一种水下机械手的位置控制系统及其控制方法

摘要

本申请提供一种水下机械手的位置控制系统及控制方法，位置控制系统包括：一组第一非接触位置传感器，设置于一组第一关节上，采集第一位置信息；一组第二非接触位置传感器，设置于一组第二关节上，采集第二位置信息；第一控制单元，与一组第一非接触位置传感器相连并获取第一位置信息；第一通讯单元，与第一控制单元相连并获取其传输的第一位置信息；第二通讯单元，与第一通讯单元相连并获取其传输的第一位置信息；第二控制单元，与第一通讯单元相连并获取其传输的第一位置信息；与一组第二非接触位置传感器相连并获取采集的第二位置信息；根据第一位置信息和第二位置信息控制第二关节运动位置。通过非接触式位置传感器降低设备失效率和维护成本。

说明书

技术领域

本申请涉及水下机械手领域，具体涉及一种水下机械手的位置控制系统、位置控制方法即水下多自由度机械手。

背景技术

水下机械手在执行作业时，多采用摇杆或主从系统的方式进行控制。摇杆控制需要操作的执行元件较多，当需要同时调节多个自由度的运动时，操作难度较大。具体而言，一个摇杆最多可以实现2个自由度的控制，对于多自由度机械手，需要多个摇杆才能实现多自由度的运动。此外，摇杆控制需要操作人员的两只手协作控制，操作难度很高。

主从系统的机械手包括相似结构的主机械手和从机械手，如图1所示，且各关节装有位置传感器。在执行水下作业时，操作人员可以在岸上单手操作主手关节自由度的运动，从手对应的关节即可跟随主手关节的位置运动，即可同时实现多个自由度的操作，操作容易。具体而言，当操作人员在岸上操作主手各关节的运动时，主手的位置传感器数据发生变化，此位置数据会下发给水下的从手，作为从手位置控制的目标值，以该目标值对从手进行位置的闭环控制。

发明内容

为了解决水下机械手现有的主从控制系统中，接触式传感器长时间使用后易发生松动、损坏，从手的最大输出力矩无法进行限制而导致的交互性、灵活性差等问题，本申请提供了一种水下机械手的位置控制系统及控制方法。

根据本申请的第一方面，提供一种水下机械手的位置控制系统，其中所述水下机械手包括具有一组第一关节的第一机械手和具有一组第二关节的第二机械手，所述位置控制系统包括：

一组第一非接触位置传感器，设置于所述一组第一关节上，采集所述一组第一关节的第一位置信息；

一组第二非接触位置传感器，设置于所述一组第二关节上，采集所述一组第二关节的第二位置信息；

第一控制单元，与所述一组第一非接触位置传感器相连并获取所述第一位置信息；

第一通讯单元，与所述第一控制单元相连并获取其传输的所述第一位置信息；

第二通讯单元，与所述第一通讯单元相连并获取其传输的所述第一位置信息；

一组第二控制单元，与所述第二通讯单元相连并获取其传输的所述第一位置信息；与所述一组第二非接触位置传感器相连并获取采集的第二位置信息；根据所述第一位置信息和所述第二位置信息控制所述一组第二关节的运动位置。

根据本申请的一些实施例，所述第一控制单元，包括：

第一显示单元，用于交互选择所述第二机械手的工作模式，并根据所述工作模式设定所述一组第二关节的最大输出力矩。

根据本申请的一些实施例，所述位置控制系统还包括：

一组第二显示单元，与所述第一控制单元相连，用于显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级和/或实际输出力矩的加载状态。

根据本申请的一些实施例，所述一组第二显示单元包括：一组力矩显示灯。

根据本申请的一些实施例，显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级包括：通过所述一组力矩显示灯的不同颜色进行显示；和/或

显示所述一组第二关节的实际输出力矩的加载状态包括：通过所述一组力矩显示灯的闪烁频率进行显示。

根据本申请的一些实施例，所述一组第一非接触位置传感器为绝对角度位置传感器；所述一组第二非接触位置传感器为多圈计数传感器。

根据本申请的一些实施例，所述第一控制单元被配置为通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第一通讯单元；

