NO841830L - Fremgangsmaate og apparat til aa gi sansbar tilbakekobling til operatoerer av fjernstyrte manipulatorer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår generelt tilbakekoblingssystemer

for å gi brukerne bedre kontroll eller styring over fjern-

styrte innretninger. Oppfinnelsen er spesielt rettet mot systemer med hørbar tilbakekobling som anvendes i forbindelse med fjernstyrte kraftdrevne manipulatorer, så som robotarmer o.l. Fjernstyrte manipulatorer har vidstrakt anvendelse på områder som går fra kirurgi til undersøkelser på havdyp og i omgivelser som kan være fra undervannsmiljø til over-

flatene på fjerntliggende planeter. I de senere år har det

vært en kraftig stigning i bruken av fjernstyrte manipulator-systemer for undersøkelse av ikke utnyttede naturressurser. Fjernstyrte eller fjernopererte manipulatorer blir vanligvis anvendt under ugjestmilde forhold eller omgivelser som er utilgjengelige for mennesker, for å utføre reparasjoner eller foreta undersøkelse eventuelt utnyttelse. Slike anordninger omfatter typisk en eller flere fjernstyrte kraftdrevne armer som har en arbeids- eller avslutningsinnretning, f.eks. klør, klemmer eller kjever, som brukes som mekaniske analoge organer til den menneskelige hånd. Manipulatorarmene er vanligvis oppbygget med ledd og har flere bevegelsesakser. Brukere av fjernstyrte manipulatorer har tradisjonelt overvåket manipu-latorposisjon og -bevegelse ved anvendelse av et lukket fjern-synssystem. Dette gjør det mulig for operatøren å se virkningene av egne styringsoperasjoner eller inngangssignaler i sann tid og å foreta passende justeringer.

Selv om video-tilbakekoblingssystemer er meget nyttige,

gir de ikke tilstrekkelig informasjon vedrørende manipulatorens kraft. Det finnes forskjellige metoder til å avstedkomme tilbakekoblingsinformasjon til brukeren vedrørende kraft, hastighet, forskyvning o.l. Mange av de tidligere kjente systemer er analoge med de velkjente kraft-tilbakekoblings-innretninger som brukes til å gi en naturlig "føling" til pilot-kontrollorganer i store fly med kraftforsterkende styrings-eller kontrollsystemer. Andre tidligere kjente systemer utnytter forskjellige transdusere for å avføle forskyvning eller bevegelse, hastighet og kraft og bruker den informasjon som blir avledet fra disse, til å operere en duplikat-manipulator som er plassert i nærheten av operatøren slik at denne direkte kan se duplikat-manipulatoren. Et ytterligere system for å gi bruker-tilbakekoblingsinformasjon med hensyn til kraft

og hastighet er beskrevet i (søkerens) US patentsøknad nr.

466.433 av 15. februar 1983.

Det er tidligere beskrevet et antall systemer som gir brukeren informasjon vedrørende kraft, hastighet og forskyvning av fjernstyrte manipulator-innretninger. Selv om disse systemer er meget nyttige befordrer de ikke til brukeren en følelse av "berøring". At den menneskelige hånd er meget flink eller dyktig avhenger sterkt av den berøringsmessige følsomhet som generelt kan betegnes som berøringsfølelsen eller -sansen. Hvor viktig berøringsfølelsen er ved utførelse av vanskelige oppgaver eller operasjoner kan klart innses ved å opservere den sterke reduksjon i denne hendighet som opptrer når berørings-følelsen er nedsatt på grunn av kaldt vann eller en lokal bedøvelse. En person med meget kalde hender har uforstyrret visuell tilbakekobling og kan gjennom følelsen av muskel-kontraksjon og senebevegelse få en viss informasjon vedrørende den manuelle kraft som utøves av hånden. Den er imidlertid velkjent at en normalt hendig person med meget kalde hender finner at vedkommendes manuelle hendighet blir alvorlig ned-

satt som følge av mangel på berøringstilbakekobling fra finger-tuppene og de øvrige flater i hånden.

Den tidligere kjente teknikk har særlig mangler når

det gjelder innretninger som kan gi brukeren av fjernstyrte manipulator-innretninger noe i likhet med en berøringsfølelse eller -sans. Kraft-, forskyvnings- og hastighets-tilbakekoblingsinformasjon er meget nyttig, men er ikke likeverdig med en berøringsfølelse. Brukeren av slike tidligere kjente systemer mottar lite eller ingen informasjon vedrørende strukturen eller konsistensen av de objekter som skal manipuleres.

