CN107208714B - 具有磁流变流体离合器装置的缆绳驱动系统 - Google Patents

Abstract

张紧组件包括输出构件。磁流变流体离合器装置被配置为接收一定程度的致动(DOA)并且连接到输出构件，磁流变流体离合器装置可致动以通过受控的滑动选择性地将接收的DOA通过输出构件传递。张紧构件连接到输出构件，以便在磁流变流体离合器装置致动时由输出构件拉动，张紧构件的自由端适于在由输出构件拉动时施加传递到输出的拉动作用。张紧组件或可比较的压缩组件可用于系统和机械臂中。还提供了一种用于控制由张紧组件或压缩组件驱动的输出部的运动的方法。

Description

具有磁流变流体离合器装置的缆绳驱动系统

技术领域

本申请总体上涉及磁流变(MR)流体离合器装置，更具体地，涉及使用这种装置的缆绳驱动系统。

背景技术

目前的分布式电力设备依赖于液压或电磁致动。液压致动对于机械堵塞是可靠的，但是从根本上限制了动态响应和效率。此外，液压系统在商业应用中的实施可能有问题，因为液压容易泄漏，导致维护成本增加。此外，液压致动是硬件密集的。

电磁致动为液压致动提供了清洁的替代方案。对于高动态应用，机电致动的最普通形式在直驱电机中发现，它是非常重的。通过提供电动机和末端执行器之间的减速比，可大大减少设备重量。实际上，当耦合到减速齿轮箱时，机电致动器比直接驱动解决方案更轻且便宜，但是其高输出惯量、摩擦和齿隙可能降低其动态性能。

磁流变(MR)流体离合器(磁流变液离合器)装置被称为用于以精度和准确度从驱动轴传递运动的有用装置，这可增强机电致动系统的性能。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种使用用于转矩传递的磁流变流体的新型缆绳驱动系统。

因此，根据本申请的第一实施例，提供了一种张紧组件，包括：输出构件；磁流变流体离合器装置，被配置为接收一定程度的致动(DOA)并且连接到所述输出构件，所述磁流变流体离合器装置可致动以通过受控的滑动选择性地将接收的DOA通过所述输出构件传递；张紧构件，连接到所述输出构件，以便在所述磁流变流体离合器装置致动时由所述输出构件拉动，所述张紧构件的自由端适于在由所述输出构件拉动时施加传递到输出的拉动作用。

进一步地，根据第一实施例，所述输出构件和所述张紧构件是轮或滑轮和缆绳或钢筋以及链环和链条中的任一个。

又进一步地，根据第一实施例，液压传动装置与所述张紧构件相关联。

又进一步地，根据第一实施例，所述液压传动装置包括：主缸，连接到所述张紧构件以将所述拉动作用转换成液压；从动缸，适于将所述液压传递到所述输出部；以及液压软管，在主缸和从动缸之间，用于在它们之间传输液压。

又进一步地，根据第一实施例，所述液压传动装置位于连接到所述输出构件的张紧构件的一端与所述张紧构件的自由端之间。

根据本公开的第二实施例，提供了一种系统，包括：至少一个如上所述的张紧组件；以及被配置为在所述输出部上提供力的装置，该力与在所述输出部上的所述至少一个压缩组件传递的拉动作用相反。

进一步地，根据第二实施例，用于提供所述拉动作用的装置是所述张紧组件中的另一个。

又进一步地，根据第二实施例，所有张紧组件被配置为共享提供所述DOA的单个动力源。

又进一步地，根据第二实施例，用于提供所述力的装置是偏置构件。

又进一步地，根据第二实施例，制动系统适于在不处于自由状态模式的情况下将输出部锁定在期望位置。

又进一步地，根据第二实施例，所述输出部被限制为沿着至少一个自由度(DOF)运动；动力源提供所述DOA，所述DOA为旋转DOA；由此通过控制所述至少一个张紧组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述输出部沿所述至少一个DOF的运动。

又进一步地，根据第二实施例，所述输出部是由通过关节相互连接的主体形成的机构，所述输出部由至少等于DOF+1个偏置构件的多个张紧组件约束，所述DOF是该机构的自由度数。

又进一步地，根据第二实施例，所述输出部是操纵杆。

又进一步地，根据第二实施例，所述输出部是摩擦离合器。

根据本公开的第三实施例，提供一种机械臂，包括：至少两个主体，其中所述主体中的基础主体被配置为连接到基部，并且所述主体中的端部主体被配置来支撑工具；至少一个运动关节，串联地互连所述主体，并且在所述主体之间提供至少一个自由度(DOF)；以及如上所述的张紧组件中的至少两个，所述张紧组件施加传递到所述至少一个运动关节的相反的拉动作用；由此通过控制所述张紧组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述主体相对于彼此以所述至少一个DOF运动。

进一步地，根据第三实施例，每个串联连接的一对主体之间的所述至少一个运动关节中的每一个提供至少两个DOF，所述机械臂由至少等于DOF+1个偏置构件的多个张紧组件约束，DOF是所述主体和所述运动关节的组件的自由度数。

又进一步地，根据第三实施例，所述从动缸连接到所述主体，并且其中，所述主缸和所述磁流变流体离合器装置连接到基部。

又进一步地，根据第三实施例，所有张紧组件被配置为共享安装到所述基部的单个动力源。

又进一步地，根据第三实施例，所述至少一个运动关节包括共享共同托架的两个旋转关节，所述两个旋转关节中的一个旋转地连接到所述主体中的第一个，所述两个旋转关节的另一个旋转地连接到所述主体的第二个。

