NO832253L - Fremgangsmaate og apparat for audio-tilbakekobling ved fjernstyrte manipulatorer - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt avfølende tilbakekoblingssystemer for forbedret brukerstyring av fjernstyrte' innretninger. Spesielt vedrører oppfinnelsen audio-tilbakekoblingssystemer anvendt i forbindelse med fjernstyrte kraftdrevne manipulatorer slik som "robotarmer" og lignende.

Fjernstyrte manipulatorer er i utstrakt bruk på felter som strekker seg fra kirurgi til dyphavs-undersøkelser og i miljøer som strekker seg fra undergrunnen til overflaten på fjerne pla-neter. Brukerne av fjernstyrte manipulatorer har tradisjonelt overvåket manipulatorenes posisjon og bevegelse ved bruk av luk-ket fjernsynsnett. Dette gjør det mulig for operatøren å se virkningene av styreinnmatningene i sann tid og foreta- passende justeringer. Video-tilbakekoblingssystemer tilveiebringer imidlertid ikke tilstrekkelig informasjon vedrørende manipulatorens kraft. Fjernstyrte manipulatorer blir vanligvis anvendt i mil-jøer som er farlige eller utilgjengelige for mennesker for å foreta reparasjoner eller utføre undersøkelser. I tilfelle med utførelse av kritiske reparasjoner kan mangelen på kraftinformasjon føre til en økning av skaden istedenfor utførelse av en ønsket reparasjon.

Det foreligger forskjellige metoder for å tilbakeføre informasjon til brukeren vedrørende kraft, hastighet, forskyvning og lignende. Mange av de tidligere kjente systemer er analoge med de velkjente kraft-tilbakekoblingsinnretninger som brukes i fly for å gi en naturlig "følelse" til pilotkontrollene. Andre kjente systemer benytter forskjellige transducere til å av-føle forskyvning, hastighet og kraft og bruke den informasjon som utledes fra disse til å drive en maken manipulator som er plassert i nærheten av operatøren for å kunne betraktes direkte.

Tidligere kjente anordninger anvender hovedsakelig brukerens, visuelle og berøringsmessige sanser. De fleste tidligere kjente systemer som tilveiebringer tilbakekobling vedrørende hastighet, forskyvning eller kraft, krever bruk av spesielle transducere som øker kompleksiteten av den fjerntliggende manipulatoren samt prisen på denne.

I motsetning til de foran nevnte visuelle og berøringsmes-sige tilbakekoblingssystemer, tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse tilbakekobling i form av hørbar lyd. Oppfinnelsen supplerer de visuelle tilbakekoblingssystemene som er tidligere kjent med en innmatning av hørbar lyd til operatøren som gjennom forskjellige kombinasjoner av frekvens og amplitudemodulasjon, gir informasjon vedrørende kraften og hastigheten av en fjernstyrt manipulator. Oppfinnelsens hovedprinsipper kan brukes i forbindelse med alle typer energidrevne manipulatorsystemer, innbefattet hydrauliske, pneumatiske og elektriske. Brukt i forbindelse med systemer som anvender elektriske motorer, kan foreliggende oppfinnelse tilveiebringe nyttig informasjon vedrø-rende kraft og hastighet uten at det kreves bruk av spesielle transducere. Motorspenning kan overvåkes for å tilveiebringe et signal som svarer til hastigheten og motorstrømmen kan overvåkes for å frembringe et signal som er proporsjonalt med kraften. Hastighetssignalet kan så brukes til å frekvensmodulere en audio-tone og kraftsignalet blir brukt til å amplitudemodulere tonen. Ved de fleste anvendelser av elektriske likestrømsmotorer vil disse signalene, selv om de ikke er absolutt nøyaktige indikatorer på hastighet og kraft, likevel tilveiebringe tilstrekkelig nøyaktig informasjon til å bevirke god styring av manipulatoren. Ved å avføle motorspenning og motorstrøm ved energiforsyningen som vanligvis er plassert i nærheten av brukeren, er behovet for ekstra kabelføring eller fjernmålingsinnretninger for overfø-ring av hastighets- og kraftinformasjon fra den fjerntliggende manipulatoren eliminert.

Det er følgelig et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et apparat og en fremgangsmåte for tilbakekobling av informasjon til brukeren av fjernstyrte kraftdrevne manipulatorer ved å generere passende modulerte lydsignaler som intuitivt kan tolkes av operatøren som indikatorer på hastighet og kraft.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et tilbakekoblingssystem for en bruker som når det brukes i forbindelse med manipulatorer som drives av elektriske motorer, eliminerer behover for spesielle kraft- og forskyvnings-transducere.

Ytterligere et formål er å tilveiebringe et tilbakekoblingssystem som tillater en bruker å styre en fjernstyrt manipulator mer nøyaktig og hurtigere enn hva som hittil har vært mulig ved et system av tilsvarende enkelhet.

Det er nok et formål med den foreliggende oppfinnelse å til veiebringe et audio-tilbakekoblingssystem som lett kan tilpasses for bruk i forbindelse med alle typer kraftdrevne, fjernstyrte manipulatorer innbefattende elektriske, hydrauliske og pneumatiske typer.

