本技術(shù)總體上涉及磁流變(mr)流體離合器設(shè)備，更具體地，涉及使用這種設(shè)備來動(dòng)態(tài)控制機(jī)器人、主動(dòng)懸架系統(tǒng)或運(yùn)動(dòng)控制裝置中的運(yùn)動(dòng)的主體、裝置、系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)等。

背景技術(shù)：

1、在期望方向上移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人(例如有腿的機(jī)器人)不可避免地在其運(yùn)動(dòng)中經(jīng)歷擾動(dòng)或者經(jīng)過障礙物，這還可能引起在其他方向上的沖擊或移動(dòng)。這種不期望的運(yùn)動(dòng)通常由主體通過的介質(zhì)中的干擾引起。例如，在仿生機(jī)器人中，無論是通過陸地、海洋還是空中行進(jìn)，一個(gè)這樣的機(jī)器人都可能遇到表面缺陷、碰撞、波浪、氣穴等。在最好的情況下，這種隨機(jī)缺陷導(dǎo)致主體的小的、不期望的位移。這還可能導(dǎo)致大的沖擊和不希望的主體運(yùn)動(dòng)或加速。對(duì)于較大的事件，這些隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和加速會(huì)觸發(fā)不穩(wěn)定性。此外，在一些情況下，特別猛烈的加速可能導(dǎo)致主體失去控制。而且，當(dāng)受到加速或沖擊時(shí)，主體或致動(dòng)器可能被損壞。即使在靜止時(shí)，也可能存在與表面運(yùn)動(dòng)(例如，站立在移動(dòng)平臺(tái)上)相關(guān)聯(lián)的一些殘余振動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中，這種殘余振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致部件的磨損。

2、主體的致動(dòng)系統(tǒng)的主要目的是在介質(zhì)(例如表面)和主體之間提供控制，以便相對(duì)于表面移動(dòng)主體的一部分并且保持或控制主體的穩(wěn)定性，從而提供用于將力從接觸點(diǎn)傳遞到主體的路徑。在主體是有腿或輪式主體的應(yīng)用中，接觸點(diǎn)也用于改變身體的速度或方向。在有腿的主體中，一些常見機(jī)器人的實(shí)施例通常被稱為仿生機(jī)器人，例如mit?cheetah或boston?dynamics?atlas和spot。

3、在有腿的機(jī)器人中，每個(gè)腿部組件通過一個(gè)或多個(gè)連桿連接到機(jī)器人底盤。連桿被定義為基本上剛性的構(gòu)件，連桿通過在端部處的一個(gè)或多個(gè)接頭與其他連桿或主體接合，該一個(gè)或多個(gè)接頭允許發(fā)生特定運(yùn)動(dòng)。這些連桿有助于當(dāng)主體在表面上方移動(dòng)時(shí)將運(yùn)動(dòng)(或路徑)從致動(dòng)器傳遞到主體的環(huán)境以引起運(yùn)動(dòng)。一些順應(yīng)性和阻尼也可以主動(dòng)地結(jié)合到連桿中，以便將致動(dòng)器與環(huán)境部分地脫離，以提高穩(wěn)定性或保護(hù)免受高沖擊載荷。

4、用于致動(dòng)機(jī)器人的腿部或肢體的本體感知型致動(dòng)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常代表扭矩密度、控制機(jī)器人所需的帶寬、后驅(qū)動(dòng)性、慣量和熱量產(chǎn)生之間的折衷。

5、通常，運(yùn)動(dòng)學(xué)上引起的腿部反作用力由腿部和表面之間的相互作用產(chǎn)生，和/或由通過腿部質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣量力產(chǎn)生。在腿部的接觸點(diǎn)和表面或道路之間產(chǎn)生的反作用力經(jīng)由連桿和致動(dòng)系統(tǒng)傳遞到主體。

