CN101102869B - 用于铰接式操纵臂的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于铰接式操纵臂(1)的控制系统，所述操纵臂具有至少三个自由度，所述控制系统包括可移动以便复制所述操纵臂(1)的至少三个自由度的主控制器(10)；用于在复制所述操纵臂的自由度的每个方向上确定主控制器的移动速率的装置；和用于控制操纵臂的致动由此在所述至少三个自由度的每个自由度上的操纵臂的移动速率与主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率成比例的控制装置(200)。

Description

用于铰接式操纵臂的控制系统

技术领域

本发明涉及一种用于铰接式(或称为关节式)操纵臂的控制系统，所述操纵臂具有至少三个自由度，优选地包括枢转轴线、旋转轴线和平移轴线中的至少两个。操纵臂上的每个关节或可移动轴线称为自由度。 

背景技术

操纵臂经常用于执行人不能独立完成的操作或在太危险和/或不适合人操作者存在的环境内执行操作，所述环境例如是深海或海面上的操作、暴露在高辐射等级的区域或大气层以外的环境。这种操纵臂通常由在远离操纵臂的安全位置工作的操作者控制，所述操作者通常通过视频链路观察操纵臂及其周围情况。 

操纵臂用在称为ROVs(遥控车辆)的水下车辆上。ROVs用于多种用途，包括在驾驶员不能到达的深度的打捞和救助作业、管道铺设和维护操作和其他水下活动。这种装置通常在3000米的深度或更深的深度操作。ROV的操纵臂或其他功能通常由配置所述ROV的水面船只上的操作者远程控制。 

典型的操纵臂示出在图1中。操纵臂1包括：可安装在诸如ROV的主体的结构上的基部2；上臂段3，所述上臂段3可枢转地连接到基部2上，用于绕肩部回转轴线A和肩部倾斜(或俯仰)轴线B旋转；第一前臂段4，所述第一前臂段4可枢转地连接到上臂段3，用于绕肘倾斜轴线C旋转；第二前臂段5，所述第二前臂段5可旋转地安装在第一前臂段4上，用于绕前臂旋转或滚转轴线D旋转；腕段6，所述腕段6可枢转地连接到第二前臂段5，用于绕腕倾斜(或俯仰)轴线E旋转；和工具段7，所述工具段7具有目标操纵工具，所述目标操纵工具包括安装在其上的一对相对爪8，工具段7可旋转地连接到腕段6，以便允许工具绕工具旋转轴线F旋转，目标操纵工具的爪可在打开位置和闭合位置之间移动。这种布置提供了六个自由度，所述六个自由度提供了大的操纵包络面，所述大的包络面允许执行大范围的操作。 

操纵臂的移动通常由液压致动器(未示出)驱动，所述液压致动器通常是双动作液压缸和旋转致动器的组合，所述旋转致动器可通过电操纵液压电磁阀连接到加压液压流体源。每个液压致动器通常与一对阀相联，其中每个阀用于致动器的每个方向的移动。液压电磁阀通常安装在阀歧管上。当操纵臂安装在一ROV上时，阀歧管通常安装在ROV上且加压液压流体源通常安装在ROV上与歧管相邻。 

存在两个主要的已知控制系统，用于控制这种操纵臂的操作。 

第一控制系统通常称为比率控制(rate control)或“开关式控制”(也可以称为继电器式控制，或砰砰控制：bang-bang control)。简单的液压电磁阀由设置在操作者控制站的通断开关控制。开关的致动使得所选择的电磁阀打开、将液压流体供给到相关联的致动器，并且使得操纵臂的相关联的关节在所选择的方向上以固定速度(由阀的流量限制并受机械几何学支配)移动，直到开关被释放，开关被释放关闭阀并且停止相关联的关节的移动。所述开关通常成对设置，并且与简单的操纵杆或肘节相关联，每对开关控制与单个致动器相关联的一对阀，从而操纵杆或肘节在一个方向上的移动引起相关联的关节在第一方向上的移动，且操纵杆或肘节在相反方向上的移动引起阀在与所述第一方向相反的第二方向上的移动。 