Apparatet og fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse har andre formål og fordeler som vil fremgå av den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelsesform og de vedføyde teg-ninger, der: Fig. 1 er et blokkskjema over et apparat ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 er et elektrisk skjema over en utførelsesform av oppfinnelsen.

Det vises til fig. 1 hvor det er illustrert et audio-tilbakekoblingssystem for overvåkning og.for å hjelpe brukeren å styre en fjernstyrt, kraftdrevet manipulator. For enkelhetens skyld er det bare vist en enkelt motor sammen med dens tilhørende audio-tilbakekoblingskrets. Typiske anvendelser vil medføre bruk av flere motorer for å bevirke tredimensjonal bevegelse.

På fig. 1 er det vist en X-Y-styrespak 100 som et typisk flerakse styreorgan for en fjerntliggende manipulator. I den foretrukne utførelsesform er styrespaken 100 en "Measurement Systems Incorporated Model 446" eller en ekvivalent til denne. X-utgangen 101 og Y-utgangen 102 leverer differensielle spen-ningssignaler som blir forsterket og behandlet på annen måte for å styre reversible likestrøms servomotorer. Styrespaken 100 er i den foretrukne utførelsesform en isometrisk kraftstyring som omfatter piezo-resistive strekkmålende halvlederinnretninger i en firearmet brokonfigurasjon. Denne konfigurasjonen gir en likespenningsutgang som er proporsjonal med påtrykket kraft i området + eller -10 volt likespenning ved fullt utslag.

På fig. 1 er Y-akseutgangen 102 fra styrespaken 100 koblet til en drivforsterker 103 for en servomotor som brukes til å drive manipulatorens Y-aksemotor 104. Et elektrisk signal som er proporsjonalt med motorkraften blir utviklet over motorstrøm-føleren 105. I praksis behøver motorstrømføleren ikke å være noe annet enn en motstand i serie med motorens kraftledninger. Dette tilveiebringer et spenningsfall over motstanden som er proporsjonalt med motorens drivstrøm, og som derfor kan utnyt-tes som et motorstrømsignal 106 som er proporsjonalt med kraften.

Et elektrisk signal 107 som er proporsjonalt med motorhastigheten blir tilveiebragt ved utgangen av forsterker 103 ved å sample motorspenningen. Dette motorspenningssignalet 107 er proposjonalt med motorhastigheten og blir brukt som styreinngang til en spenningsstyrt oscillator (VCO) 108. Oscillatoren 108 tilveiebringer følgelig en utgang som er frekvensmodulert i forhold til motorspenningssignalet 107, og tilveiebringer således et oscillatorsignal ved utgangen 108 med en frekvens som varierer i forhold til motorhastigheten.

En spenningsstyrt forsterker (VCA) 109 har ved sin inngang^det frekvensmodulerte utgangssignalet fra den spenningsstyrte oscillatoren 108. Motorstrømsignalet 106 er koblet til styre-inngangen på den spenningsstyrte forsterkeren 109. Følgelig er forsterkeren 109 en amplitudemodulator som varierer--amplituden av oscillatorsignalet i forhold til motorstrømsignalet 106. Dette har den virkning at det tilveiebringer et signal hvis volum er proporsjonalt med motorkraften. Utgangen fra den spenningsstyrte forsterkeren 109 er koblet til én side av en hodetelefon 110 for hørbar reproduksjon av det frekvens- og ampli-tudemodulerte signalet slik at brukeren kan lytte til dette og tolke det.

De kretsfunksjoner som er vist på fig. 1, illustrerer en meget enkel utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen som er lett å realisere og som tilveiebringer nyttig informasjon for operatøren.. Det har vist seg at det kan anvendes ytterligere mo-dulasjonsbehandling for ytterligere å øke nytten av den foreliggende oppfinnelse. På fig. 2 er det skjematisk illustrert en foretrukket utførelsesform som i tillegg til den enkle amplitude-og frekvensmodulasjonsbehandling som er illustrert på fig. 1, anvender et ytterligere behandlingstrinn som tilveiebringer en trillende eller vibrerende virkning på audio-utgangssignalet. Den hørbare effekt ved operatørens ører er en trillende eller vibrerende tone hvis frekvens stiger proporsjonalt med motorspenningen og hvis amplitude og vibrasjonshastighet er proporsjonal med motorstrømmen. Andre tilleggstrekk som er illustrert

i kretsen på fig. 2 innbefatter anordninger for å dempe utgangen slik at når det ikke er noen belastning eller inngangsdrivsignal til motoren, blir det ingen utgang til operatørens hodesett. Andre trekk og fordeler som øker nytten av den foreliggende opp-

finnelse vil bli forklart i den følgende beskrivelse av kretsen som er vist på fig. 2.

Som forklart her, kan fremgangsmåten og apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse anvendes på en rekke typer fjernstyrte, kraftdrevne manipulatorer innbefattende de som benytter elektrisk-, hydraulisk eller pneumatisk energi eller forskjellige kombinasjoner av disse.