根据第四实施例，提供一种压缩组件，包括：磁流变流体离合器装置，被配置为接收一定程度的致动(DOA)，所述磁流变流体离合器装置可致动以通过受控的滑动选择性地传递所述DOA；主缸，连接到磁流变流体离合器装置，以将其致动转换成液压，从动缸，适于将所述液压传递到输出部；和液压软管，在所述主缸和所述从动缸之间，用于在它们之间传输液压。

根据本公开的第五实施例，提供一种系统，包括：如上所述的压缩组件中的至少一个；和被配置为在所述输出部上提供力的装置，该力与在所述输出部上的所述至少一个压缩组件传递的液压相反。

进一步地，根据第五实施例，用于提供所述力的装置是所述压缩组件中的另一个。

又进一步地，根据第五实施例，所有压缩组件被配置为共享提供所述DOA的单个动力源。

又进一步地，根据第五实施例，所述用于提供所述力的装置是偏置构件。

又进一步地，根据第五实施例，制动系统适于在不处于自由状态模式时将所述输出部锁定在期望位置。

又进一步地，根据第五实施例，所述输出部，所述输出部被限制为沿着至少一个自由度(DOF)运动；动力源提供DOA，所述DOA为旋转DOA；由此通过控制至少一个压缩组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述输出部沿至少一个DOF的运动。

又进一步地，根据第五实施例，所述输出部是由通过关节相互连接的主体形成的机构，所述输出部由至少等于DOF+1个偏置构件的多个压缩组件约束，DOF是所述机构的自由度数。

根据本公开的第六实施例，提供了一种用于在至少一个自由度(DOF)中控制输出部的运动的方法，包括：获得至少一个程度的致动(DOA)；控制第一磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第一构件将至少一部分DOA转化为在至少一个DOF的第一方向上的在所述输出部上的作用；以及控制至少第二磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第二构件将至少一部分DOA转化为在至少一个DOF的第二方向上的在所述输出部上的作用，该作用与由所述第一磁流变流体离合器装置做出的动作相反。

又进一步地，根据第六实施例，获得所述至少一个DOA包括从用于所有磁流变流体离合器装置的公共动力源获得所述至少一个DOA。

又进一步地，根据第六实施例，控制所述第一磁流变流体离合器装置的滑动包括用第一构件将至少一部分DOA转化为在所述输出部上的拉动作用，所述第一构件是张紧构件。

又进一步地，根据第六实施例，控制所述第二磁流变流体离合器装置的滑动包括用第二构件将至少一部分DOA转化为在所述输出部上的拉动作用，所述第二构件是另一张紧构件。

又进一步地，根据第六实施例，控制所述第一磁流变流体离合器装置的滑动包括用第一构件将至少一部分DOA转化为在所述输出部上的推动作用，所述第一构件是压缩构件。

又进一步地，根据第六实施例，控制所述第二磁流变流体离合器装置的滑动包括用第二构件将至少一部分DOA转化为在所述输出部上的推动作用，所述第二构件是另一压缩构件。

又进一步地，根据第六实施例，所述输出部具有一个以上DOF，并且其中，控制所述磁流变流体离合器装置的滑动包括相反地与用于所述DOF中的每一个的所述磁流变流体离合器装置的动作相反。

附图说明

图1是在本公开的缆绳驱动系统中使用的磁流变流体离合器装置的示意图；

图2是根据本公开的使用磁流变流体离合器装置的缆绳驱动系统中的电力分配布置的示意图；

图3是使用具有用于末端执行器的相反位移的一对磁流变流体离合器装置的公共动力源的缆绳驱动系统的示意图；

图4是在两个旋转自由度中使用具有用于末端执行器的位移的磁流变流体离合器装置的公共动力源的缆绳驱动系统的示意图；

图5是图4的缆绳驱动系统的透视图，其设置有两对用于末端执行器的相反位移的磁流变流体离合器装置；

图6A是一种缆绳驱动系统的示意图，该系统使用具有一对磁流变流体离合器装置的公共动力源，以控制由运动关节串联连接的主体的运动，其中动力源在主体上；

图6B是一种缆绳驱动系统的示意图，该系统使用具有一对磁流变流体离合器装置的共同动力源的，以控制由运动关节串联连接的主体的运动，其中在基部上具有共享动力源；

图7A是基于图2至6B的系统的机械臂的透视图；

图7B是图7A的机械臂的中间体的透视图；

图7C是图7A的机械臂的功率模块的透视图；

图7D是图7A的机械臂的功率模块的另一实施例的透视图；

图7E是图7D的功率模块的横截面视图；

图8是结合车辆摩擦离合器使用的磁流变伺服液压致动器系统的示意图；以及

图9是使用具有用于末端执行器的相反位移的一对磁流变流体离合器装置的公共动力源的流体驱动系统的示意图。

具体实施方式

参考附图，更具体地参考图1，其中示出了被配置为基于接收的输入电流提供机械输出力的通用磁流变(MR)流体离合器装置10。图1的MR流体离合器装置10是可在下文描述的系统中使用的MR流体离合器装置的简化表示。在下文描述的系统中使用的MR流体离合器装置可具有额外的组件和特征，诸如鼓、冗余电磁体、MR流体膨胀系统等。