开关式的控制系统提供了对操纵臂的慢的和粗糙的控制，并且不适宜要求准确和精确的控制的情况。然而，这种系统相对便宜、可靠，并且容易维护，同时不要求操纵臂内的布线或电气元件，由此降低了臂的复杂程度，从而使得臂的故障源最小化且便于臂的维护。 

简单的开关式控制系统的改进包括使用变比率(比例)阀以代替定比率液压阀，从而到操纵臂的致动器的液压流体的流量以及由此臂的移动速度能够被控制。在已知的变比率系统中，变量阀由与操纵杆相连的多位置开关或电位计致动，从而操纵臂的关节的移动速度与操纵杆离开其原位置或静止位置的移动量成比例。这种系统比简单的开关式系统更精确，但是使用仍然困难且消耗时间，同时对于操纵臂的每个关节要求独立的控制输入。 

用于控制操纵臂的更精确和直观的系统是使用位置反馈控制。这能够使得主臂被用于控制操纵臂(经常称为从臂)。主臂是操纵臂的有效的模型或复制，虽然通常在更小等级上，所述主臂具有许多个铰接段，所述许多个铰接段通过关节相互连接，主臂的每个关节与将被控制的操纵臂的关节对应。 

主臂的每个关节具有与其相连的电位计形式的位置传感器，从而主臂的每个段相对于相邻段的位置能够由控制器确定。类似地，操纵臂的每个关节设置有位置传感器，用于确定操纵臂的每个段相对于相邻段的位置。 

当每个主臂关节移动时，计算机化的控制系统检测所述移动，并且控制比例液压电磁阀的操作，以便使得操纵臂或从臂的相应关节移动相应或成比例的量，且使用操纵臂的位置传感器的输出确定足够的移动发生的时间。电子缩放比例可以用于改变对于主臂的给定移动操纵臂移动的量。 

反馈控制系统提供了对从动操纵臂更快和更精确的控制且为操作者提供了更直观的控制界面。然而，在操纵臂的每个关节内需要位置传感器导致在操纵臂内的布线和其他电气装置。在水下应用中，这种电气装置需要受到保护以免受环境的影响，其中臂通过复杂的密封和补偿系统(用不可压缩的流体填充臂内的任何空隙或空间)操作。这大大增加了操纵臂的成本，导致了许多不可靠的来源(广泛的布线需要通过每个关节，关节的连续弯曲导致这种布线的折断)且增加了维护过程的复杂性和成本。反馈控制系统典型地要求使用液压伺服阀，所述液压伺服阀与用在开关式控制系统中的简单的开关阀相比更昂贵且对污染的容忍度更差。 

发明内容

本发明的目的是为可靠和简单的开关式控制系统提供反馈控制系统的精确和直观的控制界面。 

根据本发明，提出一种用于铰接式(或关节式)操纵臂的控制系统，所述操纵臂具有至少三个自由度，所述控制系统包括：主控制器，所述主控制器可移动以便复制(重复)操纵臂的至少三个自由度；用于确定主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率的装置；和控制装置，用于控制操纵臂的致动从而操纵臂在所述至少三个自由度的每个自由度上的移动速率与主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率成比例。 

优选地，所述操纵臂的至少三个自由度包括枢转轴线、旋转轴线和平移轴线中的至少两个。 

在优选的实施例中，主控制器包括铰接式主臂，所述铰接式主臂具有多个通过关节相互连接的臂段，所述主臂的每个关节与操纵臂的关节对应，主臂具有与操纵臂的至少三个自由度对应的至少三个自由度，从而主臂的移动能够复制(重复)操纵臂的移动。对于与操纵臂的关节对应的主臂的每个关节，用于确定主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率的装置可以包括用于检测主臂的臂段在关节的任一侧的相对位置的位置检测装置，和计算装置，所述计算装置用于计算主臂的所述段相对于彼此的移动速率以便确定主臂绕复制操纵臂的关节的主臂关节的移动速率。 