Den foretrukne utførelsesform som er skjematisk vist på fig. 2, er konstruert for bruk i forbindelse med en fj■>ernst<y>rtmanipulator som benytter elektro-hydrauliske forstillingsmotorer velegnet for undervannsbruk. Disse forstillingsmotorene eller

■mekanismene benytter toveis, elektriske likestrømsmotorer som hovedkilde for drivkraft. Følgelig kan spenningen og strømmen som leveres til den elektriske likestrømsmotoren overvåkes for å tilveiebringe nyttig informasjon vedrørende hastigheten og kraften til manipulatoren som drives av motoren. På fig. 2 er motoren 1 en elektrisk likestrømsmotor av permanentmagnet-typen fabrikert av "the Bodine Electric Company" ModelNo. 32D5BEPM-W2. Den hydrauliske forstillingsmekanismen 4 er vist koblet til motoren 1 med en prikket linje som indikerer at mekanismen er koblet til å drives av motoren 1. I den øvre venstre del av fig. 1 er en kraftmodul 10 vist med en inngang 11 for mottagelse av et pluss eller minus 10 volt likespenningssignal fra Y-akseutgangen 110 til styreorganet 100 som er vist på fig. 1. Kraftmodulen 10 er i den foretrukne utførelsesform en Glenteck Model GA 4552-4. Utgangsledere 12 og 13 fra kraftmodulforsterker 14 er vist koblet til motoren 1 for levering av et drivsignal på pluss eller minus 120 volt likespenning ved strømmer opptil 3 Amp. En motstand 15 er en inngangsmotstand for en kraftforsterker 14. En motstand 16 er en strømfølende motstand i serie med kraftmodulen 10 og drivmotoren 1 for det formål å avføle motorstrømmen og generere en likespenning som er proporsjonal med denne. I den foretrukne utførelsesform er motstanden 16 en 0,1 ohms effektmot-stand av presisjonstypen. Den nominelle størrelse av motorstrøm-men varierer fra 0 til pluss eller minus 3 Amp. Det spennings-tapet over motstanden 16 som skyldes motorstrømmen er følgelig pluss eller minus 0,3 volt likespenning. Motstanden 16 tilveiebringer en anordning som reagerer på manipulatorens hastighet ved å avføle en parameter som er analog med motorspenningen og gir

et elektrisk signal som er proporsjonalt med denne.

De integrerte kretsene 20 og 21 er operasjonsforsterkere i form av integrerte presisjonskretser som er koblet sammen gjennom motstandene 22 - 29 som differansialforsterkere. Kraft- eller torsjonssignalet til manipulatoren som utvikles over motstand 16, blir avfølt og forsterket ved hjelp av differensialforsterkeren som er sammensatt av de integrerte kretsene 20 og 21. Kretsen 21 virker som en summeringsforsterker som subtraherer den f ellesmodus-spenning som opptrer ved motstandene 2^2 „og 23, som begge er motstander på 20 kOhm og med toleranse 0,01%. Sum-meringsf orsterkeren 21 senker derved inrigangsspenningen ved kretsen 20 til under spesifiserte maksima som er vanlige for lineært integrerte, monolittiske kretser. Motstandene 24, 25, 26 og 27 har.alle en verdi på 1 kOhm.

I den foretrukne utførelsesform er kraftmodulen 10 konstruert i en parallell utgangsmodus som tillater toveis utslag av utgangsspenningen opptil pluss eller minus 120 volt likespenning. Motstandene 22, 23, 24 og 25 danner en nøyaktig differensiell spenningsdeler og bør derfor består av tilpassede presisjonsmot-stander med lave temperaturkoeffisienter. Den funksjonsblokken som dannes av de integrerte kretsene 20 og 21, skaper en billig, høyspennings differensialforsterker med forsterkning på 20 dB. Den avgitte spenningsforsterkning blir bestemt ved forholdet mellom motstand 28 og motstand 22. I den foretrukne utførelsesform er motstanden 28 på 200 kOhm og med toleranse 1% i likhet med motstand 29 .

Motstanden 30 og potensiometeret 31 som henholdsvis er på 2kOhm og 200 kOhm, danner en forskyvningsstyring av inngangen som kan utelates hvis den operasjonsforsterker som brukes som integrert krets 20 har tilstrekkelig lav forsyningsspenning på inngangen. Kretsen 20 bør være valgt med høy CMRR, lav forskyv-ningsspenning og strøm på inngangen, med lav V -drift, slik som OP 07, LF 363, AD 521 eller andre operasjonsforsterkere.

Utgangen fra den integrerte kretsen 20 er direkte koblet til en presisjonslikeretter sammensatt av dioder 41, 42, 43 og 4 4 sammen med en integrert krets 4 5 og motstander 51, 52, 53,

54 og 55. De nevnte dioder er silisiumdioder av småsignaltypen (1N4148 eller ekvivalente dioder), som likeretter inngangsstrøm-men. Den integrerte kretsen 45 er en operasjonsforsterker kon struert som en inverterende forsterker med forsterkning lik 1. Motstandene 51 - 55 er alle på 10 kOhm med toleranse 1%. Når inngangsspenningén til den integrerte kretsen 45 er positiv, leder diode 41, og frembringer ved punkt 60 en spenning lik

- (+V + I. R^,-,) , hvor R^^-, er motstanden til diode 41 i lede-in D41 D41

retningen og I . er inngangsstrømmen. Fordi forsterkningen er lik 1, er I. lik IQut- Den spenning som opptrer ved utgangen av den integrerte kretsen 45, er summen av spenningene ved punkt 60 og fallet over den ledende dioden 44. Utgangsspenningen fra den integrerte kretsen 45 er følgelig lik -(+V + IQutRd41^<+>IoutRD44* Forne9ative innganger leder diode 42 og frembringer spenningen (-V<-><I>^<Rp>^)</2>ved den ikke-inverterende Inngangen til den integrerte.kretsen 45.