MR流体离合器装置10具有带径向盘13的驱动构件12，该组件也称为输入转子。MR流体离合器装置10还具有带环形板15的从动构件14，其中环形板15与径向盘13缠绕，以定义填充有MR流体16的环形室，环形室由壳体17限定，壳体17是从动构件14不可或缺的部分。从动构件14和环形板15的组件也称为输出转子。在图1的实例中，驱动构件12可以是与电力输入机械联通的输入轴，并且从动构件14可与电力输出(即力输出，转矩输出)机械联通。MR流体16是一种智能流体，其由设置在载体流体中的可磁化颗粒组成，所述载体流体通常是一种油。当经受磁场时，流体可能增加其表观粘度，潜在地到成为粘塑性固体的点。表观粘度由操作剪切应力和包括在相对剪切表面之间的MR流体的操作剪切速率之间的比率限定——即驱动侧的径向盘13与环形板15和环形室17中的壳体17的壁的操作剪切速率。磁场强度主要影响MR流体的屈服剪切应力。可通过经由控制器的使用，改变由集成在壳体17中的电磁体18产生的磁场强度，即输入电流，来控制处于流体的有效(“接通”)状态的流体的屈服剪切应力。因此，MR流体的传递力的能力可用电磁体18来控制，从而用作构件12和14之间的离合器。电磁体18被配置为改变磁场的强度，使得构件12和14之间的摩擦足够低以允许驱动构件12与从动构件14自由旋转，反之亦然。

参考图2，根据本公开的缆绳驱动系统总体以20表示。缆绳驱动系统20具有n个MR流体离合器装置10，其经由由动力源21驱动的公共动力轴22从单个动力源21接收转矩输入。例如，动力源21可以是电动机，尽管也可使用诸如液压电机的其他类型的动力源，在许多其他实例中。

MR流体离合器装置10各自配备有输出构件23，在该输出构件23上安装有缆绳24，以形成张紧组。输出构件实际上可连接到MR流体离合器装置10的从动构件14(图1)，以便与其一起旋转。但是，输出构件也可具有从动构件14和输出构件23之间的机构，而不是直接驱动。例如，输出构件23可包括减速齿轮箱。表述“输出轮”用作包括等效部件的表述，诸如滑轮、链环、链轮、螺母、螺钉、杠杆臂等。同样，表述“缆绳”用作包括等效部件的表述，诸如钢筋束、绳、皮带、链条等张紧构件。缆绳类型的选择是基于输出轮的类型。缆绳24具有附接到输出轮23的端部，附接到输出组件的自由端25，缆绳的长度围绕输出轮23缠绕。输出轮23的旋转，例如由从动构件14(图1)驱动，可将额外的缆绳长度卷绕到输出轮23上，导致在缆绳24的自由端处的拉动作用。可替代地，对自由端25的拉动作用可能导致解开来自输出轮23的缆绳24，例如当MR流体离合器装置10处于滑动状态时，即当自由端25上的拉动作用超过从动构件14产生的力时。缆绳驱动系统20具有单个程度的致动的n个输出。使用连续滑动MR流体离合器装置10作为缆绳驱动系统20中的张紧器，允许从许多输出中的单个动力源21进行转矩分配，以驱动可能的多个DOF。尽管MR流体离合器装置10只能在由动力源驱动的方向上产生转矩，但在缆绳驱动系统的情况下这不是问题，因为缆绳固有地不能有效地传递压缩负载。

图2的缆绳驱动系统的一个具体实施例在图3中示出为30。由于缆绳驱动系统30具有与图2的缆绳驱动系统20相同的组件，相同的组件将具有相同的附图标记。缆绳驱动系统30具有一对MR流体离合器装置，其中一个示为10A，另一个示为10B，装置10A和10B连接到公共动力源(未示出)，如图2的系统20的情况。MR流体离合器装置10A和10B经由缆绳24连接到公共的末端执行器31。公共的末端执行器31被示出为枢转臂，通过枢轴33安装到基部32。因此，末端执行器31可以以一个旋转自由度(DOF)移动。尽管由公共动力源驱动，MR流体离合器装置10A和10B在末端执行器31上提供了相反的拉动作用，以能够进行往复运动。而且，尽管末端执行器31被示出为可沿一个旋转DOF移动，但是末端执行器31可通过平移关节连接到基部32，由此系统30将提供平移DOF。还考虑提供单个MR流体离合器装置10，并且因此提供连接到末端执行器31的单个缆绳24，具有由诸如联动装置、弹簧、重力、其他类型的致动器等的偏置构件(未示出)提供的相反力。偏置构件还可包括更复杂的机构，诸如伺服系统、线性致动器等。换句话说，可使用能够对末端执行器31施加相反力的任何机构。这对于下面提供的给定实施例是同样适用的。

在典型的相反的缆绳驱动致动系统中，通常每个自由度(DOF)使用一个致动器。因此，每个致动器必须设计成满足其所驱动的自由度的最大负载。由于缆绳不能传递压缩负载，DOF由两个致动器致动。因此，每个DOF由两个相反的致动器致动，并且通常由于它们的相反作用，一次仅一个被致动。例如，如果需要沿顺时针方向生产负载，则顺时针致动器(CWA)被供电，并且逆时针致动器(CCWA)被断电，反之亦然，如果需要在其他方向产生负载的话。

相反，当在图3的系统30中集中动力源21(图2)时，所得到的系统可导致紧凑且轻质的设计。此外，由于连续滑动MR流体离合器装置将动力源21的惯性从末端执行器31解耦，所以可使用诸如与高比例减速齿轮箱耦合的高速电动机的轻质动力源，而不影响系统的动态性能。此外，可根据应用来调整动力源21的所需负载，从而进一步减轻重量。例如，由于缆绳驱动系统30利用纯粹的相反致动布置，因此不需要动力源21来产生正在驱动的两个连续滑动MR流体离合器装置10的负载能力的总和，因为每对中只有一个可同时处于有效状态。因此，动力源21可设计为仅总负载要求的大约一半(即，滑移中离合器装置的“断开状态或自由状态”功率大于零)。该原理不仅适用于相反架构的情况，而且也适用于多个输出不需要在其最大负载下同时被致动的任何应用中。