优选地，所述计算装置包括微分器，用于对来自于位置检测装置的位置数据进行微分以便确定主臂的臂段绕与操纵臂的关节对应的主臂关节的移动速率。 

优选地，所述控制系统进一步包括安装在操纵臂上以便在操纵臂的至少三个自由度上移动操纵臂的多个液压致动器，每个液压致动器通过变量阀可连接到加压液压流体源，所述控制系统控制变量阀的打开和关闭以便控制与确定的主控制器的移动速率成比例的、操纵臂的移动速率。 

主控制器可以包括用于选择性地使控制装置不活动以便在不引起操纵臂的相应移动的情况下允许主控制器的移动的装置。 

优选地，操纵臂具有至少四个自由度。在优选的实施例中，操纵臂具有至少六个自由度，包括肩部偏转、肩部俯仰、肘俯仰、前臂旋转、腕俯仰和腕旋转，主控制器包括铰接式主臂，所述铰接式主臂具有与操纵臂的肩部偏转、肩部俯仰、肘俯仰、和前臂旋转相对应的至少五个自由度。 

所述控制系统优选包括用于控制目标操纵工具的操作的装置，所述目标操纵工具设置在操纵臂的远端。优选地，用于控制目标操纵工具的操作的装置也控制操纵臂的腕旋转。用于控制目标操纵工具的操作和操纵臂的腕旋转的装置可以包括单个操纵杆，所述操纵杆安装在主臂的远端上，以便允许主臂的单手操作。 

某种程度上惊奇的是，基于速度主从关系，而不是反馈控制的位置关系，根据本发明的控制系统已经被发现在操作方面与反馈控制系统在实践上是难区分的。在没有封闭位置控制环存在的情况下，根据本发明的控制系统实际上比反馈控制系统更灵敏。这具有的效果是消除了能够发生在反馈系统中的稳定性问题且在反应方面仅由在水面上对水下通信系统本身有限的延迟限制，所述延迟通常不被注意到且存在于所有的水下操纵系统。 

根据本发明的系统提供了对操纵臂快的、精确的、和准确的控制，同时与开关式(bang-bang)系统一样可靠和容易维护。 

附图说明

下面将参考附图描述本发明的实施例，其中： 

图1是上述典型操纵臂的透视图； 

图2是用于本发明控制系统的实施例的典型主臂的透视图； 

图3是根据本发明实施例的控制系统的示意图。 

具体实施方式

如图2所示，主臂10是称为从臂的操纵臂1的模型或复制品。主臂10具有通过关节相互连接的许多个铰接段20，30，40，50，60，主臂10的每个关节与将被控制的操纵臂或从臂1的关节相对应。在此描述的实施例中，主臂10包括：基部20；上臂段30，所述上臂段30可枢转地连接到基部20用于绕肩部回转轴线A’和肩部俯仰轴线B’旋转；第一前臂段40，所述第一前臂段40可枢转地连接到上臂段30，用于绕肘俯仰轴线C’旋转；第二前臂段50，所述第二前臂段50可旋转地安装在第一前臂段40上用于绕前臂旋转或滚转轴线D’旋转；和腕段60，所述腕段60可枢转地连接到第二前臂段50用于绕腕俯仰轴线E’旋转。主臂的枢转和旋转轴线A’，B’，C’，D’，E’中的每一个与操纵臂的移动轴线(即关节)对应。 

主臂10的腕段60设有另一控制装置，所述另一控制装置用于控制操纵臂的目标操纵工具绕工具旋转轴线F的旋转和用于控制目标操纵工具的爪的操作。 

显然，根据将被控制的操纵臂的类型，也可以设想主臂的其他设计。其他臂可以具有带有或多或少的自由度的不同布置，并且除了旋转轴线或枢转轴线，或代替旋转轴线或枢转轴线，其他臂可以具有一个或更多个平移轴线。 

电位计形式的位置传感器设置在主臂1的每个关节上，每个位置传感器的输出供给到计算机100(见图3)，所述计算机100提供了用于操纵臂控制器200的控制信号，操纵臂控制器200依次又控制操纵臂致动器300的操作。 