所述第一通讯单元被配置为通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第二通讯单元；

所述第二通讯单元被配置为将以太网协议转换为CAN协议并通过所述CAN协议将所述第一位置信息传输至所述第二控制单元。

根据本申请的另一方面，提供一种水下机械手的位置控制方法，应用于上述位置控制系统，所述位置控制方法包括：

通过所述一组第一非接触位置传感器采集所述一组第一关节的第一位置信息并传输至所述第一控制单元；

所述第一控制单元通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第一通讯单元；

所述第一通讯单元通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第二通讯单元；

所述第二通讯单元将以太网协议转换为CAN协议后将所述第一位置信息传输至所述第二控制单元；

所述第二控制单元获取所述一组第二非接触位置传感器采集的所述一组第二关节的第二位置信息，并根据所述第一位置信息和所述第二位置信息控制所述一组第二关节的运动位置。

根据本申请的一些实施例，根据所述第一位置信息和所述第二位置信息控制所述一组第二关节的运动位置，包括：

根据所述第一位置信息计算所述一组第二关节的目标位置；

根据所述第二位置信息计算所述一组第二关节的实时位置；

根据所述目标位置和所述实时位置，对所述一组第二关节的电机进行位置闭环控制。

根据本申请的一些实施例，所述位置控制方法还包括：

通过所述第一控制单元交互选择所述第二机械手的工作模式并根据所述工作模式设定所述一组第二关节的最大输出力矩；或

通过所述第一控制单元交互设置所述一组第二关节的最大输出力矩。

根据本申请的一些实施例，所述位置控制方法还包括：

显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级和/或实际输出力矩的加载状态。

根据本申请的一些实施例，显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级和/或实际输出力矩的加载状态包括：

通过一组力矩显示灯的颜色显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级；

通过一组力矩显示灯的闪烁频率显示所述一组第二关节的实际输出力矩的加载状态。

根据本申请的一些实施例，所述位置控制方法还包括：

通过所述第二控制单元采集所述一组第二关节的电机控制电流值并根据电机特性计算所述实际输出力矩。

根据本申请的另一方面，还提供一种水下多自由度机械手，包括：

第一机械手，包括一组第一关节；

第二机械手，包括一组第二关节；

上述位置控制系统，与所述第一机械手和所述第二机械手相连。

本申请提供的水下机械手的位置控制系统和方法，在现有主从控制系统的基础上，采用非接触式位置传感器采集主、从机械手的位置信息，极大降低了因位置传感器损坏造成的设备失效和维护成本，可靠性高。通过在主手端对从手各关节的不同工作模式下最大输出力矩值的限制，避免了操作人员针对不同工作目标调节力矩过大造成的目标损坏，同时也降低了力矩输出过大造成的能源损耗。此外，通过力矩显示灯直观地将从手的实时力矩输出状态显示给操作人员，提升了人机交互性能，进而可提升操作人员的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本申请要求保护的范围。

图1 主（从）机械手结构示意图；

图2 根据本申请示例实施例的位置控制系统组成示意图；

图3 根据本申请示例实施例的第一非接触位置传感器安装示意图；

图4 根据本申请示例实施例的位置控制方法示意图；

图5示出了根据本申请另一示例实施例的位置控制方法示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明人发现，在现有的水下机械手主从式控制系统中，虽然极大的解决了摇杆控制操作繁琐的问题，但是，对接触式传感器（例如电位器）的可靠性要求极高。而接触式传感器长时间使用后易发生松动、损坏；一旦电位器因安装不当或机械磨损造成损坏，则整个控制系统无法正常工作，造成了较高的维修难度和维护成本。此外，现有主从控制系统无法对从手的最大输出力矩值和实时力矩输出状态进行监控，因此交互性和灵活性较差。

图2示出了根据本申请示例实施例的位置控制系统组成示意图。

为了解决以上技术问题，本申请提供了一种水下机械手的位置控制系统，其中水下机械手为多自由度机械手，包括具有一组第一关节的第一机械手和具有一组第二关节的第二机械手。例如，第一机械手可以是主机械手，第二机械手可以是从机械手。

如图2所示，所述位置控制系统1000包括：一组第一非接触位置传感器100、第一控制单元200、第一通讯单元300、第二通讯单元400、一组第二控制单元500和一组第二非接触位置传感器600。