当保持滑动并与作为动力源21的齿轮电机一起使用时，缆绳驱动系统30中的MR流体离合器装置10将电机的动态行为从输出解耦，导致低的输出惯性和高的控制质量，因为齿轮电机21的高输出惯性没有在系统输出处反映。缆绳驱动系统30还可提供增加的力精度，因为齿轮电机的非线性行为(例如嵌齿、齿轮间隙、摩擦力)被MR流体离合器装置过滤。缆绳驱动系统30还具有相对较低的质量和减少的组件数量，因为公共齿轮电机21产生的负载可在多个输出之间共享。在一些应用中，缆绳驱动系统30可以是可靠的，因为当冗余电机可用作备用时，故障的齿轮电机可在离合器分离之后与输出断开。

参考图4和5，使用缆绳系统20和30的概念的又一个实施例在40示出。由于缆绳驱动系统40具有与图2的缆绳驱动系统20相同的组件，相同的组件将具有相同的附图标记。缆绳驱动系统40具有四个MR流体离合器装置10。MR流体离合器装置10连接到公共动力源21。

MR流体离合器装置10经由缆绳24连接到共同的末端执行器41。公共末端执行器41被示出为旋转臂，通过万向关节43(或其他关节，诸如通用关节和球形关节)安装到基部42。因此，末端执行器41可在两个旋转DOF中移动，但是也可提供其它关节布置，以将末端执行器约束成沿着一个平移DOF和一个旋转DOF或两个平移DOF运动。尽管由公共动力源21驱动，MR流体离合器装置10在末端执行器41上提供了相反和补充的拉动作用，以实现在至少两个旋转DOF中的移动。

在图5的具体配置中，两个旋转DOF中的每一个由两个相反MR流体离合器装置10的相应张紧组(即，设置在万向关节43的相对侧)控制。但是，可能仅使用三个MR流体离合器装置10来控制两个旋转DOF。同样地，图5的四个MR流体离合器装置10可用于控制三个旋转DOF，通过将缆绳25交叉以控制围绕末端执行器41的纵向轴线的旋转。

缆绳驱动系统40可利用具有高减速比齿轮箱的高速电动机作为单个集中式动力源21。锥齿轮44(包围在图5中的壳体50中)用于将动力传递到向缆绳24施加张力的四个MR流体离合器装置10的驱动构件。相反张紧组的锥齿轮44相对于驱动锥齿轮是同轴的和径向相对的。缆绳引导件51可存在以将缆绳24路由在限制的体积内。

缆绳驱动系统30和40可被适配和优化以匹配具体应用的特定要求。例如，缆绳驱动系统40的布置可用在主动操纵杆中。主动操纵杆能够实时地将力反馈调制到操作者，与传统的被动操纵杆相反，对于传统的被动操纵杆，力-位移特性不能改变。基于缆绳驱动系统40的主动操纵杆可具有高动态响应，高的力能力并且重量轻。基于缆绳驱动系统30和40的这种主动操纵杆的最终用途在许多应用领域中是众多的，包括非排他性消费者移动车辆、重型设备、材料处理设备、医疗应用(机械辅助手术)、航空航天等)。在另一种情况下，缆绳驱动系统40的布置可用作机械臂。在另一种情况下，缆绳驱动系统40的布置可用于引导液压回路的流体。在另一种情况下，缆绳驱动系统40可用于引导气体，以便用作引导飞机的推力矢量系统。

参考图6A和6B，使用缆绳系统20、30和40的概念的又一实施例在60示出。由于缆绳驱动系统60具有与图2的缆绳驱动系统20相同的组件，相同的组件将具有相同的附图标记。缆绳驱动系统60可被描述为具有主体60A，60B，60n(通常在机器人技术中也称为连杆构件或连接件)，通过运动关节61(枢轴、球关节，滑块等)彼此连接，并且通过诸如缆绳24的有限刚度元件彼此连接。缆绳驱动系统60在基部63中具有功率模块或源62。动力源62将其输出传输到一对MR流体离合器装置10，每个MR流体离合器装置10支撑输出轮23和缆绳24，其中MR流体离合器装置10组装到基部63，以便共享从动力源62输出的功率(例如，以类似于图2-5所示的布置的方式)。

缆绳24的自由端连接到主体60A，以便对主体60A施加拉动作用。主体60A通过其连接到运动关节61被限制于给定运动，并且通过MR流体离合器装置10的致动来控制缆绳24的拉动作用，以便选择性地控制主体60A的运动。主体60A，60B，60n可具有与基部63类似的配置，即每个具有其自己的动力源62、MR流体离合器10、输出轮23和缆绳24，串联地连接主体60A，60B，60n。主体60A，60B，60n也可具有与包括基部63的配置不同的配置。例如，主体60A，60B，60n中的每一个或几个可具有MR流体离合器装置10、输出轮23和缆绳24，串联地连接主体60A，60B，60n，所有主体具有MR流体离合器装置10，使用来自基部源62的动力(即，动力可由旋转的柔性轴分配)。

可替代地，如图6B所示，基部63中的单个动力源62可由基部63上的多个MR流体离合器装置10共享，近侧主体60A上的缆绳引导件65可施加张力在远端主体60B等上。缆绳引导件65可以是惰轮、柱等。