Fordi potensialforskjellen over de to inngangene til den integrerte kretsen 45 er 0 volt, er spenningen ved begge inngangene den samme. Siden diode 41 er forspent i sperreretningen, er der ingen strøm gjennom motstand 51. Derfor skyldes spenningen ved den inverterende inngangen til kretsen 45 den spennings-deleren som dannes av motstandene 53 og 55. Dette frembringer en spenning (-V<-><I>out<R>I342^ ved punkt 60. Dioden 44 adderer en ytterligere spenning på<I>out<R>D44 volt. Utgangen er igjen lik -V. Diode 43 eliminerer låsing ved å tillate utgangen å drive inverteringsinngangen negativ når inngangsspenningén er tilnær-met lik 0 volt. Diodene 41 - 44 bør være tilpasset for Vf og motstandene 51 - 55 bør være av metallfilmtypen og med toleranse 1%. Den integrerte kretsen 45 kan være en billig operasjonsforsterker av universaltypen, f.eks. LM741 eller lignende. Trim-ming av inngangsforskyvningen kan utføres ved hjelp av den kretsen som er vist for den integrerte kretsen 175.

Utgangen fra kretsen 45 har negativ polaritet og størrelse lik utgangen fra den differensialforsterkeren som dannes av kretsen 20. På grunn av den +20 dB forsterkning som oppnås i kretsen 20, er utgangen fra kretsen 45 -10V , ,. Den integrerte kretsen 46 er konstruert som en direktekoblet inverteringsforsterker med en forsterkning 10 dB. Potensiometeret 62 og de tilhørende motstander 63 og 64 danner en justerbar forskyvningsinngang til kretsen 46 og refererer utgangsspenningen til +V/2 som er null-referansen for AM-inngangen til den spenningsstyrte oscillatoren 70. Potensiometeret 62 er i den foretrukne utførelsesform på 200 kOhm. Motstandene 63 og 64 har en verdi på 6,8 kOhm.

De integrerte kretsene 70 og 80 er begge EXAR 2206 monolittiske funksjonsgeneratorer som er i stand til å frembringe si-nusutganger, trekantutganger eller firkantbølgeutganger. De integrerte kretsene 70 og 80 er vist på en slik form at benarrangementet som er vist på fig. 2, svarer til benarrangementet på den virkelige brikken. Ben 1 og 16 er på både krets 70 og 80 merket for å vise at bennummereringen starter ved 1 og fortsetter sekvensielt mot urviseren til ben nr. 16. Henvisninger til

bennummer på de integrerte kretsene 70 og 80 er referanser til

m

•bennummer på den virkelige brikke. Utgangen fra den integrerte kretsen 70 ved ben 2 er en lavfrekvent sinusbølge hvis spenning og frekvens varierer med størrelsen av utgangsspenningen ved kretsen 46. Motstanden 65 er en tilbakekoblingsmotstand for krets 46 og har en verdi på 33 kOhm. På grunn av den forsterkning som tilveiebringes i den integrerte kretsen 46, vil utgangsspenningen ved'ben 2 på krets 70 drive utgangstrinnet til metning før motorstrømmen når sitt fulle område på pluss eller minus 3 Amp. Utgangsfrekvensen fortsetter imidlertid å stige. Det viste potensiometer 73 som er koblet til ben 3 på krets 70, inn-stiller forsterkningen til utgangen ved ben 2 på krets 70. Potensiometeret 73 er på 200 kOhm og motstanden 71 er på 5,1 kOhm. Motstanden 78 er også 5,1 kOhm og er parallellkoblet med en kondensator 77 som er en 10 volts kondensator på 10 microfarad. Kondensator 79 er på 1 mikrofarad. Potensiometer 74 er på 25 kOhm og potensiometer 75 er på 200 kOhm med en motstand 91 på 1 kOhm plassert i serie med jord. Områdene og verdiene av poten-siometerne 74 og 75 og kondensator 92 kan reguleres for å frembringe passende skalering av det ønskede utgangssignal. Potensiometer 93 er på 500 Ohm, noe som tillater regulering av si-nusbølgeformen for å minimalisere forvrengning.