电位计以外的位置传感器也可以用在主臂的每个关节处。 

主臂10为操作者提供了特别直观和容易使用的控制界面。然而，主臂在过去仅适用于位置反馈控制装置。根据本发明的控制系统允许使用图2所示的主臂以控制图1所示类型的操纵臂，且不要求操纵臂设有任何位置确定装置，如电位计或其他位置检测电子元件(即，不要求来自于操纵臂的位置反馈)。 

图3是根据本发明实施例的操纵臂控制系统的示意图。主臂10和计算机100设置在操作站110上。当操纵臂1安装在ROV220上时，操作站110将设置在配置所述ROV的水面船只上，操作站110通过通信链路与ROV220连接。

操纵臂1的移动由多个双动作液压致动器驱动，所述液压致动器是合适的线性或旋转的且设置在操纵臂上且与变量液压电磁阀相连，所述变量液压电磁阀设置在阀歧管300上。阀歧管300与加压液压流体源(通常是连接至液压流体缸的电泵)一起设置在ROV上。操纵臂或从臂控制器200邻近阀歧管300设置，用于控制每个变量阀的致动。利用这种布置，在操纵臂自身上没有电子元件或容易被破坏的布线，操纵臂的致动装置与上述已知变量系统的致动装置类似，具有可靠性、低成本和容易维护的固有的优点。 

计算机100通过微分从主臂10的位置传感器接收到的输出信号计算主臂10的每个关节的位置的改变速率，由此确定每个关节的移动速率或速度。计算机100基于所述计算的移动速率信息将控制信号发送到设置在ROV上的操纵臂或从臂控制器200。基于所述控制信号，从臂控制器200控制变量阀的操作，以便以与所述主臂10的对应关节的移动速率成比例的速率或速度移动操纵臂或从臂1的每个关节。 

计算机100包括可选择的电子缩放装置，从而主臂10的移动速率和得到的操纵臂或从臂1的移动速率之间的关系能够由操作者在操纵臂1的快和大的移动所要求的速率和允许操纵臂1及其目标操纵工具的精确移动所要求的速率之间变化。主臂10还可以设有控制装置，该控制装置选择性地冻结操纵臂的各个关节或关节组的移动和/或选择性地允许主臂10自由移动，且不会造成操纵臂1的移动，以便能够使主臂被重定指标(re-indexed)。 

主臂10的腕段包括用于控制目标操纵工具8绕工具旋转轴线D的旋转和用于控制目标操纵工具8的爪的操作的控制装置。所述旋转控制可以包括在任一方向上以固定速率控制工具旋转的简单的方向开关，并且可以通过已知的可变速率控制方法或通过比例速率控制控制工具的旋转速率，对于已知的可变速率控制方法，旋转的速度与控制装置，例如操纵杆或拨轮，从标定位置的位移成比例，对于比例速率控制，工具的旋转速率与控制装置，例如拨轮或旋转段 的移动速率成比例。工具的爪的控制可以有简单的双向开关控制。 

在一个实施例中，工具旋转控制和爪控制可以集成到单个操纵杆内，从而操纵杆在第一平面内(例如前后)的移动引起工具的爪的打开和闭合，且在垂直于第一平面的平面内(例如左右)的运动引起工具绕腕轴线的旋转。 

在可选实施例(未示出)中，在主臂的每个关节上可以设置速度传感器，用于直接测量主臂的每个关节的移动速率，由此消除了对位置信息微分的需要并且简化了计算机100的控制算法。 

在另一实施例中，可以使用主臂以外的主控制器，例如一个或更多个操纵杆。所述主控制器可移动，以便复制将被控制的操纵臂的每个关节的移动(自由度)，所述控制系统包括用于通过直接测量主控制器的移动速率或通过检测主控制器的位置且从位置信息计算主控制器的移动速率来确定主控制器在复制操纵臂的关节的每个方向上的移动速率的装置。计算机100和操纵臂控制器200将控制阀歧管300的阀的致动，以便控制操纵臂的移动，从而将被控制的操纵臂的每个关节的移动速率与主控制器在相应方向上的移动速率成比例。 