再次，有限刚度元件(即，缆绳24)中的张力由MR流体离合器装置10控制。因此，施加在主体60A，60B，60n上的负载及其相对于彼此的运动可以以高动态性能精确控制。

参考图7A-7C，在机械臂70中示出了图6A和6B的缆绳系统的实施例。机械臂70是在其输出端具有夹持器71的类型。夹持器71是可用作机械臂70的端部的许多可能的工具之一，并且被简单地提供为实例。例如，夹持器71独立于机械手臂70的致动而致动，因为夹持器71仅需要移动其手指并在其手腕处旋转。出于说明的目的，可用作夹持器71的替代物的其它工具包括镊子、钻头、钳子，仅举几个例子。

机械臂70被示出为具有主体60A，60B和60C的4-DOF臂，因为4个旋转DOF提供在基部63和支撑夹持器71的主体60C的部分之间。再次，这是许多可能性之一，如图6A和6B解释的，可能有更多或更少的主体，具有更多或更少的DOF，DOF是平移和/或旋转。

为了便于说明并避免冗余，参考图7B仅详细描述图7A所示的中间体60B在主体60A和60C之间，但是基础主体60A和端部主体60C具有相似的组件。所示的中间体60B通过运动关节61连接到端部主体60C，运动关节61包括多个组件。运动关节61实际上可包括固定到主体60B的第一旋转关节72，第一旋转关节72具有一对滑轮或等同物，72A和72B，两者同时围绕轴线θ1旋转。滑轮72A和72B同时可旋转，因为它们彼此固定。滑轮72A和72B的旋转将导致托架73的旋转，再次绕轴线θ1旋转。镜像或相似的布置还提供在与中间体60B相接的端部主体60C的一端，如旋转关节74所示，托架73由作为运动关节61的一部分的旋转关节72和74共享。因此，运动关节61提供机械臂70的四个旋转DOF中的两个，分别通过关节72和关节74围绕轴线θ1和θ2。

滑轮72A和72B分别连接到缆绳或等同物24A和24B，但是在相反的卷绕方向上，使得缆绳24A提供顺时针旋转，并且缆绳24B提供相反的逆时针旋转。考虑使用诸如图6B中的65所示的缆绳引导件将缆绳24A和24B直接路由到MR流体离合器装置。但是，示出了液压传动装置的使用，作为替代。在涉及更多DOF和更广泛运动的给定系统中，液压传动装置可能是实际的替代方案，因为液压软管的路线选择可能比缆绳路线选择复杂。

对于旋转关节72，相反致动由从动缸75A和75B提供。从动缸75A具有可沿XA移动的杆76A，以拉动缆绳24A，从而旋转滑轮72A，即，附着有“A”的组件。同样，从动缸75B具有沿XB移动的杆76B，以拉动缆绳24B，从而旋转滑轮72B，即，附着有“B”的组件。在描述中，这里使用缆绳以提供更大的移动幅度。但是，类似于后面描述的用于图9的机构，活塞杆76A，76B，76C可直接附接到滑轮72A，72B，72C，只要将适当的关节(例如，旋转关节)安装在活塞杆76和相应的滑轮72之间，并且只要缸75可相对于主体60的结构组件旋转。每个从动缸75A和75B具有其自己的专用MR流体离合器装置10，如图7C稍后所示，提供必要的液压和流体运动以产生相反力控制，这可导致旋转关节72的受控运动。

图7B还示出了朝向基础主体60A定向的另一对从动缸75C和75D。从动缸75C和75D以与旋转关节72所述相同的方式控制另一个旋转DOF。附图右手侧的组件基本上与左手侧相同，凭此右手侧的操作是不言自明的。主体60B被示为使用框架构件60B1以用作运动关节61之间的刚性连接。缸75的主体也可与连接板和相关联的硬件一起用作框架构件。任何可能的框架布置被认为并且可用于确保可旋转组件，即旋转关节72和74尤其可在其轴线被固定就位时旋转。

参考图7C，通用功率模块62被示出为具有驱动输出轴22的电动机21。功率模块62用于致动和控制机械臂70的运动。有利地，功率模块62的重量不被机械臂70支撑，并且可替代地在单独的结构上，使得机械臂70不需要承受功率模块62的重量。MR流体离合器装置10A-10H，同时称为10，每个被固定到输出轴22。每个MR流体离合器装置10具有滑轮或等效物23，其中与之前描述的实施例类似的方式围绕该滑轮或等效物23卷绕缆绳或等效物24。通过缆绳24，每个MR流体离合器装置10拉动相应的杆77(从杆77A-77H)。杆77各自与主缸78(即，缸78A-78H中的一个)相关联，由此拉力将在液压软管79(即，管子、管道等)处产生液压流量或压力供应。参见图7A，软管79(即79A-79H)的线束分散到单独的软管79中，每个到达相关联的从动缸，如图7A所示，而不是图7B，在图7B中，软管79不存在以简化该图。例如，图7C中的主缸78A和78B可分别连接到图7B中的从动缸75A和75B。因此，主缸78将由MR流体离合器装置10产生的机械拉动转换为液压，液压被从动缸75重新转换为机械拉动，从而产生相反力和运动。因此，机械臂70在其MR运动中受益于MR流体离合器装置10的动态响应。可使用单个动力源即电机21来致动机械臂70的多个DOF，运动的控制由来自MR流体离合器装置10的选择性耦合输入提供，由控制器操作(包括处理器单元和适当的控制模块)。