Den lavfrekvente sinusbølgeutgangen fra kretsen 70 er vek-selstrømkoblet til en integrert krets 90 gjennom en kondensator 95 og en motstand 96 som har verdier på henholdsvis 10 microfarad og 10 kOhm. Den integrerte kretsen 90 er en inverterende summeringsforsterker med forsterkning lik 1. Denne forsterkeren summerer de signalene som utvikles over motstand 96 og motstand 97 på 10 kOhm. Den integrerte kretsen 90 er en absolutt- verdi-krets maken til den som er diskutert i forbindelse med den integrerte kretsen 45, bortsett fra at utgangen fra kretsen 90 har positiv polaritet med størrelse fra 0 til 10 volt likespenning, proporsjonal med styrespenningen på inngangen 11 til kraftmodulen 10. Dioder 115 og 116 og deres tilknyttede motstander 121 og 122 på 1 kOhm danner en inngangsbeskyttelseskrets for å forhindre spenningstopper eller utilbørlig høye spenninger fra å ødelegge inngangene til den integrerte kretsen 175. Motstandene 123 og 124 har en toleranse på 1% og en verdi på 10_ kOhm, og sammen med diodene 117 og 118 utfører de samme funksjon som de tilsvarende komponenter i inngangskretsen til den integrerte kretsen 45. Tilbakekoblingsmotstanden 125 er likeledes på 10 kOhm og med toleranse 1%. Diodene 126 og 127 er av samme type og har samme kretsfunksjon som de tidligere beskrevne dioder 43 og 44 som blir brukt på utgangen fra den integrerte kretsen 45. Den summerte inverterte utgangen fra den integrerte kretsen 90 tilveiebringer styrespenningen for frekvenssveipet ved ben 7 på den integrerte kretsen 80. Størrelsen av det modulerte utgangssignalet fra kretsen 80 blir bestemt av likespenningen på ben 1 på krets 80. Denne spenningen er blitt etablert ved hjelp av utgangen fra krets 46 og er proporsjonal med motorstrømmen og dermed proporsjonal med manipulatorkraften. Utgangssignalet ved ben 2 på krets 80 er følgelig én sinusbølge som sveipes over et frekvensbånd, f.eks. 400 Hz til 4 kHz, når det drives av et styresignal for motorspenningen på fra 0 til 10 volt fra styrespaken 100. Denne sinusbølgen er modulert med den lavfrekvente vekselspenningsutgangen som frembringes i den integrerte kretsen 70. Amplituden av det sveiptede modulerte utgangssignalet blir bestemt ved hjelp av et likestrøms styresignal som er proporsjonalt med motorstrømsignalet som utvikles over motstand 16. Utgangen ved ben 2 på den integrerte kretsen 80 er vekselstrømkob-let til en laveffekt audio-forsterker med en variabel forsterkning som er i stand til å drive stereo-hodetelefoner av standard-' typen.

Den hørbare virkning som høres av brukeren gjennom hodetelefonen, er en trillende eller vibrerende tone hvis frekvens stiger proporsjonalt med motorspenningen og hvis amplitude og vibrasjonshastighet er proporsjonal med motorstrømmen. Med null belastning eller null inngangsdrivsignal til motoren, er utgangen til brukerens hodesett 0 volt. Amplitudestyresignalet ved ben 1 på den integrerte kretsen 80 blir veiet for å frembringe en bratt stigende utgangsspenning over det nedre område av motor-strømverdier (f.eks. mindre enn pluss eller minus 1 Amp). Når motorstrømmene stiger over dette område, blir virkningen mindre merkbar, noe som gir operatøren større følsomhet for motorbelast- ■ ning og kraftendringer i det lave strømområde. Denne karakteri-stikken kan reguleres eller modifiseres ved å velge motstandsver-dier, og den kan forandres til en gitt større linearitet eller større følsomhet etter hva som er gunstig for styring av manipulatoren i forskjellige situasjoner.

En integrert krets 130 er anordnet som en komparator med utgangsstabilisering hvis inngang blir drevet av det negativt-gående motorstrømsignalet. Koblingspunktet er innstilt ved omkring -3 volt ved hjelp av forholdet mellom potensiometer 131

på 10 kOhm og motstanden 132 på 33 kOhm. Inngangsmotstanden 133 er på 4,7 kOhm og virker som en strømbegrensende motstand plassert i serie mellom utgangen fra den integrerte kretsen 45 og den inverterende inngangen til krets 130. Tilbakekoblingsmotstand 134 har en verdi på 3,3 megaohm og er koblet mellom utgangen og den ikke-inverterende inngangen til den integrerte kretsen 130. Når inngangen til kretsen 132 tatt mellom potensiometeret 131 og motstanden 132 faller under -3 volt, kobler utgangen fra V- til V+. På grunn av diodestabiliseringen og spen-ningsdelerkretsen som dannes av en motstand 135 på 68 kOhm, en motstand 136 på 33 kOhm og dioden 137, kobles komparatorutgangen om fra omkring -0,7 volt til +5,0 volt. Dette frembringer et logisk nivåstyresignal til FSK-inngangen ved ben 9 på den integrerte kretsen 80. Når komparatoren 130 kobles om, går ben 9

på den integrerte kretsen 80 høyt, noe som kobler utgangen fra den integrerte kretsen 80 til en stabil sinusbølge. Dette gir operatøren en positiv indikasjon når motorstrømstørrelsen når en forutbestemt grense som definert ved forholdet mellom motstandene 131 og 132. Potensiometeret 131 kan reguleres for å foran-dre denne terskelen etter hva som er nødvendig i forskjellige anvendelser.

