CN109328272B - 用于磁流变流体致动器单元的多模式控制系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制末端执行器的移动的控制系统，末端执行器连接到至少一个磁流变(MR)流体离合器装置的离合器输出端。离合器驱动器被配置为在受控滑动模式和锁定模式之间驱动至少一个MR流体离合器装置，在受控滑动模式中，MR流体离合器装置的离合器输入端和离合器输出端之间的滑动变化，在锁定模式中，离合器输入端和离合器输出端之间的所述滑动维持为低于给定阈值，离合器输出端将移动传递到末端执行器。马达驱动器被配置为控制至少一个马达的马达输出端，马达输出端联接到离合器输入端。模式选择器模块被配置为接收表示末端执行器的至少一个移动参数的信号，模式选择器模块基于信号选择离合器驱动器的受控滑动模式和锁定模式之间的模式，并基于信号切换选择的模式。移动控制器控制离合器驱动器和马达驱动器，以基于末端执行器的被命令的移动和选择的模式中的至少一个使末端执行器移位，以实现被命令的移动。还提供了一种用于控制连接到MR流体离合器装置的末端执行器的移动的方法。

Description

用于磁流变流体致动器单元的多模式控制系统

相关申请的引用

本申请要求于2016年4月25日提交的美国专利申请No.62/327,102的优先权，所述申请通过引用并入本文。

技术领域

本申请总体涉及磁流变(MR)流体离合器装置，更具体地涉及使用此类装置的拮抗(antagonist)系统。

背景技术

现有技术的分布式功率装置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，在商业应用中实现液压系统可能是有问题的，这是因为液压系统易于泄漏，从而导致增加的维护成本。此外，液压致动是硬件密集的。

电磁致动提供了液压致动的清洁替代方案。对于高动态应用，最常见的机电致动形式出现在直接驱动马达中，所述直接驱动马达非常重。通过在马达和末端执行器之间提供减速比，可以显着减小设备重量。实际上，当联接到减速齿轮箱时，机电致动器比直接驱动解决方案更轻和更便宜，但它们的高输出惯性、摩擦和间隙可降低其动态性能。

MR流体离合器装置已知为对于从驱动轴传递运动而言的有用装置，其具有精度和准确度以及其他优点，其可以增强机电致动系统的性能。

已知MR流体随时间永久地改变性质。这些变化可以非穷尽地包括粘度的变化、根据MR流体中的磁通密度传递剪切应力的能力的变化，以及磁导率的变化。导致性质变化的一个因素是当在剪切情况下请求流体时在流体中消散的能量。当MR流体离合器装置传递扭矩时，发生流体的剪切情况，同时MR流体离合器装置的输入端和输出端之间存在角速度差。在这种情况下，MR流体在MR流体离合器装置的输入端和输出端之间的界面中的表观屈服剪切应力控制从MR流体离合器装置的输入端传递到其输出端的扭矩。在该剪切情况下，MR流体吸收能量，所述能量可以与速度差以及从输入端传递到输出端的扭矩成比例。MR流体离合器装置的传递扭矩越高并且输入转子和输出转子之间的角速度越高，则MR流体中可消散的能量越多，并且MR流体的性质可随时间改变得越大。

发明内容

因此，本公开的目的在于提供一种使用MR流体用于扭矩传递的新型拮抗(antagonistic)系统。

本公开的另一目的在于提供一种用于磁流变流体装置或多个装置的控制系统，所述控制系统解决与现有技术相关的问题。

本公开的又一目的在于提供一种用于控制连接到一个或多个磁流变(MR)流体离合器装置的末端执行器的移动的方法，所述方法解决与现有技术相关的问题。

因此，根据本申请的第一实施例，提供了一种用于控制末端执行器的移动的控制系统，末端执行器连接到至少一个磁流变(MR)流体离合器装置的离合器输出端，所述控制系统包括：离合器驱动器，所述离合器驱动器被配置为在受控滑动模式和锁定模式之间驱动至少一个MR流体离合器装置，在所述受控滑动模式中，MR流体离合器装置的离合器输入端和离合器输出端之间的滑动变化，并且在所述锁定模式中，离合器输入端和离合器输出端之间的所述滑动维持为低于给定阈值，所述离合器输出端将移动传递到末端执行器；马达驱动器，所述马达驱动器被配置为控制至少一个马达的马达输出端，所述马达输出端联接到离合器输入端；模式选择器模块，所述模式选择器模块被配置为接收表示末端执行器的至少一个移动参数的信号，所述模式选择器模块基于信号选择离合器驱动器的受控滑动模式和锁定模式之间的一模式，并基于信号切换选择的模式；以及移动控制器，所述移动控制器用于控制离合器驱动器和马达驱动器，以基于末端执行器的被命令的移动以及选择的模式中的至少一个使末端执行器移位，以使得末端执行器实现被命令的移动。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中接收关于被命令的移动的数据，并根据被命令的移动和至少一个移动参数选择模式。

进一步根据第一实施例，离合器驱动器在实例中向至少一个MR流体离合器装置供应电流以减少滑动。

进一步根据第一实施例，离合器驱动器在实例中向至少一个MR流体离合器装置供应电流以增加滑动。

进一步根据第一实施例，马达驱动器在实例中被配置为改变至少一个马达的马达输出端的强度，并且其中移动控制器确定马达输出端在锁定模式中的强度。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中接收指示与末端执行器手动接触的信号，并在整个手动接触中选择受控滑动模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中接收指示末端执行器在其工作包络中的位置的信号，并基于位置选择模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中确定末端执行器的位置处于工作包络的高可控性部分中，并针对高可控性部分选择受控滑动模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中确定末端执行器的位置处于工作包络的低可控性部分中，并针对低可控性部分选择锁定模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中接收指示末端执行器的速度和加速度中的至少一个的信号，模式选择器模块在速度和/或加速度超出编程阈值时选择受控滑动模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中根据被命令的移动确定末端执行器的方向的改变，模式选择器模块针对末端执行器的方向的改变选择受控滑动模式。