当相关联的MR流体离合器装置10A中的一个通过拉动缆绳24A(并且因此在滑轮23A上缠绕缆绳24A)而引起拉动作用时，每对相反从动缸(例如，对75A和75B)提供相反力，另一个MR流体离合器装置10B可能处于受控滑动状态。受控滑动导致液压传动装置和缆绳24B中的压力释放。因此，缆绳24B围绕滑轮72B缠绕(图7B)。因此，杆76B被缆绳24B拉动，从而从动液压缸75B相对于主缸78B(图7C)暂时变为主缸。这导致杆77B缩回到主缸78B中，并且在MR流体离合器装置10B处解开缆绳24B的缠绕。因此，如先前所建议的那样，电动机21不会同时向全部张力组传递全部力，这是由于张紧组对的相反操作。

参考图7D和7E，功率模块的另一布置被示出为62’，并且具有驱动多个MR离合器装置10的输入的电动机21。功率模块62’用于致动和控制机械臂70的运动(图7A-7B)。同时称为10的MR流体离合器装置10A-10H彼此可操作地连接，用于将电动机21的电力输入传递到所有MR流体离合器装置10。MR流体离合器装置10布置在两行中，第一行包括彼此啮合的沿第一方向旋转的MR流体离合器装置10A-10D，第二行包括彼此啮合的沿第二方向旋转的MR流体离合器装置10E-10H，所述第二方向与第一个方向相反。相反的方向可通过将齿轮21A用作第一排将齿轮21B用作第二排的齿轮布置来实现，接收来自电机21的单个旋转输出以沿相反的方向旋转。

如图7E所示，由相反对10A和10E示出的每个相反对MR流体离合器装置作用在作为从动构件14的一部分的惰螺母14’上。从动构件14被相反对10A和10E共享。但是，驱动构件12A将沿着第一方向旋转从动构件14，而驱动构件12E将沿相反方向旋转从动构件14。因此，相反对(例如，10A/10E)的每个MR流体离合器装置在惰螺母14’上相反地作用。惰螺母14’可连接到螺纹轴14”或类似于任何其他旋转到平移类型的机构，诸如滚珠丝杠，其将会将来自MR流体离合器装置10的旋转转换成方向X上的往复运动，根据相反的旋转方向往复运动。螺纹轴14”在其相对的端部处连接到活塞杆77A和77E，活塞杆77A和77E作用在单作用主缸78A和78E上或在双作用主缸(未示出)上。活塞杆77A和77E可能只能平移，其围绕其主轴线的旋转被一机构(未示出)阻挡。还考虑了其他功率模块布置，图7C和7E的实施例是可能的实施例的两个图示。

上述缆绳驱动系统结合缆绳和输出轮使用MR流体离合器装置，包括如上所述的缆绳和输出轮的所有其它变型或实施例。

完全约束和控制主体上的组件所需的离合器装置10的数量应该多于或等于DOF+1个偏置构件的数量，DOF是机构的自由度数。

要注意的是，如果离合器和主体上的附接点被正确定位，则多于DOF+1个偏置构件的数量的离合器装置10的数目能够产生冗余。

参考图8，磁流变伺服液压致动器系统通常在80示出，并与车辆摩擦离合器一起使用，示意性地示为90。系统80具有与图2的缆绳驱动系统20相同的组件，由此相同的组件将具有相同的附图标记，例如用于MR流体离合器装置10、动力源21(例如，电动机)，输出轮23和缆绳24。系统80可另外包括齿轮箱81。磁流变伺服液压致动器系统80设计成控制转矩，所述转矩通过摩擦离合器90从车辆发动机传递到其驱动轮。系统80可与具有手动传动装置或自动手动传动装置的车辆一起使用，例如以消除使用离合器踏板和/或最小化换档时间。

在系统80中，缆绳24的自由端附接到主缸82的杆上。主缸82用于通过液压软管和储液器84远程地移动从动缸83。从动缸83移动叉85以接合/解除车辆的摩擦离合器90。

在操作中，动力源21的旋转速度通常被限制为确保分离轴承91所需的平移速度导致令人满意的系统性能的值。

当MR流体离合器装置10传递转矩时，缆绳24围绕输出轮23旋转，从而拉动主缸82的杆。液压流体通过软管从主缸82移动到从动缸83，从动缸83的输出通过叉85移动车辆摩擦离合器90的分离轴承91。当MR流体离合器装置10中的电流减小时，摩擦离合器90的弹簧92通过提供相反作用有助于其重新接合。MR流体离合器装置10中的电流水平被控制和调节，以避免损坏车辆离合器90的摩擦界面。当电流消除时，无动力的MR离合器装置的低摩擦转矩导致缆绳24中的最小张力。

如果发现缆绳24中的这种残余张力太高，则系统80可进一步包括恒定的低力设备，诸如安装在输出轮23上的恒定扭力弹簧并联安装并参考底盘，以抵消任何寄生张力，同时不会对系统的导通状态特性产生显著影响。当MR流体离合器装置10未提供动力时，这种设备将减轻转矩对车辆摩擦离合器90可能产生的任何影响，诸如避免装载可能会减少其寿命的分离轴承91。

在系统80中，液压回路(即，主缸82、从动缸83和储液器84)纯粹用作负载传动装置，并且电气硬件可位于车引擎罩的内部或下部。但是，不同的组装可通过将缆绳24的从动端直接附接到车辆摩擦离合器90的叉85来允许液压系统的移除。