一组第一非接触位置传感器100设置于主从机械手的一组第一关节（主关节）上，采集所述一组第一关节的第一位置信息。一组第二非接触位置传感器600设置于所述一组第二关节（从关节）上，采集所述一组第二关节的第二位置信息。第一控制单元200与所述一组第一非接触位置传感器100相连，并获取第一非接触位置传感器100采集的第一位置信息。第一通讯单元300与所述第一控制单元200相连，用于获取第一控制单元200向其传输的第一位置信息。第二通讯单元400与所述第一通讯单元300相连并获取第一通讯单元300向其传输的第一位置信息；一组第二控制单元600分别与所述第二通讯单元相连并获取其传输的第一位置信息，同时与所述一组第二非接触位置传感器600相连并获取其采集的第二位置信息。第二控制单元600根据所述第一位置信息和所述第二位置信息控制所述一组第二关节的运动位置。

根据本申请的一些实施例，第一关节可以是主关节，第二关节可以是从关节。相应地，第一位置信息是主关节的位置信息，第二位置信息是从关节的实际位置信息。第二控制单元600可以是从关节的电调控制系统。第二控制单元600以主关节的位置信息为控制目标对从关节的位置进行闭环控制。

在采集信息的传输过程中，第一控制单元200通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第一通讯单元300；所述第一通讯单元300通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第二通讯单元400；所述第二通讯单元400将以太网协议转换为CAN协议并通过所述CAN协议将所述第一位置信息传输至所述第二控制单元600。

根据本申请的示例实施例，所述第一控制单元还可以包括第一显示单元（图中未示），用于显示从手的实时位置数据，并交互选择所述第二机械手的工作模式，并根据所述工作模式设定所述一组第二关节的最大输出力矩。例如，第一显示单元可以是交互界面，例如触摸屏。通过第一显示单元，用户可以交互选择从机械手的工作模式。根据用户选择的工作模式，第一控制单元可设定从机械手的最大输出力矩。用户也可以手写输入不同工作场景下的从机械手的最大输出力矩；第一控制单元将用户的输入及对应的工作场景保存为标准控制模式以供后续使用。

通过在主手端对从手各关节的不同工作模式下最大输出力矩值的限制，避免了操作人员针对不同工作目标调节力矩过大造成的目标损坏，同时也降低了力矩输出过大造成的能源损耗。

图3示出了根据本申请示例实施例的第一非接触位置传感器安装示意图。

如图3所示，第一非接触位置传感器100安装于主关节的可旋转主轴端部10。根据本申请的示例实施例，第一非接触位置传感器100可以包括位置感应器件110、非接触位置传感器硬件采集板120和位置感应器件固定件130。位置感应器件110通过位置感应器件固定件130安装在主关节可旋转主轴端部。例如位置感应器件固定件130采用胶粘的方式与主关节可旋转主轴端部连接。位置感应器件固定件130端部设置开孔，用于放置位置感应器件110，并通过胶粘的方式进行固定。非接触位置传感器硬件采集板120上设置位置感应传感器芯片121，与位置感应器件110中心同轴、相对设置，且相隔间距d约为2-8mm。根据本申请的示例实施例，第一非接触位置传感器100为绝对角度位置传感器，可实现旋转轴360度范围内的位置角度采集。

第二非接触位置传感器600安装于从关节的电机尾部输出轴。根据本申请的示例实施例，第二非接触位置传感器600的结构与第一非接触位置传感器100的结构和安装方式相似，此处不在赘述。根据本申请的示例实施例，第二非接触位置传感器600为多圈计数传感器。多圈计数的第二非接触位置传感器数据可在设备断电的情况下保证多圈计数值不丢失。此外，为了保证第二非接触位置传感器记录的从手绝对位置信息数据在掉电情况下不丢失，本申请的示例实施例中第二非接触位置传感器600中可以设置纽扣电池。纽扣电池可以与非接触位置传感器硬件采集板连接。

通过采用非接触式位置传感器采集主、从机械手的位置信息，极大降低了因位置传感器损坏造成的设备失效和维护成本，可靠性高。

参见图2，根据本申请的示例实施例，所述位置控制系统1000还可以包括一组第二显示单元700。第二显示单元700与所述第一控制单元200相连，用于显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级和/或实际输出力矩的加载状态。根据本申请的示例实施例，第二显示单元700可以是力矩显示灯。力矩显示灯可根据力矩值的大小，调节指示灯的颜色和闪灯频率。例如，通过力矩显示灯的不同颜色显示第二关节的最大输出力矩的等级；通过力矩显示灯的闪烁频率对第二关节的实际输出力矩的加载状态进行显示。