进一步根据第一实施例，模式选择器模块在实例中针对末端执行器的75％-98％的操作选择并维持锁定模式。

根据本公开的第二实施例，提供了一种控制系统和MR流体致动器单元的组件，控制末端执行器的移动，所述组件包括：上述控制系统；至少一个MR流体致动器单元，包括至少一个MR流体离合器装置和至少一个马达，所述至少一个MR流体离合器装置中的每个均具有向末端执行器传递移动的离合器输出端，并具有联接到至少一个马达的输出端的离合器输入端。

进一步根据第二实施例，至少一个MR流体致动器单元在实例中针对马达中的单个马达具有两个MR流体离合器装置。

根据本公开的第三实施例，提供了一种用于控制末端执行器的移动的方法，末端执行器连接到至少一个磁流变(MR)流体离合器装置，所述方法包括：连续感测末端执行器的至少一个移动参数；基于至少一个移动参数和被命令的移动选择MR流体离合器装置的操作模式；驱动联接到MR流体离合器装置的至少一个马达的马达输出端，同时保持MR流体离合器装置的滑动低于给定阈值，以使末端执行器在锁定模式中移位被命令的移动；以及使MR流体离合器装置的滑动改变为超出给定阈值，以使末端执行器在受控滑动模式下继续移位被命令的移动。

进一步根据第三实施例，在锁定模式下驱动马达输出端包括在实例中维持马达输出端的强度固定。

进一步根据第三实施例，改变MR流体离合器装置的滑动包括在实例中向至少一个MR流体离合器装置供应电流以减少滑动。

进一步根据第三实施例，改变MR流体离合器装置的滑动包括在实例中向至少一个MR流体离合器装置供应电流以增加滑动。

进一步根据第三实施例，在锁定模式下驱动马达输出端包括在实例中基于至少一个移动参数和被命令的移动来改变马达输出端的强度。

进一步根据第三实施例，连续感测包括在实例中感测与末端执行器的手动接触，并且其中选择操作模式包括在整个手动接触中选择受控滑动模式。

进一步根据第三实施例，连续感测包括在实例中感测末端执行器在其工作包络中的位置，并且其中选择操作模式包括基于位置选择模式。

进一步根据第三实施例，感测末端执行器在工作包络中的位置包括在实例中确定末端执行器的位置处于工作包络的高可控性部分中，并且其中选择操作模式包括针对高可控性部分选择受控滑动模式。

进一步根据第三实施例，感测末端执行器在工作包络中的位置包括在实例中确定末端执行器的位置处于工作包络的低可控性部分中，并且其中选择操作模式包括针对低可控性部分选择锁定模式。

进一步根据第三实施例，连续感测包括在实例中感测末端执行器的速度和加速度中的至少一个，并且其中选择操作模式包括在速度和/或加速度超出编程阈值时选择受控滑动模式。

进一步根据第三实施例，选择操作模式包括在实例中根据被命令的移动确定末端执行器的方向的改变，并且针对末端执行器的方向的改变选择受控滑动模式。

进一步根据第三实施例，选择操作模式包括在实例中针对末端执行器的75％-98％的操作选择并维持锁定模式。

附图说明

图1是在本公开的系统中使用的MR流体离合器装置的示意图；

图2A是根据本公开的具有永磁体的MR流体离合器装置的局部剖视图，其中线圈处于未通电状态；

图2B是图10的MR流体离合器装置的局部剖视图，其中线圈处于通电状态；

图2C是图2A的MR流体离合器装置的作为电流的函数的扭矩的示意图表；

图3是使用共用动力源的缆线驱动系统的示意图，所述系统具有用于末端执行器的拮抗位移的一对MR流体离合器装置；

图4是使用图1的MR流体离合器装置中的一个或多个的MR流体致动器单元的示意图，其中两个MR流体致动器都连接到减速器并且沿相反方向转动；

图5是使用图1的MR流体离合器装置中的一个的MR流体致动器单元的示意图，其中MR流体致动器用于使马达和减速器从旋转到旋转或旋转到线性转换器分离；

图6是使用图1的MR流体离合器装置中的一个或多个的MR流体致动器单元的示意图，其中所有MR流体致动器连接到相同的减速器并且致动不同的旋转到旋转或旋转到线性转换器；

图7是使用图1的MR流体离合器装置中的一个或多个的MR流体致动器单元的示意图，其中MR流体离合器中的一个连接到固定部分并且一个MR流体离合器连接到减速器；

图8是多模式受控拮抗MR流体离合器装置的示意图；以及

图9是在实施例中用于控制本公开的MR流体离合器装置的控制系统的方框图。

具体实施方式

参考附图并更具体地参考图1，示出了通用磁流变(MR)流体离合器装置10，所述磁流变流体离合器装置被配置为基于接收的输入电流提供机械输出力。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附加部件和特征，诸如板、冗余电磁铁、MR流体膨胀系统等。