系统80可以以“启动”和“换档”两种操作模式使用。在“启动”模式中，系统80的作用是通过控制由摩擦离合器90传递的转矩来确保车辆启动期间道路上轮胎的充分牵引力。在“换挡”模式中，系统80的作用是当驾驶员启动变速并且在变速完成时平滑地重新接合离合器90时，快速地离开离合器90。

系统20，30，40，50，60和80通常配备有控制器(即，处理单元)和输出传感器以控制传递到MR流体离合器装置10的电流以实现所需的输出响应。因此，当系统20，30，40，50，60和80获得DOA时，控制器控制输出沿一个或多个DOF的移动。所述控制器控制第一磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第一张紧构件将至少一部分DOA转化为在至少一个DOF的第一方向上的在所述输出上的拉动；并控制至少第二磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第二张紧构件将至少一部分DOA转化为在至少一个DOF的第二方向上的在所述输出上的拉动，所述拉动与由所述第一磁流变流体离合器装置做出的拉动相反。第二磁流变流体离合器装置可由偏置构件代替—作用在物体上的重力或构件的柔性也包括在偏置构件的列表中—，偏置构件不可控制但仍然对第一磁流变流体离合器装置10提供相反作用。DOA可从用于所有磁流变流体离合器装置的公共动力源获得。在一些系统中，输出具有两个DOF，从而控制第一和第二磁流变流体离合器装置的滑动是在第一DOF中相反地拉动输出，而第三和第四磁流变流体离合器装置的滑动被控制以在第二DOF中相反地拉动输出。

参考图9，以类似的相反方式操作的系统以100示出。但是，代替缆绳，系统100使用流体压力来致动输出的运动，通过液压传动单元，类似于在图7A-7C的机械臂70中使用的那些。在图示的实施例中，系统100具有一对MR流体离合器装置10，尽管未示出，它可从公共动力源接收动力，例如如图2或图4所示。但是，为了简单起见，在图9中未示出动力源和相关联的传动装置。每个MR流体离合器装置10的从动构件14是通过杆103枢转地连接到主缸102的活塞101的臂。系统100可进一步具有从主缸102延伸到另一个缸(从动缸105)的柔性软管104。该从动缸105具有活塞106，并且其杆107枢转地连接到输出108，输出108枢转地安装到枢轴109处的地面。

在操作中，MR流体离合器装置10中的一个的致动导致其相关联的活塞101在相应的主缸102中的移动。加压流体可能因此从主缸102通过软管104行进，并且进入从动缸105。这将导致活塞106的运动，其将推动输出108。另外一个MR流体离合器装置10的致动可导致输出108的往复运动，在该图示的一个旋转DOF的实施例中。

因此，系统100以与系统20，30，40，50，60，70和80类似的相反方式操作，但是具有推动作用(压缩负载)而不是如当使用缆绳时的拉动作用(张紧负载)，由此系统100具有与张紧组相对的压缩组。系统100可被布置成提供额外的输出自由度，例如具有与图4，5，6和7类似的布置。作为图9中的两个MR流体离合器装置10的存在的替代，系统100可使用其他力来执行相反的相对，诸如弹簧、重力等，抵抗其中一个MR流体离合器装置10的作用。

应当注意，两个软管可被插入同一活塞体的不同室中，在输入端或输出端处，相反的相对施加在活塞上，杆向末端执行器传递力。

在又一个实施例中，考虑提供一对一个张紧组(例如，在系统20，30，40，50，60，70和80中)，和一个压缩组(例如，如在系统100中)，以在一输出的相同DOF上提供相反的力。在通过这种布置提供的可能性中，用于张紧组和压缩组的锚定点可在该输出的同一侧、相同区域和/或相同位置上。当空间在输出的一侧稀少时，这可能是有价值的特征。

这些系统20，30，40，50，60，80和100中的任何一个可使用制动器，该制动器可将输出固定在驱动位置延长的时间段，而不必激活到达从动位置的MR流体离合器装置10。这样的目的是为了限制MR流体离合器装置10中的MR流体的磨损，同时系统处于弹簧力或外力的影响下，同时系统处于不动状态。

Claims (34)

1.一种张紧组件，包括：

输出构件；

磁流变流体离合器装置，被配置为接收一定程度的致动并且连接到所述输出构件，所述磁流变流体离合器装置能被致动以通过受控的滑动选择性地将所接收的一定程度的致动通过所述输出构件传递；以及

张紧构件，连接到所述输出构件，以便在所述磁流变流体离合器装置致动时由所述输出构件拉动，所述张紧构件的自由端适于在由所述输出构件拉动时施加传递到一输出部的拉动作用。

2.根据权利要求1所述的张紧组件，其中，所述输出构件和所述张紧构件是以下中的任一个：轮或滑轮和缆绳或钢筋束，以及链环和链条。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的张紧组件，进一步包括与所述张紧构件相关联的液压传动装置。

4.根据权利要求3所述的张紧组件，其中，所述液压传动装置包括：主缸，连接到所述张紧构件以将所述拉动作用转换成液压；从动缸，适于将所述液压传递到所述输出部；以及液压软管，在所述主缸和所述从动缸之间，用于在其间传输液压。

5.根据权利要求4所述的张紧组件，其中，所述液压传动装置位于连接到所述输出构件的所述张紧构件的一端与所述张紧构件的自由端之间。

6.一种驱动系统，包括：

根据权利要求1至5中任一项所述的张紧组件中的至少一个；以及

被配置为在所述输出部上提供力的装置，该力与在所述输出部上的所述至少一个张紧组件传递的拉动作用相反。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，用于提供所述拉动作用的装置是所述张紧组件中的另一个。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所有张紧组件被配置为共享提供所述一定程度的致动的单个动力源。