6、在仿生機(jī)器人應(yīng)用中，例如通過液壓致動(dòng)器或電致動(dòng)器在機(jī)器人主體的質(zhì)量和與表面接觸的執(zhí)行器之間，在懸架中引入受控的力。執(zhí)行器質(zhì)量是再現(xiàn)由機(jī)器人的未由致動(dòng)器承載的部分的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣量力的等效質(zhì)量。對(duì)于有腿的機(jī)器人，這主要包括腳部組件、與腳部組件相關(guān)聯(lián)的任何質(zhì)量的彈簧和阻尼器，以及連桿質(zhì)量的某一部分。主體質(zhì)量是由致動(dòng)系統(tǒng)承載的機(jī)器人的部件的質(zhì)量，包括主體或底盤。致動(dòng)系統(tǒng)可以引入獨(dú)立于相對(duì)的主體運(yùn)動(dòng)和速度的力。

7、在車輛的主動(dòng)懸架應(yīng)用中，受控力例如通過液壓致動(dòng)器或電致動(dòng)器在車身的簧載質(zhì)量及其乘員與車輪組件的非簧載質(zhì)量之間被引入到懸架中。非簧載質(zhì)量是再現(xiàn)由車輛的未由懸架系統(tǒng)承載的部件的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣量力的等效質(zhì)量。這主要包括車輪組件、與車輪組件相關(guān)聯(lián)的任何質(zhì)量阻尼器，以及懸架連桿的質(zhì)量的某一部分?；奢d質(zhì)量是由懸架系統(tǒng)承載的車輛的那些部件的質(zhì)量，包括車身。主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以引入獨(dú)立于相對(duì)的車輪運(yùn)動(dòng)和速度的力。

8、一些機(jī)器人系統(tǒng)或主動(dòng)懸架系統(tǒng)依賴于基于泵和閥系統(tǒng)的電液致動(dòng)，該泵和閥系統(tǒng)調(diào)節(jié)常規(guī)液壓活塞中的液壓流體的壓力。電液方法通常是扭矩密集的，但是不具有足夠的帶寬來應(yīng)對(duì)所有引起的擾動(dòng)的頻譜，因此效率低。為了解決這個(gè)問題，一些系統(tǒng)包括串聯(lián)彈性致動(dòng)系統(tǒng)，其利用與高減速比的電機(jī)串聯(lián)的彈簧。高減速比的電機(jī)是更有效的系統(tǒng)，但是可能導(dǎo)致反射慣量的增加。彈簧的引入增加了致動(dòng)器的順應(yīng)性，以便減小由高慣量引起的沖擊力(例如，當(dāng)腳接觸地面時(shí)或當(dāng)車輪撞到坑洞時(shí))，而且還降低了系統(tǒng)的固有頻率，提供了更小的機(jī)械帶寬，并且減小的替代性致動(dòng)系統(tǒng)使用準(zhǔn)直接驅(qū)動(dòng)方法，將高扭矩密度電機(jī)與低傳動(dòng)比組合。從性能的觀點(diǎn)來看，這種方法提供了高速下的有效(運(yùn)輸成本)移動(dòng)。從致動(dòng)器的觀點(diǎn)來看，由于傳動(dòng)比較低，這種方法不是扭矩密集的，但是由于較大電機(jī)的銅損增加，這種方法仍然具有相對(duì)高的慣量，并且不如高減速比方法有效。

9、磁流變(mr)流體致動(dòng)器可以解決現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)問題。然而，與標(biāo)準(zhǔn)致動(dòng)系統(tǒng)相比，這種磁流變流體致動(dòng)器系統(tǒng)具有的缺點(diǎn)在于，由于使用了大量部件，所以其通常更加復(fù)雜并且成本較高。

10、出于該原因，仍然需要一種更經(jīng)濟(jì)的主動(dòng)本體感知型致動(dòng)系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，該主動(dòng)本體感知型致動(dòng)系統(tǒng)以相對(duì)高的性能運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開的目的是提供使用磁流變流體離合器設(shè)備的新的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2、本公開的另一個(gè)目的是提供一種方法和系統(tǒng)，用于增加本體感知型致動(dòng)器的傳動(dòng)比，而不會(huì)由于這種致動(dòng)器的反射慣量而降低其在運(yùn)動(dòng)方向上的可控性。