Ved å forsyne operatøren med et intuitivt forståelig tilbake-koblingssignal fra en berøringstransduser som er mekanisk koblet til selve manipulatorarmen, kan den hittil manglende berøringsfølelse tilveiebringes. Denne tilbakekobling for-bedrer i høy grad kontrollen over manipulatorarmen, spesielt når denne brukes til å utføre intrikate oppgaver eller mani-pulere ømtålige materialer. Tilføyelsen av en berøringssans til fjernstyrte manipulator-armmekanismer gjør at analogien med en menneskehånd blir meget mer fullstendig og operasjonen av robotarmen kan begynne å komme nær opp mot den bevegelighet og hendighet som er å finne i en menneskearm og -hånd.

Følgelig er det et formål med denne oppfinnelse å tilveiebringe en fremgangsmåte og et apparat for å gi berørings-tilbakekobling til operatører av fjernstyrte manipulatorer.

Et annet formål med denne oppfinnelse er å tilveiebringe

et berørings-tilbakekoblingssystem som kan anvendes på mange forksjellige robotinnretninger og som er i stand til å arbeide på et bredt område av operasjonsforhold eller -omgivelser.

Et ytterligere formål ved denne oppfinnelse er å tilveiebringe et tilbakekoblingssystem som gjør det mulig for en bruker å kontrollere en fjernstyrt manipulator med en presi-

sjon og hendighet som hittil ikke har vært oppnåelig. Enda et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et apparat som gir operatøren av en fjernstyrt manipulator informasjon i hørbar form som intuitivt kan settes i relasjon til strukturen og hårdheten av den overflate som er i berøring med manipulatorarmen .

Fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen har

også andre formål og særegne trekk samt fordeler som vil fremgå av den følgende beskrivelse under henvisning til tegningene.

I motsetning til de forannevnte tidligere kjente tilbakekoblingssystemer gir foreliggende oppfinnelse berøringsfilbake-kobling i form av hørbar lyd. Denne oppfinnelse supplerer de visuelle tilbakekoblingssystemer som er tidligere kjent og andre systemer som gir informasjon om kraft, hastighet og forskyvning eller bevegelse. De essensielle prinsipper ved oppfinnelsen kan utnyttes i alle typer fjernstyrte mani-pulatorsystemer, innbefattet hydrauliske, pneumatiske og elektriske systemer.

I sin enkleste form anvender denne oppfinnelse en mikrofon, et akselerometer eller en annen vibrasjonsfølsom transduser som kobles mekanisk til manipulatorarmenheten. Det elektriske utgangssignal fra transduseren blir forsterket og, om nødvendig behandlet og så tilført brukeren gjennom en høytaler eller en høretelefon i form av et akustisk signal. Ved anvendelse i forbindelse med manipulatorarmenheter av den type som er beskrevet i (søkerens) US patenssøknad nr. 466.606 av 15.

februar 1983, ble anvendbarheten og dyktigheten av det totale manipulatorsystem funnet å bli sterkt øket. Apparatet og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan realiseres på overordentlig enkel måte og gir lett forståelig informasjon

som selv for en forholdsvis ny operatør kan gi lett forståelig informasjon vedrørende strukturen eller konsistensen, hårdheten og den totale "føling" av det objekt som berøres av manipulatoren .

Det henvises nå til tegningene:

Figur 1 er et funksjonelt blokkskjema for et apparat som

anvender foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 er et tilsvarende skjema for en utførelsesform av

oppfinnelsen, og

figur 3 er et blokkskjema for en alternativ utførelsesform

av oppfinnelsen, som anvender ytterligere transdusere for støyundertrykkelse.

På figur 1 er det vist en fjernstyrt manipulatorarm

2 av den art som typisk anvendes ved undervannsoperasjoner. Gripepartiet av manipulatorarmen 2 har kjevedeler 3 og 4

som kan åpnes og lukkes på en måte som har likhet med en krabbeklo. I en enkel utførelse anvender foreliggende oppfinnelse en vibrasjonsfølsom transduser 5 som er mekanisk koblet til manipulatorenheten 1, fortrinnsvis nær inntil gripepartiet 2 på manipulatoren. Utgangssignalet fra transduseren 5 føres gjennom en kabel 6 til en forsterker 7 som har sin utgang forbundet med en elektroakustisk høytaler 8 for hørbar gjengivelse av utgangssignalet fra transduseren slik at operatøren kan lytte til dette. Selv om montering av transduseren 5 nær inntil gripepartiet 2 kan forventes å gi de beste resultater, er det funnet at alternative plasseringer i større avstand fra partiet 2, medfører overraskende gode resultater.