9.根据权利要求6所述的系统，其中，用于提供所述力的装置是偏置构件。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，进一步包括：制动系统，适于在不处于自由状态模式的情况下将输出部锁定在期望位置。

11.根据权利要求8所述的系统，进一步包括：

所述输出部，所述输出部被限制为沿着至少一个自由度运动；

所述动力源，提供所述一定程度的致动，所述一定程度的致动为旋转的一定程度的致动；

由此通过控制所述至少一个张紧组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述输出部在所述至少一个自由度中的运动。

12.根据权利要求6至9中任一项所述的系统，其中，所述输出部是由通过关节相互连接的主体形成的机构，所述输出部由至少等于自由度+1个偏置构件的多个张紧组件约束，所述自由度是该机构的自由度数。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述输出部是操纵杆。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述输出部是摩擦离合器。

15.一种机械臂，包括：

至少两个主体，其中所述主体中的基础主体被配置为连接到基部，并且所述主体中的一端部主体被配置以支撑工具；

至少一个运动关节，串联地互连所述主体，并且在所述主体之间提供至少一个自由度；和

根据权利要求1至5中任一项所述的张紧组件中的至少两个，所述张紧组件施加传递到所述至少一个运动关节的相反的拉动作用；

由此通过控制所述张紧组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述至少一个自由度中的所述主体相对于彼此的运动。

16.根据权利要求15所述的机械臂，其中，每个串联连接的一对主体之间的所述至少一个运动关节中的每一个提供至少两个自由度，所述机械臂由至少等于自由度+1个偏置构件的多个张紧组件约束，自由度是所述主体和所述运动关节的组件的自由度数。

17.根据权利要求15和16中任一项所述的机械臂，当所述机械臂包括权利要求4所述的张紧组件时，其中，所述从动缸连接到所述主体，并且其中，所述主缸和所述磁流变流体离合器装置连接到基部。

18.根据权利要求17所述的机械臂，其中，所有张紧组件被配置为共享安装到所述基部的单个动力源。

19.根据权利要求15或16所述的机械臂，其中，所述至少一个运动关节包括共享共同托架的两个旋转关节，所述两个旋转关节中的一个旋转地连接到所述主体中的第一个，所述两个旋转关节的另一个旋转地连接到所述主体的第二个。

20.一种压缩组件，包括：

磁流变流体离合器装置，被配置为接收一定程度的致动，所述磁流变流体离合器装置能被致动以通过受控的滑动选择性地传递所述一定程度的致动；

主缸，连接到磁流变流体离合器装置，以将其致动转换成液压，

从动缸，适于将所述液压传递到输出部；以及

液压软管，在所述主缸和所述从动缸之间，用于在其间传输液压。

21.一种驱动系统，包括：

根据权利要求20所述的压缩组件中的至少一个；以及

被配置为在所述输出部上提供力的装置，该力与在所述输出部上的所述至少一个压缩组件传递的液压相反。

22.根据权利要求21所述的系统，其中，用于提供所述力的装置是所述压缩组件中的另一个。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所有压缩组件被配置为共享提供所述一定程度的致动的单个动力源。

24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述用于提供所述力的装置是偏置构件。

25.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，进一步包括：制动系统，适于在不处于自由状态模式时将所述输出部锁定在期望位置。

26.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，进一步包括：

所述输出部，所述输出部被限制为沿着至少一个自由度运动；

动力源，提供所述一定程度的致动，所述一定程度的致动为旋转的一定程度的致动；

由此通过控制所述至少一个压缩组件的磁流变流体离合器装置的致动来致动所述输出部在所述至少一个自由度中的运动。

27.根据权利要求21至24中任一项所述的系统，其中，所述输出部是由通过关节相互连接的主体形成的机构，所述输出部由至少等于自由度+1个偏置构件的多个压缩组件约束，自由度是所述机构的自由度数。

28.一种用于控制输出部在至少一个自由度中运动的方法，包括：

获得至少一个程度的致动；

控制第一磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第一构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述至少一个自由度的第一方向上的在所述输出部上的作用；以及

控制至少第二磁流变流体离合器装置的滑动，以便用第二构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述至少一个自由度的第二方向上的在所述输出部上的作用，该作用与通过所述第一磁流变流体离合器装置的作用相反。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，获得所述至少一个程度的致动包括从用于所有磁流变流体离合器装置的公共动力源获得所述至少一个程度的致动。

30.根据权利要求28和29中任一项所述的方法，其中，控制所述第一磁流变流体离合器装置的滑动包括用所述第一构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述输出部上的拉动作用，所述第一构件是张紧构件。

31.根据权利要求28至29中任一项所述的方法，其中，控制所述第二磁流变流体离合器装置的滑动包括用所述第二构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述输出部上的拉动作用，所述第二构件是另一张紧构件。

32.根据权利要求28和29中任一项所述的方法，其中，控制所述第一磁流变流体离合器装置的滑动包括用所述第一构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述输出部上的推动作用，其中所述第一构件是压缩构件。

33.根据权利要求28至29中任一项所述的方法，其中控制所述第二磁流变流体离合器装置的滑动包括用所述第二构件将至少一部分所述一个程度的致动转化为在所述输出部上的推动作用，其中所述第二构件是另一压缩构件。

34.根据权利要求28至29中任一项所述的方法，其中，所述输出部具有一个以上自由度，并且其中，控制所述磁流变流体离合器装置的滑动包括相反地反作用对于所述自由度中的每一个的所述磁流变流体离合器装置的动作。

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