MR流体离合器装置10具有带有径向鼓筒13的驱动构件12，该组件也被称为输入转子。MR流体离合器装置10还具有带有鼓筒15的从动构件14，所述鼓筒与鼓筒13缠绕在一起以限定填充有MR流体16的一个或多个柱形腔室，所述柱形腔室(多个柱形腔室)由与从动构件14成一体的壳体17界定。从动构件14和鼓筒15的组件也被称为输出转子。在图1的示例中，驱动构件12可以是与动力输入端机械连通的输入轴，并且从动构件14可以与动力输出端(即，力输出端、扭矩输出端)机械连通。MR流体16是一种智能流体，所述智能流体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，流体可以增大其表观粘度，可能达到粘塑性固体的程度。表观粘度由操作剪切应力与包含在相对剪切表面之间的MR流体的操作剪切速率(即，驱动侧上的鼓筒13的操作剪切速率以及鼓筒15的操作剪切速率以及柱形腔室17中的壳体17的壁的操作剪切速率)之间的比率限定。磁场强度主要影响MR流体的屈服剪切应力。当处于其有效(“接通”)状态时，流体的屈服剪切应力(也就是屈服应力)可以经由控制器的使用、通过改变由集成在壳体17中的电磁铁18产生的磁场强度(即输入电流)来控制。因此，MR流体传递力的能力可以由电磁铁18控制，从而用作构件12和14之间的离合器。电磁铁18被配置为改变磁场的强度，使得构件12和14之间的摩擦可以足够低以允许驱动构件12相对于从动构件14自由旋转，反之亦然。当被供应到驱动构件12的扭矩低于MR流体16能够产生屈服应力的扭矩时，输出构件14的速度与输入构件12相同，并且可减少流体必须消散的的动力量。在剪切情况下，传递一些扭矩，但在输入构件12和输出构件14之间存在相对速度。MR流体允许输入构件12相对于输出构件14的滑动，这可随时间的推移影响MR流体的性质。

参见图2A-图2B，在另一个示意性实施例中示出了MR流体离合器装置10。图2A和图2B的MR流体离合器装置10具有与图1的MR流体离合器装置10类似的许多部件，其中相同的元件将采用相同的附图标记标出，并且在本文没有不必要地重复它们的描述。除了线圈18之外，区别在于存在连接到壳体17的外环形壁28的永磁体25。

如图2A所示，与其中减小滑动需要增大为线圈18供电的电流的图1的MR流体离合器装置10相反，永磁体25用于在MR流体离合器装置10中产生磁场F1，使得装置10可以传递扭矩而无需经由线圈18施加电流。永磁体25被径向磁化并且可以是完整的实心环形部分或单个磁体的组件(诸如柱形磁体)。间隙26(也被称为重定向间隙)使壳体17的外环形壁28的部分(即外磁芯)与内磁芯27分开。

当没有电流被施加到线圈18(断电)时，如图2A所示，根据所示的所述磁通路径，磁场F1存在于MR流体中。一些磁通量在重定向间隙26中循环。重定向间隙26的宽度控制MR流体中所需的磁通量，即所需的断电扭矩。如果重定向间隙26足够宽，则永磁体25感应的几乎所有磁通都通过MR流体，从而导致高断电扭矩。如果重定向间隙26径向变窄，则磁通在MR流体和重定向间隙26之间共享，从而导致较低的断电扭矩。

如图2B所示，当在线圈18中施加电流以使产生的磁场与永磁体25的指示极性相反时，如F2所示，在重定向间隙26中重定向由永磁体25感应的磁通，这导致MR流体16中的磁通的减小，因此MR流体离合器装置10可传递的扭矩减小，并且因此输入构件12和输出构件14之间的滑动增大。在给定的线圈电流强度下，MR流体中的磁通F1几乎可被抵消或不可忽略地减小，并且超出该强度，其将再次增大(如图2C所示)。重定向径向间隙26的宽度也可对线圈18的绕组的尺寸产生影响。如果宽度较大，则需要更大的绕组来重定向磁通。

如果沿相反方向施加电流，则线圈18辅助永磁体25在MR流体中产生磁通，从而导致MR离合器装置10的可传递扭矩增大，再次如图2C所示。

因此，由于永磁体25感应的磁场，MR流体离合器装置10具有可传递扭矩的正常“断电”状态。在该“断电”状态下，也被称为锁定模式，输入构件12和输出构件14之间的滑动低于给定阈值，如果不可忽略或不存在的话，则对于最大额定扭矩传递，只要在输入构件12上提供的扭矩低于MR流体16可传递的扭矩即可。然后对线圈18供电以使MR流体离合器装置10改变滑动并因此减小扭矩传递并最终处于受控滑动模式。该布置是有用的，例如当即使停电，MR流体离合器装置10也必须保持扭矩传递时。永磁体25将具有足够大小的磁场以使MR流体离合器装置10在未通电的情况下支撑负载。值得一提的是，尽管使用永磁体描述了锁定模式，但是可以设想利用图1的MR流体离合器装置10或等效物来操作锁定模式，其中致动线圈18以产生足够大小的磁场，以基本上或完全地去除输入构件12和输出构件14之间的任何滑动。