3、本公開的另一個(gè)目的是提供利用磁流變流體離合器設(shè)備的新的機(jī)器人致動(dòng)器。

4、本公開的又一個(gè)目的是在有腿的機(jī)器人或仿人機(jī)器人中使用這種系統(tǒng)。

5、本公開的又一個(gè)目的是在車輛或移動(dòng)裝置主動(dòng)懸架系統(tǒng)中使用這種系統(tǒng)。

6、因此，根據(jù)本公開的第一方面，提供了一種本體感知型磁流變(mr)流體致動(dòng)器單元，包括：雙向電機(jī)組件；減速機(jī)構(gòu)，具有大于10:1的減速比；磁流變流體離合器設(shè)備，連接到雙向電機(jī)組件，磁流變流體離合器設(shè)備能被控制以利用減速機(jī)構(gòu)在至少兩個(gè)主體之間傳遞來自雙向電機(jī)的一可變量的力；至少一個(gè)傳感器，用于提供指示至少一個(gè)主體的狀態(tài)的數(shù)據(jù)；處理單元；以及非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，通信地聯(lián)接到處理單元，并且包括可由處理單元實(shí)施用于進(jìn)行以下操作的計(jì)算機(jī)可讀程序指令：從至少一個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)；通過該數(shù)據(jù)確定雙向電機(jī)組件應(yīng)當(dāng)加速或減速到一給定值以控制磁流變流體離合器設(shè)備的輸入和輸出之間的相對(duì)速度，從而在兩個(gè)主體之間傳遞一所需力；控制雙向電機(jī)以朝向該給定值加速或減速；以及同時(shí)地操作磁流變流體離合器設(shè)備以在主體之間傳遞該所需力，同時(shí)保持制動(dòng)扭矩慣量比超過觸覺極限。

7、進(jìn)一步根據(jù)第一方面，例如，第一主體是質(zhì)量體，第二主體是結(jié)構(gòu)體。

8、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，質(zhì)量體通過彈簧與結(jié)構(gòu)連接。

9、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，控制質(zhì)量體以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架。

10、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，主體是通過接頭互連的機(jī)器人的連桿。

11、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，機(jī)器人是具有肢體的機(jī)器人，并且連桿是肢體的一部分。

12、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，至少兩個(gè)主體通過旋轉(zhuǎn)接頭互連。

13、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，減速機(jī)構(gòu)包括用于本體感知型磁流變流體致動(dòng)器單元的旋轉(zhuǎn)至線性轉(zhuǎn)換器，以在主體之間傳遞平移力。

14、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，減速機(jī)構(gòu)包括用于本體感知型磁流變流體致動(dòng)器單元的旋轉(zhuǎn)至旋轉(zhuǎn)布置，以在主體之間傳遞扭矩。

15、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，計(jì)算機(jī)可讀程序指令可由處理單元實(shí)施，以用于在制動(dòng)扭矩慣量比超過觸覺極限時(shí)使磁流變流體離合器設(shè)備產(chǎn)生滑移。

16、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，對(duì)于本體感知型磁流變流體致動(dòng)器單元，當(dāng)扭矩以nm為單位時(shí)，觸覺極限在以n.m/kgm2為單位時(shí)等于扭矩/(9×10-6×扭矩1.66667)。

17、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，對(duì)于致動(dòng)器單元，當(dāng)扭矩為75nm時(shí)，觸覺極限是6300n.m/kgm2。

18、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，磁流變流體離合器設(shè)備具有至少1×106n.m/kg.m2的扭矩慣量比。

19、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，減速機(jī)構(gòu)在扭矩傳遞元件之間具有至少為2的接觸比。

20、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，減速機(jī)構(gòu)包括多個(gè)載荷路徑。