例如，力矩显示灯为具有N种可变颜色的灯带。根据设定的从机械手最大输出力矩值，可将其大小分为N个等级，每一等级可通过灯带对应的1种颜色进行显示。此外，根据第二关节的实际输出力矩与设定的最大输出力矩之间的比例关系，如20%、40%、60%、80%、100%等，通过指示灯的不同闪灯频率来进行显示加载状态。当加载状态达到100%时，力矩显示灯常亮。

通过力矩显示灯直观地将从手的实时力矩输出状态显示给操作人员，提升了人机交互性能，进而可提升操作人员的工作效率。

图4示出了根据本申请示例实施例的位置控制方法示意图。

根据本申请的另一方面，还提供一种水下机械手的位置控制方法，应用于上述位置控制系统。如图4所示，所述位置控制方法包括以下步骤：

在步骤S410，通过所述一组第一非接触位置传感器采集所述一组第一关节的第一位置信息并传输至所述第一控制单元。其中，第一位置信息为主关节的位置信息。第一非接触位置传感器为绝对位置角度传感器，可实现旋转轴360度范围内的位置角度采集。

在步骤S420，所述第一控制单元通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第一通讯单元。根据本申请的实施例，第一控制单元除了传输第一位置信息外，还将设定的第二关节的最大输出力矩传输给第一通讯单元。根据本申请的实施例，可以通过第一控制单元交互选择第二机械手的工作模式并根据所述工作模式设定所述一组第二关节的最大输出力矩；也可以通过第一控制单元交互设置所述一组第二关节的最大输出力矩。

在步骤S430，所述第一通讯单元通过以太网协议将所述第一位置信息传输至所述第二通讯单元。

在步骤S440，所述第二通讯单元将以太网协议转换为CAN协议后将所述第一位置信息传输至所述第二控制单元；第二通讯单元可以是ROV通讯单元，只负责数据转发，不做任何的数据处理。

在步骤S450，所述第二控制单元获取所述一组第二非接触位置传感器采集的所述一组第二关节的第二位置信息，并根据所述第一位置信息和所述第二位置信息控制所述一组第二关节的运动位置。具体过程为，根据所述第一位置信息计算所述一组第二关节的目标位置；根据所述第二位置信息计算所述一组第二关节的实时位置；根据所述目标位置和所述实时位置，对所述一组第二关节的电机进行位置闭环控制。

图5示出了根据本申请另一示例实施例的位置控制方法示意图。

根据本申请的一些实施例，所述位置控制方法除了图4中的步骤外，还可以包括：

步骤S460，显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级和/或实际输出力矩的加载状态。例如，通过一组力矩显示灯的颜色显示所述一组第二关节的最大输出力矩的等级；通过一组力矩显示灯的闪烁频率显示所述一组第二关节的实际输出力矩的加载状态。根据设定的从机械手最大输出力矩值，可将其大小分为N个等级，每一等级可通过力矩显示灯灯带对应的1种颜色进行显示。此外，根据第二关节的实际输出力矩与设定的最大输出力矩之间的比例关系，如20%、40%、60%、80%、100%等，通过指示灯的不同闪灯频率来进行显示加载状态。当加载状态达到100%时，力矩显示灯常亮。

其中，第二关节的实际输出力矩的计算过程可以是，通过所述第二控制单元获取所述一组第二关节的电机控制电流值；由第二控制单元根据电机控制特性计算实际输出力矩传输至第一控制单元，或者将电机控制电流值传输至第一控制单元，由其根据电机控制特性计算实际输出力矩。

根据本申请的另一方面，还提供一种水下多自由度机械手，包括第一机械手、第二机械手和上述位置控制系统。第一机械手包括一组第一关节；第二机械手包括一组第二关节；位置控制系统与所述第一机械手和所述第二机械手相连。

本申请提供的水下多自由度机械手的位置控制系统和方法，在现有主从控制系统的基础上，采用非接触式位置传感器采集主、从机械手的位置信息，极大降低了因位置传感器损坏造成的设备失效和维护成本，可靠性高。通过在主手端对从手各关节的不同工作模式下最大输出力矩值的限制，避免了操作人员针对不同工作目标调节力矩过大造成的目标损坏，同时也降低了力矩输出过大造成的能源损耗。此外，通过力矩显示灯直观地将从手的实时力矩输出状态显示给操作人员，提升了人机交互性能，进而可提升操作人员的工作效率。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。