尽管多模式系统可由单个MR流体离合器装置组成，但是具有使它们与偏置构件拮抗地工作的优点，或者所述多模式系统可完全有效并最少由两个MR流体离合器装置10组成，所述MR流体离合器装置从马达获得其扭矩(诸如电动马达、液压马达或任何其他类型的马达，无论是否齿轮传动)，所述马达以可变速度操作并因此以可变强度操作。多模式系统针对MR流体离合器装置10使用不同的操作模式。模式中的一个是“受控滑动模式”(CSA)，当通过改变被传输通过MR流体离合器装置10的扭矩来控制系统的输出扭矩时获得所述模式。例如，多模式系统可具有两个反向旋转的MR流体离合器装置10。在这种情况下，CSA模式使两个MR流体离合器装置10的输出转子14以不同于离合器装置10的输入转子12的速度转动，因此在两个MR流体离合器装置中发生滑动。在CSA模式中，可以通过如上所述控制电磁铁18中的电流，调节由MR离合器装置10传递的扭矩来控制输出扭矩。通过改变MR流体16的屈服应力来调节MR离合器装置10的传递扭矩。可以通过调节MR流体16中存在的磁场强度来获得MR流体16的屈服应力的变化。CSA模式结合轻型高速电动齿轮传动马达的优点以及由MR流体离合器装置10的滑动实现的高动态性能。当被维持在滑动中时，MR流体离合器装置10使马达的动态行为与输出端分离，从而导致低输出惯量和高控制质量，这是因为齿轮传动马达的高输出惯量不会反映在系统输出端。这也可以导致增大的力准确度，这是因为通过使用齿轮传动元件引起的非线性行为(例如，齿槽效应、齿轮间隙、摩擦)被离合器装置10过滤。由于主齿轮传动马达产生的负载可在多个输出端之间共享，因此这也可以导致部件的低质量和减少的数量，并且/或者在一些应用中，由于故障齿轮传动马达可在离合器分离后从输出端断开，而可导致高可靠性。

另一种模式是“锁定模式”，根据所述模式，至少一个MR流体离合器装置10的传递扭矩对应于小于MR流体16的屈服应力，其中通过改变马达A产生的扭矩和速度(如图4至图8所示)控制系统的输出。在锁定模式中，在至少一个MR流体离合器装置10中，输入转子12以与输出转子14的速度基本相同的速度转动。在预期的实施例中，以多模式使用一对MR流体离合器装置10。当需要高动态性能时，MR流体离合器装置10可以以CSA模式使用，并且当需要较低的动态性能时，MR流体离合器装置10可以以锁定模式使用。这种情况的典型应用是在机器人中，其中可在一个MR流体离合器装置10的锁定模式中控制大部分运动，仅在当提供具有高带宽可控性的精细移动(即：与人或物体接触、对机器人进行触觉教导、使加速或减速平滑化、快速的方向变化)时的有限时间段或短时间段内切换到CSA模式。通过以多模式使用MR流体离合器装置10，与非多模式布置相比，可以减少流体中消散的能量的量，因此减轻随时间的推移流体暴露于性质变化条件。

参考图3，根据本公开的缆线驱动系统大致以30示出，以控制末端执行器31的往复运动。末端执行器31被示出为枢转臂，所述枢转臂通过枢轴32A安装到底座32。因此，末端执行器31可在一个旋转自由度(DOF)中移动。尽管末端执行器31被示出为可在一个旋转DOF中移动，但末端执行器31可通过平移关节连接到底座32，由此系统30将提供平移DOF。缆线驱动系统30可以具有n个MR流体离合器装置10，所述MR流体离合器装置经由动力源驱动的共用动力轴(未示出)接收来自单个动力源(未示出)的扭矩输入。例如，动力源可以是电动马达，但是可以使用其他类型的动力源，诸如液压马达，以用于列举众多其他示例中的一个。

MR流体离合器装置10每个均装备有输出构件33，在所述输出构件上安装有缆线34以形成张紧装置，所述张紧装置当联接到MR流体离合器装置10A时被示出为33A和34A，并且当联接到MR流体离合器装置10B时被示出为33B和34B(这在其他地方用于系统30的命名法)。输出构件实际上可以连接到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。然而，输出构件还可在从动构件14和输出构件33之间具有机构，而不是直接驱动。例如，输出构件33可以包括减速齿轮箱。表达“输出轮”用作等效零件的包含表达，诸如滑轮、链环、链轮、螺母、螺钉、杠杆臂等。同样，表达“缆线”用作等效零件的包含表达，诸如钢筋束、绳索、带、链条等张紧构件。缆线类型的选择取决于输出轮的类型。缆线34具有附接到输出轮33的端部、附接到输出部件的自由端35，其中缆线的长度围绕输出轮33缠绕。例如由从动构件14(图1)驱动的输出轮33的旋转可以将附加的缆线长度缠绕到输出轮33上，从而在缆线34的自由端处产生拉动作用。自由端35上的拉动作用可替代地导致缆线34从输出轮33展开，例如当MR流体离合器装置10处于滑动状态时，即当自由端35上的拉动作用超出从动构件14产生的力时。缆线驱动系统30具有一对MR流体离合器装置10(尽管可以存在n个MR流体离合器装置10)，所述MR流体离合器装置中的一个以10A示出，另一个以10B示出，其中装置10A和10B连接到共用动力源A(未示出)。MR流体离合器装置10A和10B经由缆线34连接到共用末端执行器31。尽管由共用动力源直接驱动，但MR流体离合器装置10A和10B在共用末端执行器31上提供拮抗(antagonistic)拉动作用，以实现往复运动。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的单个缆线34，其中通过诸如连杆、弹簧、重力、其他类型的致动器等(未示出)的偏置构件提供拮抗力。偏置构件还可以包括更复杂的机构，诸如伺服系统、线性致动器等。换句话说，可以使用能够抵抗对末端执行器31的拮抗力的任何机构。偏置构件的动力源也可以来自人。这也适用于下面提供的给定实施例。

在典型的拮抗致动系统中，通常使用每个自由度(DOF)一个致动器。因此，每个致动器必须被设计为满足其驱动的自由度的最大负载。由于缆线无法传输压缩负载，因此DOF由两个致动器驱动。因此，每个DOF由两个拮抗致动器致动，并且通常由于它们的相反作用而一次仅激活一个致动器。例如，如果需要沿顺时针方向产生负载，则对顺时针致动器(CWA)供应动力，并且对逆时针致动器(CCWA)不供应动力，如果需要沿另一个方向产生负载，则反之亦然。