Kretsen XR 2206 er en vanlig brukt monolittisk funksjons-generator og derfor er fremgangsmåtene for å velge verdiene av de tilhørende tidsinnstillingsmotstander og kondensatorer godt dokumentert i. litteratur fra fabrikanten. Verdier på kretskom-• ponénter som er gitt her, har vist seg tilfredsstillende når de brukes i forbindelse med den utførelsesform som er vist på fig. 2. Verdiene av resten av komponentene tilordnet operasjonsfor-sterkerne vil bli gitt for fullstendighetens skyld. Motstandene 141 og 142 er begge på 10 kOhm og utfører identiske funk-sjoner som motstandene 54 og 55 som er tilordnet den integrerte kretsen 45. Potensiometeret 143 er på 200 kOhm i serie med en 2 kOhm motstand 144. Motstanden 145 er koblet mellom "den ikke-inverterende inngangen til den integrerte kretsen 90 og jord og "har en verdi på 3,3 kOhm. Den integrerte kretsen 90 er anordnet som en 0 dB summeringsforsterker. Tilbakekoblingsmotstand 146 har en verdi på 10 kOhm. Den integrerte kretsen 150 blir brukt for å forsterke utgangen fra kretsen-80 til et nivå som er egnet for å drive hodetelefoner. Inngangsmotstand 151 er på 1 kOhm. Kondensator 152 er en innretning på 20 microfarad. Motstanden 153 har en verdi på 100 kOhm. Tilbakekoblingsmotstand 1-54 som er koblet mellom inngangen og utgangen på den integrerte kretsen 150., har en verdi på 10 kOhm. ■ Potensiometer 155 er på 20 kOhm og i serie med en kondensator 156. Kondensatorene 157 og 158 er begge på 10 microfarad. Kondensator 180 er på 1 microfarad. Motstandene 159 og 160 er begge på 5,1 kOhm. Potensiometeret 161 er på 200 kOhm. Tidsinnstillingskondensatoren 162 som er koblet mellom benene 5 og 6 på den integrerte kretsen 80, er på 1 microfarad. Tidsinnstillingskondensatoren 92 som er koblet mellom benene 5 og 6 på den integrerte kretsen 70, er på 10 microfarad'. Kondensator 165 er på 1 microfarad. Potensiometer 166 har en verdi på 25 kOhm. Potensiometer 167 er på 200 kOhm og ligger i serie med motstand 168 som har en verdi på 5 kOhm. Motstand 169 er på 4,7 kOhm. Potensiometer 170 er koblet mellom ben 13 og 14 på den integrerte kretsen 80 og er på 500 ohm, og brukes til å regulere sinusbølgeforvrengningen til minimum. Hodetelefonen 171 har én side drevet av utgangen fra audio-for-.sterkeren 150. Ved vanlige manipulatorer med flere motorer,

vil den andre siden av hodetelefonen 171 bli drevet av kretser maken til dem som er vist på fig. 2 og som vil bli brukt til å behandle signaler i tilknytning til en annen akse, slik som X-aksen.

Manipulatorkraften kan alternativt i stedet for å sample motorstrømmen, bestemmes ved å plassere en differensiell hydraulisk trykkføler i en passende del av den hydrauliske forstillingsmekanismen 4. Differensialtrykk-transduceren 180 er vist montert på forstillingsmekanismen 4 for å avføle differansen i trykk mellom omgivelsestrykket og det indre hydrauliske trykk i mekanismen 4 og er av en type som tilveiebringer et proporsjonalt utgangssignal i form av en likespenning. I praksis vil det vanligvis være billigere å bruke motorstrømavføling, men visse anvendelser kan gjøre bruk av hydrauliske trykktransducere hen-siktsmessig. Manipulatorens hastighetssignaler kan, selv om dette ikke er vist, utledes ved hjelp av passende måling av hydraulisk strømning i stedet for måling av motorspenning som vist her. Fordelen ved å måle motorspennings- og strømparametre innbefatter elimineringen av behovet for ytterligere kabelføring fra fjernmonterte følertransducere. Motorspenning og strøm kan lett avføles, f.eks. på dekket av et skip som leverer spenning og strøm til en undersjøisk manipulator. Det er ikke nødvendig med ekstra kabelføring opp fra den fjernt plasserte manipulatoren som drives ved hjelp av elektriske motorer for det formål å overføre data vedrørende manipulatorens hastighet og kraft. Selv om motorspenning og strøm ikke er absolutt nøyaktige indikatorer på manipulatorens kraft og hastighet, tilveiebringer de tilstrekkelig nøyaktige tilnærmelser slik at de er til stor hjelp i bru-kerstyringen .

En annen alternativ måte å utlede kraftsignaler for manipulatoren på, innbefatter bruken av ytre transducere slik som strekkmålere, belastningsceller, og andre krafttransducere som er velkjente på området. Likeledes kan hastighetssignaler utledes fra de mer tradisjonelle metoder og anordninger som innbefatter takometere og forskyvningstransducere.

På fig. 1 ser man at den anordningen som reagerer på manipulatorhastigheten, ganske enkelt er en direkte forbindelse til motorspenningssignalet 107 som opptrer ved utgangen av motor-drivforsterkeren. 103. En alternativ og like tilfredsstillende konstruksjon er vist på fig. 2, hvor den anordningen som reagerer på manipulatorhastigheten, er en kobling 11 til Y-akseutgangen 102 fra styrespaken 100. Et signal som opptrer ved 11, er i den foretrukne utførelsesform en likespenning som blir forster ket og brukt til å energisere den elektriske Y-aksemotoren. Utgangen 102 fra styrespaken 100 kan betraktes som et hastighetsstyresignal som kan reguleres av brukeren. Enten dette hastighetsstyresignalet som reguleres fra brukeren eller, motordrivsig-nalet selv kan overvåkes og brukes til å frembringe et elektrisk signal som er proporsjonalt med manipulatorhastigheten.