Det finnes mange forskjellige typer av transdusere som

kan gi nyttig informasjon ved anvendelse i henhold til foreliggende oppfinnelse. Det er imidlertid funnet at et akselerometer gir høyst ønskelige resultater og innebærer en viss grad av frihet for virkningene av akustisk støy i omgivelsene rundt manipulatorarmen 1.

Forskjellige typer akselerometre kan brukes i forbindelse

med denne oppfinnelse, innbefattet instrumenteringsakselerometre som har en eller flere følsomhetsakser. Når det brukes et akselerometer som transduser 5 vil brukeren høre lyder fra høytaleren 8 som intuitivt kan fortolkes som indikasjoner på struktur, hårdhet og en generell "føling" av det objekt

som berøres av gripepartiet 2 på manipulatorarmen 1. De forskjellige lyder som frembringes ved berøring av stål i motsetning til plastmaterialer, kan lett skjelnes fra hverandre og kan tolkes av brukeren slik at dette representerer en meget god hjelp til en hendig operasjon av manipulatorenheten.

Et ytterligere trekk som fremkommer ved bruk av denne oppfinnelse er at vibrasjoner som har å gjøre med operasjonen av manipulatorarmen, kan høres, hvilket gir brukeren tilleggs-informasjon om aktuatorhastigheter, -krefter og andre beslektede ytelsesparametre. I praktisk bruk er det funnet at fokuserings-motoren på et montert videokamera klart kan høres, og det samme gjelder forskjellige manipulator-motordrivanordninger, hvilket gir operatøren et ytterligere middel til å overvåke og finne feil i forskjellige manipulatordeler og tilknyttet eller montert utstyr.

Ved stiv montering av et akselerometer på gripepartiet

2 av manipulatorarmen 1 blir det oppnådd en sterk reduksjon av virkningen av støy i det omgivne miljø. Ved undervanns-anvendelser vil omgivelsesstøy være helt øredøvende ved av-føling med en hydrofon plassert nær (men ikke meknisk koblet til) manipulatoren 1. Omgivelsesstøyen vil imidlertid ikke ha en slik fremtredende virkning på utgangen av et akselerometer som er stivt festet til armen slik som vist på figur 1. Grunnen til dette er at akustisk støy i omgivelsene ville måtte være sterk nok til å akselerere manipulatorenheten 1, for å avstedkomme et utgangssignal fra akselerometertrans-duseren 5. Følgelig kan det ved hjelp av foreliggende oppfinnelse fremskaffes nyttig informasjon vedrørende strukturen og andre berøringsegenskaper ved det objekt som blir manipu-lert, selv i meget støybelastede omgivelser. Dette anvendelses-område viser noen iboende fordeler ved å bruke et akselerometer i stedet for en vanlig mikrofon, som ville være mer følsom for vibrasjoner i det omgivende vann hvis den ikke på en eller annen måte skjermes akustisk.

Det henvises nå til figur 2. I den foretrukne utførelse

er et instrumenteringsakselerometer 19 stivt montert på en del av manipulatorenheten nær gripemekanismen 2, i likhet med monteringen av transduseren 5 som vist på figur 1. Instrumenteringsakselerometeret anvender typisk en bipolar energisering eller strømforsyning på pluss eller minus 9 volt likestrøm,

og avgir på sin utgang et signal som føres til en forsterker 20 gjennom en kabel 6. Instrumenteringsakselerometeret er typisk innretninger av typen strekklappelement eller potensiometer, men omfatter også mange andre typer, f.eks. piezo-elektriske, dynamiske, (med bevegelig spole) etc. Utgangen fra en hastighetstransduser kan også deriveres for å gi dV/dt, hvilket gir akselerasjonsinformasjon. Forsterkeren 20 som anvendes i forbindelse med det forannevnte instrumenteringsakselerometer, bør innstilles slik at den har en tilstrekkelig forsterkningsgrad til å gi et brukbart utgangssignal for høytaleren 8. I praksis er det brukt en vanlig høykvalitets-forsterker innstilt på 60dB forsterkning, som forsterkeren 20, hvilket har gitt gode resultater. Riktignok er linearitet av transduserresponsen ikke avgjørende, men det er oppnådd gode resultater ved å bruke innretninger som har i det vesentlige en lineær respons på vibrasjonssignaler over en båndbredde på f.eks. 20 hz til 20 khz som er omtrent båndbredden for menneskelig hørsel. Når akselerometeret 19 er mekanisk stivt festet til konstruksjonen av manipulatorarmen 1, vil under-sjøisk støy og trykkvariasjoner innvirke på akselerometerets utgangssignal bare i den utstrekning de bevirker akselerasjon av den forholdsvis store masse som manipulatorenheten representerer. Her igjen er det åpenbart at foreliggende oppfinnelse muliggjør en ytelse som er overlegen sammenlignet med en hydrofon som ikke er festet men plassert i nærheten.