相反，当将动力源集中在图3的系统30中时，所得到的系统可以导致紧凑和轻型的设计。此外，由于受控滑动的MR流体离合器装置10可使动力源的惯性与末端执行器31解耦，因此可以使用轻型动力源，诸如与高比率减速齿轮箱联接的高速电动马达，而不会影响系统的动态性能。此外，可以根据应用定制动力源A所需的负载，从而进一步减轻重量。例如，由于系统30采用纯粹的拮抗致动装置，因此不需要动力源来产生其驱动的两个MR流体离合器装置10的负载能力的总和，这是因为所述一对中的仅一个可同时有效。因此，可仅针对总负载要求的大约一半(即，滑动中离合器装置的“断态或自由状态”功率大于零)设计动力源A。

当在CSA模式中使用并且与作为动力源的齿轮传动马达一起使用时，缆线驱动系统30中的MR流体离合器装置10使马达的动态行为与输出解耦，从而导致低输出惯性和高控制质量，这是因为齿轮传动马达的高输出惯性不会反映在系统输出中。缆线驱动系统30还可以提供增加的力准确度，这是因为齿轮传动马达的非线性行为(例如，齿槽效应、齿轮间隙、摩擦)被MR流体离合器装置10过滤。缆线驱动系统30还具有相对低的质量和减少的部件数量，这是因为可以在多个输出端之间共享共用齿轮传动马达产生的负载。在一些应用中，缆线驱动系统30可以是可靠的，因为当冗余马达可用作备用时，在离合器分离之后可以使故障齿轮传动马达与输出端断开。

也可以在锁定模式中使用缆线驱动系统30。当在锁定模式中使用时，一次可仅锁定一对拮抗MR流体离合器装置10中的一个，否则将在末端致动器31上产生相反的力。当锁定一个MR流体离合器装置10时，锁定的MR流体离合器装置10将缆线驱动系统30联接到马达的动态行为，从而导致高输出惯性和低控制质量，这是因为齿轮传动马达反映在末端执行器31处。锁定的MR流体离合器装置10不剪切MR流体16(很少或没有滑动)，这导致MR流体16中的能量消散较少，以限制MR流体离合器装置10暴露于性质变化条件。在诸如30的拮抗系统中，马达通常被配置为沿单个方向转动。这是由于缆线无法传输压缩负载。在锁定模式中，缆线系统30可以操作为使得一个MR流体离合器装置(例如，10A)被锁定，而另一个(例如，10B)被解锁，马达被控制以向锁定的MR流体离合器装置10A的滑轮33A提供扭矩，使得末端执行器31被锁定的MR流体离合器装置10A的缆线34A拉动。在移动期间，解锁的MR流体离合器装置10B将允许在其输出端14B和其输入端之间发生滑动，因此导致缆线34B从其滑轮33B展开。当在末端执行器31处期望方向改变时，马达可以减速以达到停止状态，并且然后MR流体离合器装置10A可以进入解锁模式(即，CSA模式)，同时MR流体离合器装置10B可以进入锁定模式。当马达再次转动时，MR流体离合器装置10B将拉动缆线34B，同时连接到解锁的MR流体离合器装置10A的缆线34A从滑轮33A展开，反之亦然。根据实施例，系统30具有示意性地示为W的工作包络(envelope)。工作包络W被示出为矩形以便于理解，并且适用于具有一个以上的旋转移动自由度的机器人或系统。工作包络W可以具有低可控性部分W1和高可控性部分W2。在部分W1中，系统30可以默认处于锁定模式，这是因为末端执行器31不靠近其移动边界。另一方面，在部分W2中，系统30可以自动切换到CSA模式，这是因为末端执行器31接近其移动边界，并例如因此可与其环境接触，或者必须与相邻设备或装置执行任务。观察到低可控性部分W1占据工作包络W的大部分，例如占工作包络W的85％至98％，而高可控性部分W2限定工作包络W的剩余部分。因此，在整个末端执行器31的大部分位移中，系统30在锁定模式下操作，以便减少CSA模式下的操作。这就是说，系统30可以覆盖默认设置，并且在低可控性部分W1中切换到CSA模式。例如，这可当在低可控性部分W1中要求改变末端执行器31的方向时发生。当传感器检测到末端执行器31必须减速或停止的状态时，也可发生这种情况。所述状态可以是在低可控性部分W1中对末端执行器31进行手动干预的状态。

参考图4，MR流体致动器单元40通常被示出为由动力源A(例如，马达)、减速器B、至少一个MR流体离合器装置10和输出设备C或机构组成。输出设备C可以是旋转到旋转设备，或旋转到线性设备。在图4中，MR流体致动器单元40具有沿相反方向转动的两个MR流体离合器装置10。MR流体致动器单元40可以在锁定模式和CSA模式下操作。

参考图5，所示的MR流体致动器单元50类似于图4的MR流体致动器单元40，不同之处在于其由单个MR流体离合器装置10组成。在该配置中，粘滞扭矩可以沿单一方向被传递到旋转到旋转设备或旋转到线性设备，从而稍微降低系统的可控性，但减少了所需部件的数量。MR流体致动器单元50可以在锁定模式和CSA模式下操作。为了改变被传递到旋转到旋转设备或旋转到线性设备的粘滞扭矩的方向，必须通过马达方向的改变或者来自旋转到旋转设备或旋转到线性设备的反向驱动扭矩使驱动构件12和从动构件14之间的差速反向。