Den kretsen som er vist på fig. 2, har et ytterligere trekk som ikke er vist i den grunnleggende utførelsesformen på fig. 1. På fig. 2 er de integrerte kretsene 70 og 80 anordnet sammen for, i tillegg til de før nevnte amplitude- og frekvens-modulasjons-#trekk som er vist på fig. 1, og tilveiebringe en ytterligere modulasjonsanordning for gjentatt variering av frekvensen av utgangen fra den integrerte kretsen med en repetisjonshastighet som er proporsjonal med manipulatorkraften. Det vil være mulig å

i stedet tilveiebringe en gjentagende variasjon av en annen utgangskarakteristikk enn frekvensen. I stedet for å vibrere utgangsfrekvensen med en variabel hastighet, kan det brukes port-styring for å pulse utgangen eller, alternativt., andre karakteri-stikker som kan detekteres av en bruker, f.eks. kunne det harmo-niske innholdet varieres ved bruk av filtere eller andre velkjente fremgangsmåter. På fig. 2 blir utgangen fra den integrerte kretsen 80 modulert med en sveipefrekvens opp og ned for å frembringe en vibrasjonseffekt som har en repetisjonsfrekvens proporsjonal med kraftsignalet som utledes fra motorstrømmen, og avføles ved hjelp av motstand 16. Den summerte inverterte utgangen fra den integrerte kretsen 90 frembringer styresignalet for frekvenssveipet ved ben 7 på den integrerte kretsen 80. Dette styresignalet for frekvenssveipet kan varieres for å regulere den båndbredde over hvilken utgangsfrekvensen fra kretsen 80 blir sveipet- På fig. 2 blir utgangen fra hodetelefon-forsterkeren 150 hørt av brukeren som en vibrerende tone med en senterfrekvens proporsjonal med manipulatorhastigheten. Uttrykket senterfrekvens blir brukt for å referere til tonehøyden på det signalet som er proporsjonalt med hastigheten. Vibreringskom-ponenten varierer med denne tonehøyden opp og ned ved en vibrasjonshastighet som er proporsjonal med manipulatorkraften. Vi-breringstonen har en amplitude eller et volum som er proporsjonalt med manipulatorkraften. På fig. 2 er den integrerte kretsen 80 koblet til manipulator-kraftsignaler på en slik måte at

uten noen belastning eller noe inngangsdrivsignal til motoren, er utgangen fra kretsen 80 0 volt. På denne måten er det til--veiebragt en anordning for å fjerne hørbare utganger fra generatoren som utgjøres av kretsene 70 og 80 når signaler som indikerer 0 manipulatorhastighet og 0 manipulatorkraft, blir detektert.

Når den foreliggende oppfinnelse brukes i forbindelse med

manipulatorer som anvender hydraulisk eller pneumatisk drift, kan manipulatorenes hastighet og kraft avføles ved hjelp av passende installasjoner av trykk- og strømnings-transducere. På fig. 2 er det vist en differensialtrykk-transducer 180 som er koblet for å avføle differansen mellom omgivelsestrykket og trykket inne i den hydrauliske del av manipulatoren. Differen-sialtrykket som er proporsjonalt med likespenningsutgangen fra 180, kan brukes i stedet for den spenning som utledes over motstanden 16 og som er proporsjonal med motorstrømmen. Som nevnt kan manipulatorhastigheten alternativt avføles ved hjelp av en strømningsføler som er anordnet ved et passende punkt i et pneumatisk eller hydraulisk system der strømningshastigheten' er-proporsjonal med manipulatorhastigheten.

Claims (21)

1. Audio-tilbakekoblingsanordning for overvåkning og hjelp ved operatørkontroll av en fjernstyrt, kraftdrevet manipulator,karakterisert veden anordning for å tilveiebringe et elektrisk signal som er proporsjonalt med manipulatorkraften, en anordning for å tilveiebringe et elektrisk signal som er proporsjonalt med manipulatorhastigheten, en signalgene-rator, en frekvensmodulasjons-anordning koblet til ett av de nevnte elektriske signaler for å variere utgangsfrekvejisen til signalgeneratoren i forhold til signalet, en amplitudemodula- .sjons-anordning koblet til det andre av de elektriske signaler for å variere utgangsamplituden av signalgeneratoren i forhold til det annet signal, og en anordning for hørbar reproduksjon av utgangen fra signalgeneratoren.

