador de modo de taxa variável é um controlador de mão.

4. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 1,compreendendo adicionalmente uma tecla controladora de taxa conectadaoperacionalmente ao controlador de modo de taxa variável.

5. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 5, emque o computador de controle local compreende um receptor de entrada a-nalógica acoplado operacionalmente para receber seletivamente o sinal decontrole de modo proporcional.

6. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 6, emque o sinal de controle de modo selecionado é um sinal digital.

7. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 6, emque o computador de controle local é configurado para ler, filtrar e escalar osinal de modo proporcional.

8. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 7,compreendendo adicionalmente um computador de controle remoto conec-tado operacionalmente ao computador de controle local para receber o sinalde controle de modo selecionado, o dito computador de controle remotocompreendendo:a. pelo menos um canal de entrada analógica; eb. uma unidade de saída modulada por largura de pulso capazde gerar um sinal de controle.

9. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 8,compreendendo adicionalmente:a. válvula proporcional compreendendo uma porta de entrada defluido e uma porta de saída de fluido, a dita válvula proporcional sendo con-figurada para receber o sinal de controle da unidade de saída modulada porlargura de pulso;b. uma linha hidráulica de saída tendo uma primeira extremidadeconectada à porta de saída de fluido e tendo uma segunda extremidade o-posta à primeira extremidade;c. uma linha hidráulica de entrada tendo uma primeira extremi-dade conectada à porta de entrada de fluido e tendo uma segunda extremi-dade oposta à primeira extremidade;d. um alojamento de pistão compreendendo uma porta de entra-da conectada à segunda extremidade da linha hidráulica de saída e umaporta de saída conectada à segunda extremidade da linha hidráulica de en-trada; ee. um pistão montado de forma deslizante dentro do alojamentode pistão de maneira tal que ele pode ser retraído ou estendido seletivamen-te em resposta à direção de fluxo de fluido hidráulico nas linhas hidráulicasde saída e de entrada.

10. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 9,compreendendo adicionalmente um transmissor de pressão conectado ope-racionalmente à linha hidráulica de entrada e capaz de detectar a magnitudeda pressão na dita linha e transmitir um sinal de pressão para a entrada ana-lógica.

11. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 10,compreendendo adicionalmente um indicador de pressão conectado opera-cionalmente à entrada analógica para exibir uma indicação da pressão me-dida pelo transmissor de pressão.

12. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 9,compreendendo adicionalmente um braço manipulador acoplado ao pistãode maneira tal que extensão do pistão causa movimento do braço manipula-dor em uma primeira direção e retração do pistão causa movimento do braçomanipulador em uma segunda direção, oposta à primeira direção.

13. Sistema de acionamento de manipulador compreendendo:a. um controlador de modo proporcional configurado para pro-duzir um sinal de controle de modo proporcional responsivo à posição docontrolador de modo proporcional;b. um controlador de modo de taxa variável configurado paraproduzir um sinal de controle de modo de taxa variável responsivo a umaconfiguração pré-selecionada;c. um computador de controle local acoplado operacionalmentepara receber uma entrada selecionada de um de o controlador de modo pro-porcional ou o controlador de modo de taxa variável;d. um dispositivo seletor de modo acoplado operacionalmenteao computador de controle local para fazer com que o computador de con-trole local receba seletivamente pelo menos um de o sinal de controle demodo de taxa variável e o sinal de controle de modo proporcional e paraproduzir seletivamente um de o sinal de controle de modo de taxa variável eo sinal de controle de modo proporcional como o sinal de controle de modoselecionado; ee. uma tecla controladora de taxa conectada operacionalmenteao controlador de modo de taxa variável.

14. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 13,em que o computador de controle local compreende um receptor de entradaanalógica acoplado operacionalmente para receber o sinal de controle demodo proporcional.

15. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 14,em que o sinal de controle de modo selecionado é um sinal digital.

16. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 13,em que o sinal de controle de modo de taxa variável é um sinal analógico e ocomputador de controle local compreende um receptor de entrada analógicaacoplado operacionalmente para receber o sinal analógico do controlador demodo de taxa variável.

17. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 15,em que o computador de controle local é configurado para ler, filtrar e esca-lar o sinal de modo proporcional.

18. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 16,compreendendo adicionalmente um computador de controle remoto conec-tado operacionalmente ao computador de controle local para receber o sinalde controle de modo selecionado, o dito computador de controle remotocompreendendo:a. pelo menos um canal de entrada analógica; eb. uma unidade de saída modulada por largura de pulso capazde gerar um sinal de controle.

19. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 18,compreendendo adicionalmente:a. válvula proporcional compreendendo uma porta de entrada defluido e uma porta de saída de fluido, a dita válvula proporcional sendo con-figurada para receber um sinal de controle da unidade de modulação porlargura de pulso no computador de controle remoto;b. uma linha hidráulica de saída tendo uma primeira extremidadeconectada à porta de saída de fluido e tendo uma segunda extremidade o-posta à primeira extremidade;c. uma linha hidráulica de entrada tendo uma primeira extremi-dade conectada à porta de entrada de fluido e tendo uma segunda extremi-dade oposta à primeira extremidade;d. um alojamento de pistão compreendendo uma porta de entra-da conectada à segunda extremidade da linha hidráulica de saída e umaporta de saída conectada à segunda extremidade da linha hidráulica de en-trada; ee. um pistão montado de forma deslizante dentro do alojamentode pistão de maneira tal que ele pode ser retraído ou estendido seletivamen-te em resposta à direção de fluxo de fluido hidráulico nas linhas hidráulicasde saída e de entrada.

20. Sistema de acionamento de acordo com a reivindicação 19,compreendendo adicionalmente um transmissor de pressão conectado ope-racionalmente à linha hidráulica de entrada e capaz de detectar a magnitudeda pressão na dita linha e transmitir um sinal de pressão para a entrada ana-lógica.