参考图6，所示的MR流体致动器单元60类似于图4的MR流体致动器单元40，不同之处在于两个或更多个MR流体离合器装置10连接到单独的旋转到旋转设备C或旋转到线性设备。该布置可用于控制如图3中的拮抗系统，其中旋转到旋转或旋转到线性转换器中的一个连接到可仅传递张紧力(即，缆线)或压缩力(即，液压系统)的设备。MR流体致动器单元60可以在锁定模式和CSA模式下操作。

参考图7，以70示出了MR流体致动器单元的替代构造，其中单个MR流体离合器装置10连接到减速器，并且其中第二MR流体离合器装置10连接到另一个部件(未示出)。该构造对于第二离合器可以是有用的，以减小由连接到减速器的第一MR流体离合器装置10产生的粘滞扭矩的输出上的影响，从而增加系统的可控性。MR流体致动器单元70可以在锁定模式和CSA模式下操作。

参考图8，示出了具有刚性输出连杆81的典型的MR流体致动器单元80。MR流体致动器单元80的输出构件81可以沿两个方向传递负载。在MR流体致动器单元80中，离合器装置10A沿与马达A相同的方向转动，同时离合器装置10B使用旋转反转系统82沿相反方向转动。当在锁定模式下操作时，马达A可以通过使用仅一个MR流体离合器装置10传递扭矩来控制输出连杆81的位置和移动。另一个离合器装置10可以不将扭矩传递到输出。在该操作模式中，为了形成更有效的系统，MR流体离合器装置10中的一个可以通过使用如图2中所述的永磁体而保持在锁定模式中，并且另一个MR流体离合器装置10可以保持在CSA模式中，可以是图1的类型。在MR流体致动器单元80中，输出连杆81的方向可以由马达A或处于锁定模式的MR流体离合器装置10的旋转方向控制。例如，为了使输出沿顺时针(CW)方向转动，马达A可以CW转动，并且沿相同方向转动的MR流体离合器装置10A可以在锁定模式下使用，而沿另一个方向(CCW)转动的MR流体离合器装置10B可以在打开模式(即，CSA模式)下使用。可替换地，马达A可以CCW转动，并且CCW转动的MR流体离合器装置10A可以在打开模式(即，CSA模式)下使用，而沿相反方向(CW)转动的MR流体离合器装置10B可以在锁定模式下使用。当在CSA模式下操作时，输出连杆81可以通过控制两个MR流体离合器装置10中的滑动而沿相反方向移动。可以类似于图3的系统30获得所述控制，不同之处在于可以通过CW或CCW转动的马达A获得CSA。在锁定模式下工作的益处可以是MR流体16中消散的能量较低，同时降低致动器单元80的动态性能。在CSA模式下工作的益处在于致动器单元80的更好的动态性能。与仅在CSA模式下的操作相比，两个模式的组合减少了MR流体离合器装置10暴露于性质变化条件。

参考图9，示出了控制系统100的示意图，所述控制系统可以与各种MR流体致动器单元结合使用以控制MR流体致动器并确定系统可在CSA模式或锁定模式的哪种模式下使用。在图9中，控制系统100是与一个或多个MR流体致动器单元101、n(n＝1，2，3，+)一起使用的类型，所述MR流体致动器单元可以是上述MR流体致动器单元中的任何一个。为简单起见，MR流体致动器单元101被示出为具有单个MR流体离合器装置10和马达A，但是任何组合都是可能的。除了将控制系统100与图3和图8的布置一起使用之外，这包括将控制系统100与图4到图7中的MR流体致动器单元中的一个或多个一起使用，或者其任意组合。此外，MR流体致动器单元101被示出为连接到末端执行器31，所述末端执行器可以是如上所述的任何适当类型。控制系统100可以使用来自传感器102或多个传感器的信息，以确定系统是否应该在CSA模式或锁定模式下使用。确定系统是否应该在CSA模式或锁定模式下使用的命令也可以来自用户界面(未示出)或其他源。传感器102产生的信号可以代表末端执行器31的一个或多个移动参数。例如，移动参数可以是末端执行器31上的外力或压力、行进距离、对边界或物体的接近度中的一个或多个。边界可以被编程为机器人的虚拟工作范围，并且可以依赖于许多不同类型的传感器(例如，接近开关、光学传感器等)。

因此，控制系统100具有离合器驱动器103，所述离合器驱动器被配置为在受控滑动模式和锁定模式之间驱动MR流体离合器装置(多个MR流体离合器装置)10。如上所述，在受控滑动模式中，MR流体离合器装置10的离合器输入端12和离合器输出端14(图1)之间的滑动变化，并且因此被传递到末端执行器31的扭矩也变化。在锁定模式中，离合器输入端12和离合器输出端14(图1)之间的滑动低于给定阈值，如果不可忽略或不存在的话。离合器驱动器103根据MR流体离合器装置10的规格(例如间隙26的尺寸、永磁体25的磁力等)，根据如移动控制器106提供的可由传感器102监测的末端执行器31的移动参数来控制被发送到电磁线圈(例如，图1或图2A和图2B中的18)的电流。例如，如果马达A未被配置为以恒定速度或恒定扭矩操作(即，没有变化)，则马达驱动器104可被配置为改变马达A的马达输出的强度(无论在速度还是扭矩方面)。模式选择器模块105可以被配置为从传感器(多个传感器)102接收信号，所述信号表示末端执行器31的移动参数(多个移动参数)(包括力或压力)，或者MR流体致动器单元101或机构的其他部分，诸如马达A(例如，应力传感器、液压传感器、力传感器)或流体离合器装置10的移动参数。模式选择器模块105基于信号选择离合器驱动器103的受控滑动模式和锁定模式之间的模式，并且基于信号切换选择的模式。模式选择器模块105可以具有数据库107，其中根据被监测的信号对模式选择进行编程。仅通过示例的方式，如果在末端执行器31处感测到超出给定值的外部压力，则模式选择程序可要求控制系统100自动进入受控滑动模式。基于模式选择，移动控制器106控制离合器驱动器103和马达驱动器104以基于选择的模式和末端执行器31的被命令的移动而使末端执行器31移位。在被命令的移动方面，末端执行器31可以是执行给定任务的机器人或自动化系统(诸如操作系统OS)的一部分，在这种情况下，可以命令、控制或编程控制系统100以执行特定的移动。如果不是在恒定扭矩或恒定速度下，移动控制器106确定在锁定模式下马达输出的强度(例如，速度或扭矩)，其中MR流体离合器装置10提供有限的或可忽略的滑动。移动控制器106还确定末端执行器31的移动参数(例如，移动距离、加速、减速、停止、释放)以使MR流体离合器装置10适应受控滑动模式，使得末端执行器31可以达到被命令的移动。根据实施例，移动控制器106从用户、程序、外部系统接收被命令的移动，并且将被命令的移动转发到模式选择器模块105，使得模式选择器模块105基于末端执行器31的移动约束(例如，工作包络)来选择模式。