Ved bruk i forbindelse med manipulatorarmer som arbeider problemfritt og som har forholdsvis støysvake drivmekanismer, er det funnet at en enkelt vibrasjonstransduser eller et akselerometer gir meget nyttige utgangssignaler. Det kan imidlertid forekomme anvendelser hvor manipulatorstøy og vibrasjon bevirket av motorer, hydrauliske aktuatorer o.l. bevirker uønsket forstyrrelse som kan elimineres eller i høy grad reduseres, ved hjelp av en utførelsesform av oppfinnelsen som skjematisk vist på figur 3. På figur 3 er forsterkeren 21 en differensialforsterker hvis ene inngang 22 er forbundet med en annen vibrasjonsfølsom transduser 23 som er montert nær den del av manipulatorenheten som frem-bringer den uønskede støy. Utgangen av transduseren 19 er forbundet med en inngang 24 på differensialforsterkeren 21. Som tidligere forklart er transduseren 19 montert nær gripepartiet på manipulatorenheten slik at det blir oppnådd berørings-informasjon så nær som mulig ved gripeflaten. Utgangssignalet fra differensialforsterkeren 21 utnyttes til å drive høytaleren 8 som når systemet er riktig innstallert, gjengir et signal som representerer differansen mellom støyen og det ønskede vibrasjonssignal avfølt ved gripeflaten, hvilket er en kombi-nasjon av støy og ønsket signal. Den resulterende sum bør være et forholdsvis støyfritt signal. En anordning 25, som skjematisk er vist som et potensiometer, kan brukes til å variere det relative nivå av transduserutgangssignalet for å optimalisere de støyundertrykkende virkninger ved den differensielle forsterkning som utføres av forsterkeren 21.

Det kan også anvendes andre velkjente støyundertrykkelses-teknikker, f.eks. slike som brukes i de kommersielt tilgjengelige støyundertrykkende mikrofoner som brukes ved radiokommunikasjon.

Claims (9)

1. Apparat til å gi sansbar tilbakekoblingsinformasjon til operatøren av en fjernstyrt manipulatorenhet, karakterisert ved en vibrasjonsfølsom transduser som er innrettet til å avgi et elektrisk utgangssignal, hvilken transduser er mekanisk koblet til manipulatorenheten, og en anordning til hørbart å gjengi utgangssignalet fra transduseren for at operatøren skal kunne lytte til dette.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at transduseren er at akselerometer.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved at manipulatoren omfatter en håndlignende gripemekanisme og at akselerometeret er stivt montert på en del av manipulatorenheten nær gripemekanismen.

4. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at transduseren er en mikrofon.

5. Apparat ifølge krav 3, hvor manipulatorenheten har en støyproduserende del, karakterisert ved en annen vibrasjonsfølsom transduser som er innrettet til å avgi et elektrisk utgangssignal, hvilken annen transduser er montert nær den støyproduserende del av manipulatorenheten, hvilken første transduser er montert nær og er mekanisk koblet til gripepartiet på enheten, en differensialforsterker med en utgang forbundet med utgangen av den første transduser og den annen inngang forbundet med utgangen av den annen tranduser, og en anordning forbundet med utgangen av differensialforsterkeren for hørbar gjengivelse av et signal som representerer differansen mellom utgangssignalene fra transduserne.

6. Apparat ifølge krav 5, karakterisert ved en anordning til å variere de relative nivåer av transduser-utgangssignalene, for å optimalisere de støyundertrykkende virkninger av den differensielle forsterkning som utføres av differensialforsterkeren.

7. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at transduseren har i det vesentlige lineær respons på vibrasjonssignaler over en båndbredde svarende til det normale område for menneskelig hørsel.

8. Fremgangsmåte til å gi sansbar tilbakekoblingsinformasjon til brukeren av en fjernstyrt manipulatorenhet, karakterisert ved at det genereres et elektrisk signal svarende til den vibrasjon som forekommer i manipulatorenheten, og at det nevnte signal gjengis hørbart for operatøren.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at det elektriske signal frembringes av et akselerometer som er mekanisk festet til manipulatorenheten.