2. Anordning ifølge krav 1, -karakterisert vedat manipulatoren drives ved hjelp av en elektrisk motor, at den førstnevnte anordning er en motorstrømføler, at den annen anordning er en motorspennings-føler, at amplitudemodulasjons-anordningen er koblet til det førstnevnte elektriske signal, og ved at frekvensmodulasjons-anordningen er koblet til det annet elektriske signal.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat manipulatoren drives ved hjelp av en elektrisk motor, at motorhastigheten reguleres ved hjelp av et hastighetsstyresignal som kan reguleres av en opera-tør, at den førstnevnte anordning er en motorstrømføler, at den deretter nevnte anordning er en føler for hastighetsstyresignalet, at amplitudemodulasjons-anord;ningen er koblet til det først-nevnte elektriske signal, og at frekvensmodulasjons-anordningen er koblet til deretter nevnte elektriske signal.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert vedat hastighetsstyresignalet som kan reguleres av operatøren, er en likespenning, og ved at likespenningen blir forsterket for å levere drivkraft til den elektriske motoren.

5. Anordning ifølge krav 2, karakterisert vedat de elektriske signaler er likespenninger.

6. Anordning ifølge krav 1, karakterisert veden ytterligere modulasjonsanordning koblet til ett av de elektriske signaler for gjentatt å variere en utgangskarakteristikk fra signalgeneratoren som kan detekteres av operatøren, med en repetisjonshastighet som er proporsjonal med det elektriske' signal.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert vedat den utgangskarakteristikk som kan detekteres av operatøren, er frekvensen, at den ytterligere modulasjonsanordning er en sveipefrekvens-modulator for gjentatt å sveipe utgangsfrekvensen fra generatoren opp og ned for å frembringe en vibrasjonseffekt med en repetisjonshastighet på vibrasjonen som er proporsjonal med det tilkoblede elektriske signal.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert vedat sveipefrekvens-modulatoren er koblet til det førstnevnte elektriske signal for å frembringe en vibrasjon, av utgangsfrekvensen fra signalgeneratoren med en repetisjonshastighet som er proporsjonal med manipulator-kraf ten .

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert veden anordning for å regulere sveipefrekvens-modulatoren for å variere den båndbredde over hvilken signalgeneratorens utgangsfrekvens blir sveipet.

10. Anordning ifølge krav 2, karakterisert veden sveipefrekvens-modulator med variabel sveipehastighet som er koblet til det førstnevnte elektriske signal for å frembringe en syklisk variasjon i gene-ratorens utgangsfrekvens med en repetisjonshastighet som er proporsjonal med manipulatorkraften, og ved en høretelefon for hør-bar reproduksjon av utgangen fra generatoren.

11. Anordning ifølge krav 10, karakterisert vedat den hørbare, reproduserte utgang fra signalgeneratoren er en vibrerende tone som har en senterfrekvens proporsjonal med manipulatorhastigheten, en vib-ras jonshastighet som er proporsjonal med manipulatorkraften og en amplitude som er proporsjonal med manipulatorkraften.

12. Anordning ifølge krav 1, ■karakterisert veden portstyringsanordning koblet til signalgeneratoren og til de elektriske signaler for nullstilling av generatorutgangen når signaler som indikerer null manipulatorhastighet og null manipulatorkraft, detekteres.

13. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat manipulatoren drives ved. hjelp av hydraulisk kraft, og ved at den førstnevnte anordning er en hydraulisk trykkføler.

14. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat manipulatoren bruker hydraulisk kraft og at den annen nevnte anordning er en hydraulisk strømningsføler.

15. Anordning ifølge krav 13, karakterisert vedat den hydrauliske trykkfø-ler er av den differensialtrykk-følende type og er montert for å avføle differansen mellom omgivelsestrykket og trykket inne i det "hydrauliske kraftsystemet.

16. Anordning ifølge krav 14, karakterisert vedat den hydrauliske strøm-ningsføler er montert for å avføle strømningshastigheten i det hydrauliske fluidum ved et punkt i det hydrauliske system hvor strømningshastigheten er proporsjonal med manipulatorhastigheten .

17. Fremgangsmåte for forbedret operatørstyring av fjernstyrte, kraftdrevne manipulatorer, karakterisert vedat det genereres et kraft-signal som er proporsjonalt med manipulatorkraften, at det genereres et hastighetssignal som er proporsjonalt med manipulatorhastigheten, at det genereres en hørbar tone, at tonens frekvens varieres i forhold til hastighetssignalet, og ved at tonens amp- ■litude varieres i forhold til kraftsignalet.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert vedat tonens frekvens varieres syklisk ved en repetisjonshastighet som står i forhold til kraftsignalet.

19. Fremgangsmåte 'ifølge krav 18, karakterisert vedat manipulatoren drives av en elektrisk motor, at manipulatorkraften blir avfølt ved å overvåke motorstrømmen, at manipulatorhastigheten blir avfølt ved å overvåke motorspenningen, at kraftsignalet er en likespenning, at hastighetssignalet er en likespenning, og ved at tonen blir forsterket og levert til en hodetelefon.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert vedat manipulatoren drives av en elektrisk motor, at motorhastigheten blir styrt ved hjelp av.et hastighetsstyresignal som kan reguleres av operatøren, at manipulatorkraften blir avfølt ved å overvåke motorstrømmen, og ved at manipulatorhastigheten blir overvåket ved å avføle hastighets styr es igna let .

21. Fremgangsmåte ifølge krav 18, karakterisert vedat manipulatoren drives hydraulisk, og ved at manipulatorkraften blir avfølt ved å overvåke manipulatorens hydrauliske trykk.