因此，控制系统100可以独立地控制马达驱动器104和离合器驱动器103，所述马达驱动器可以命令马达扭矩或速度，并且所述离合器驱动器可以控制MR流体离合器装置10可以在CSA模式或锁定模式下传递的扭矩量。这种情况的很好的示例可以是使用上述类型的MR流体致动器单元的机器人臂。MR流体致动器单元可以在大多数时间(例如，在末端执行器31的75％和98％之间的移动时间)在锁定模式下工作，以便减少MR流体暴露于性质变化条件。对于移动的大部分(例如，在85％到98％之间)，锁定模式操作可以在如图3中的工作包络的低可控性部分中。在锁定模式中，机器人臂的速度和力可以与由马达产生的速度和力成比例。MR流体致动器单元可以在许多情况下以CSA模式致动，诸如当末端执行器处于工作包络的高可控部分时，或者当末端执行器必须停止、减速和/或改变方向时。作为另一种可能性，当力传感器102感测到机器人臂或末端执行器正在接触障碍物(即人或物)或者已经检测到安全制动条件时，控制系统100可以被编程为执行臂移动的快速停止，并因此在CSA模式下切换操作或者甚至完全滑动以改善机器人臂的动态性能。因为在CSA模式下致动器单元的动态性能得到改善，所以机器人臂可以比在锁定模式下更快地停止。通过允许MR流体离合器装置10中的滑动可以获得更快的动作。移动控制器106确定用于驱动MR流体离合器装置10的操作参数。如果存在反向旋转的MR流体离合器装置10，则可以在机器人臂上提供反转力。该动作不要求停止马达，因此它可比普通伺服马达更快地发生，其中变速箱经由在锁定模式下操作的MR流体致动器单元传递其全部扭矩。

控制系统100可以根据其中连续(例如，定期或周期性地)感测末端执行器的至少一个移动参数的方法来操作。控制系统100可以在模式之间重复切换，由此连续感测提供了动态操作的信息。基于所感测的移动参数(多个移动参数)和被命令的移动来选择MR流体离合器装置(多个MR流体离合器装置)10的操作模式。联接到MR流体离合器装置的马达A的马达输出端可以在第一选择模式(锁定模式)下变化或保持恒定(例如，恒定速度、恒定扭矩)，同时MR流体离合器装置的滑动维持为低于给定阈值(可忽略不计)，以使末端执行器31以被命令的移动移位。在第二选择模式(CSA模式)中，MR流体离合器装置10的滑动变化超出给定阈值，以继续使末端执行器31以被命令的移动移位，但具有可调节的滑动。

可以存在以互补方式使用以检测不同参数的许多传感器102。作为又一种可能性，传感器102包括加速计或速度传感器，并且模式选择器105被配置为当末端执行器31的加速度超出给定加速度或速度/速度阈值时切换到CSA模式。控制系统100的用户还可以命令控制系统100置换(override)自动模式选择以在CSA模式中执行触觉教导，其中末端执行器31由用户操纵，同时末端执行器31的移动被记录为随后通过自动化方式进行复制。在CSA模式的触觉教导中，末端执行器31或类似的机器人臂需要能够以低阻抗移位，以便容易地被用户操纵。因此，控制系统100可以与和末端执行器31关联的操作系统OS通信，其中操作系统OS给出诸如移动参数、期望的操作模式、安全条件等的命令。

因此，当末端执行器31或类似机器人臂执行需要与位置控制不同的力控制的任务时，控制系统100可以选择CSA模式。此类任务可以根据末端执行器31的使用而变化，并且作为非穷举示例，可以包括操纵易碎物体、致动需要力控制的设备(诸如表面抛光器、擦拭设备)、一起按压零件。具有控制系统100的机器人可以受益于例如在方向变化的情况下使用CSA模式，这是因为可以在不必须改变马达的方向的情况下完成方向的改变，使得可以使用更便宜的马达来代替昂贵的伺服马达。通过控制系统100，机器人可以执行超出伺服马达带宽的快速方向变化。作为结果，末端执行器31可以在CSA模式中提供更快的调节和更精确的操纵，其中锁定模式减少了MR流体离合器装置10在滑动中的操作。

Claims (26)

1.一种用于控制末端执行器的移动的控制系统，所述末端执行器连接到至少一个磁流变(MR)流体离合器装置的离合器输出端，所述控制系统包括：

离合器驱动器，被配置为在受控滑动模式与锁定模式之间驱动所述至少一个MR流体离合器装置，在所述受控滑动模式中，所述MR流体离合器装置的离合器输入端与所述离合器输出端之间的滑动变化，在所述锁定模式中，所述离合器输入端与所述离合器输出端之间的所述滑动被维持为低于给定阈值，所述离合器输出端将移动传递到所述末端执行器；