尽管已经描述了本发明应用于水下环境下的用在ROV上的操纵臂，根据本发明的控制系统可有利地应用于许多其他用途的控制操纵臂，例如在核工业中用于在暴露于高辐射下的区域内和大气层外的应用中操作操纵臂，或者应用于可以使用操纵臂的其他应用中。 

除了液压致动器，本发明的控制系统可以用于控制具有其他致动装置，如电动驱动装置(例如伺服电机，步进电机)或气动驱动装置(例如空气驱动致动器)的操纵臂。 

Claims (13)

1.一种用于铰接式操纵臂的控制系统，所述操纵臂具有至少三个自由度，所述控制系统包括：

主控制器，该主控制器包括铰接式主臂，所述铰接式主臂具有通过关节相互连接的多个臂段，主臂的每个关节与操纵臂的关节对应；所述主臂具有与所述操纵臂的至少三个自由度对应的至少三个自由度，从而主臂的移动能够复制操纵臂的移动；

用于通过对从主臂的位置检测装置接收到的位置信号进行微分或通过检测主臂的移动速率来确定所述主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率的装置；

控制装置，用于控制操纵臂的致动，从而操纵臂在所述至少三个自由度的每个自由度上的移动速率与主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率成比例；以及

多个液压致动器，所述液压致动器安装在操纵臂上以便在操纵臂的至少三个自由度的每个自由度上移动操纵臂，每个液压致动器能够通过变量阀与加压液压流体源连接，所述控制装置控制变量阀的打开和关闭以便与主控制器的确定的移动速率成比例地控制操纵臂的移动速率。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述至少三个自由度包括枢转轴线、旋转轴线、和平移轴线中的至少两个。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述多个液压致动器被设置成双动作液压致动器。

4.根据权利要求3所述的控制系统，其中对于与操纵臂的关节对应的主臂的每个关节，用于确定主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速率的装置包括所述位置检测装置和计算装置，所述位置检测装置用于检测主臂的臂段在关节的任一侧的相对位置，且所述计算装置用于计算所述臂段绕所述关节的移动速率以便确定主臂绕复制操纵臂关节的主臂关节的移动速率。

5.根据权利要求4所述的控制系统，其中所述计算装置包括微分器，所述微分器用于对来自位置检测装置的位置数据进行微分以便确定所述主臂的臂段绕与操纵臂的关节对应的主臂的每个关节的移动速率。

6.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中用于确定主控制器的移动速率的装置包括速度检测装置，所述速度检测装置能够检测主控制器在复制操纵臂的自由度的每个方向上的移动速度。

7.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述控制装置包括可选择的电子缩放装置，从而主臂的移动速率和得到的操纵臂的移动速率之间的关系能够由操作者在操纵臂的快和大的移动所要求的速率和允许操纵臂及其目标操纵工具的精确移动所要求的速率之间变化。

8.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述主控制器包括用于选择性地停止控制装置动作以便允许主控制器的移动且不会引起操纵臂的对应的移动的装置。

9.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中所述操纵臂具有至少四个自由度。

10.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述操纵臂具有至少六个自由度，所述至少六个自由度包括肩部偏转、肩部俯仰、肘俯仰、前臂旋转、腕俯仰和腕旋转，所述主控制器包括铰接式主臂，所述铰接式主臂具有至少五个自由度，所述至少五个自由度与操纵臂的肩部偏转、肩部俯仰、肘俯仰和前臂旋转对应。

11.根据权利要求10所述的控制系统，其中所述控制系统包括用于控制目标操纵工具的操作的装置，所述目标操纵工具设置在操纵臂的远端处。

12.根据权利要求11所述的控制系统，其中用于控制目标操纵工具的操作的装置也控制操纵臂的腕旋转。

13.根据权利要求12所述的控制系统，其中用于控制目标操纵工具的操作和操纵臂的腕旋转的装置包括单个操纵杆，所述操纵杆安装在主臂的远端上，以便允许主臂的单手操作。

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