马达驱动器，被配置为控制至少一个马达的马达输出端，所述马达输出端联接到所述离合器输入端；

模式选择器模块，被配置为接收表示所述末端执行器的至少一个移动参数的信号，所述模式选择器模块基于所述信号选择所述离合器驱动器的所述受控滑动模式与所述锁定模式之间的一模式，并基于所述信号切换所选择的模式；以及

移动控制器，用于控制所述离合器驱动器和所述马达驱动器，以基于所述末端执行器的被命令的移动以及所选择的模式中的至少一个使所述末端执行器移位，以使得所述末端执行器实现所述被命令的移动。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中所述模式选择器模块接收关于所述被命令的移动的数据，并根据所述被命令的移动和所述至少一个移动参数选择模式。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述离合器驱动器向所述至少一个MR流体离合器装置供应电流以减少所述滑动。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述离合器驱动器向所述至少一个MR流体离合器装置供应电流以增加所述滑动。

5.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述马达驱动器被配置为改变所述至少一个马达的马达输出端的强度，并且其中所述移动控制器确定所述马达输出端在所述锁定模式中的强度。

6.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述模式选择器模块接收指示与所述末端执行器手动接触的信号，并在整个手动接触中选择所述受控滑动模式。

7.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述模式选择器模块接收指示所述末端执行器在其工作包络中的位置的信号，并基于所述位置选择模式。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述模式选择器模块确定所述末端执行器的所述位置处于所述工作包络的高可控性部分中，并针对所述高可控性部分选择所述受控滑动模式。

9.根据权利要求7所述的控制系统，其中所述模式选择器模块确定所述末端执行器的所述位置处于所述工作包络的低可控性部分中，并针对所述低可控性部分选择所述锁定模式。

10.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述模式选择器模块接收指示所述末端执行器的速度和加速度中的至少一个的信号，所述模式选择器模块在所述速度和/或加速度超出编程阈值时选择所述受控滑动模式。

11.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述模式选择器模块根据所述被命令的移动确定所述末端执行器的方向的改变，所述模式选择器模块针对所述末端执行器的所述方向的改变选择所述受控滑动模式。

12.根据权利要求1和2中任一项所述的控制系统，其中所述模式选择器模块针对所述末端执行器的75％-98％的操作选择并维持所述锁定模式。

13.一种控制系统和MR流体致动器单元的组件，控制末端执行器的移动，所述组件包括：

根据权利要求1至12中任一项所述的控制系统，

至少一个MR流体致动器单元，包括至少一个MR流体离合器装置和至少一个马达，所述至少一个MR流体离合器装置中的每个均具有向所述末端执行器传递移动的离合器输出端，并具有联接到所述至少一个马达的输出端的离合器输入端。

14.根据权利要求13所述的组件，其中所述至少一个MR流体致动器单元针对所述马达中的单个马达具有两个所述MR流体离合器装置。

15.一种用于控制末端执行器的移动的方法，所述末端执行器连接到至少一个磁流变(MR)流体离合器装置，所述方法包括：

连续感测所述末端执行器的至少一个移动参数；

基于至少一个移动参数和被命令的移动选择所述MR流体离合器装置的操作模式；

驱动联接到所述MR流体离合器装置的至少一个马达的马达输出端，同时保持所述MR流体离合器装置的滑动低于给定阈值，以使所述末端执行器在锁定模式中移位被命令的移动；以及

使所述MR流体离合器装置的所述滑动改变为超出所述给定阈值，以使所述末端执行器在受控滑动模式下继续移位所述被命令的移动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中在所述锁定模式中驱动所述马达输出端包括维持所述马达输出端的强度固定。

17.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中改变所述MR流体离合器装置的所述滑动包括向所述至少一个MR流体离合器装置供应电流以减少所述滑动。

18.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中改变所述MR流体离合器装置的所述滑动包括向所述至少一个MR流体离合器装置供应电流以增加所述滑动。

19.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中在所述锁定模式中驱动所述马达输出端包括基于至少一个移动参数和被命令的移动来改变所述马达输出端的强度。

20.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中连续感测包括感测与所述末端执行器的手动接触，并且其中选择所述操作模式包括在整个所述手动接触中选择所述受控滑动模式。

21.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中连续感测包括感测所述末端执行器在其工作包络中的位置，并且其中选择所述操作模式包括基于所述位置选择模式。

22.根据权利要求21所述的方法，其中感测所述末端执行器在所述工作包络中的位置包括确定所述末端执行器的所述位置处于所述工作包络的高可控性部分中，并且其中选择所述操作模式包括针对所述高可控性部分选择所述受控滑动模式。

23.根据权利要求21所述的方法，其中感测所述末端执行器在所述工作包络中的位置包括确定所述末端执行器的所述位置处于所述工作包络的低可控性部分中，并且其中选择所述操作模式包括针对所述低可控性部分选择所述锁定模式。

24.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中连续感测包括感测所述末端执行器的速度和加速度中的至少一个，并且其中选择所述操作模式包括在所述速度和/或加速度超出编程阈值时选择所述受控滑动模式。

25.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中选择所述操作模式包括根据所述被命令的移动确定所述末端执行器的方向的改变，并且针对所述末端执行器的所述方向的改变选择所述受控滑动模式。

26.根据权利要求15和16中任一项所述的方法，其中选择所述操作模式包括针对所述末端执行器的75％-98％的操作选择并维持所述锁定模式。

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