21、更進(jìn)一步，根據(jù)第一方面，例如，減速機(jī)構(gòu)是具有至少兩個(gè)行星齒輪的行星齒輪機(jī)構(gòu)。

22、根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種用于操作主體之間的磁流變(mr)致動(dòng)器單元的系統(tǒng)，包括：磁流變致動(dòng)器單元，包括雙向電機(jī)組件，該雙向電機(jī)組件在第一頻率范圍內(nèi)操作，以及磁流變流體離合器設(shè)備，該磁流變流體離合器設(shè)備連接到雙向電機(jī)組件以在至少兩個(gè)主體之間施加來自雙向電機(jī)的一可變量的力，磁流變流體離合器設(shè)備在第二頻率范圍內(nèi)操作，第二頻率范圍高于第一頻率范圍；至少一個(gè)傳感器，用于提供指示至少一個(gè)主體的狀態(tài)的數(shù)據(jù)；處理單元；以及非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，通信地聯(lián)接到處理單元并且包括計(jì)算機(jī)可讀程序指令，該計(jì)算機(jī)可讀程序指令可由處理單元實(shí)施用于進(jìn)行以下項(xiàng)：從至少一個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)；通過該數(shù)據(jù)確定雙向電機(jī)組件應(yīng)當(dāng)加速或減速以控制磁流變流體離合器設(shè)備的輸入與輸出之間的相對(duì)速度的振幅和方向，從而在主體之間傳遞一所需力；控制雙向電機(jī)以在第一頻率范圍下朝向給定值加速或減速，并且同時(shí)在由與環(huán)境的沖擊或接觸引起擾動(dòng)期間減小來自磁流變流體離合器設(shè)備的扭矩傳遞，在該擾動(dòng)期間扭矩傳遞不對(duì)應(yīng)于僅通過電機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)的所需力。

23、根據(jù)又一方面，提供了一種用于在主體和執(zhí)行器之間操作本體感知型致動(dòng)器的系統(tǒng)，包括：雙向電機(jī)；磁流變(mr)流體離合器設(shè)備，將雙向電機(jī)聯(lián)接到主體以將力從雙向電機(jī)施加到執(zhí)行器；至少一個(gè)傳感器，用于提供指示質(zhì)量體的狀態(tài)和/或結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的數(shù)據(jù)；處理單元；以及非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，通信地聯(lián)接到處理單元并且包括計(jì)算機(jī)可讀程序指令，該計(jì)算機(jī)可讀程序指令可由處理單元實(shí)施以用于：從至少一個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)；通過該數(shù)據(jù)確定由雙向電機(jī)產(chǎn)生的所需扭矩振幅；在所需扭矩振幅低于扭矩振幅閾值的情況下，也保持雙向電機(jī)開啟，以在致動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)部件中儲(chǔ)存機(jī)械動(dòng)量，并且當(dāng)所需扭矩振幅高于扭矩振幅閾值時(shí)，激活磁流變流體離合器設(shè)備，以使用所儲(chǔ)存的機(jī)械動(dòng)量。

24、根據(jù)又一方面，提供了一種用于在兩個(gè)主體之間操作機(jī)器人致動(dòng)器的系統(tǒng)，包括：雙向電機(jī)，該雙向電機(jī)在第一頻率范圍內(nèi)操作；磁流變(mr)流體離合器設(shè)備，將雙向電機(jī)聯(lián)接到主體以將力從雙向電機(jī)施加到執(zhí)行器，磁流變流體離合器設(shè)備在第二慣量范圍內(nèi)操作，第二慣量范圍小于第一慣量范圍；至少一個(gè)傳感器，用于提供指示質(zhì)量體的狀態(tài)和/或結(jié)構(gòu)的狀態(tài)的數(shù)據(jù)；處理單元；以及非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，通信地聯(lián)接到處理單元并且包括計(jì)算機(jī)可讀程序指令，該計(jì)算機(jī)可讀程序指令可由處理單元實(shí)施以用于：從至少一個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)；通過該數(shù)據(jù)確定雙向電機(jī)切換方向；當(dāng)力不在期望水平時(shí)，同時(shí)控制雙向電機(jī)以減小來自磁流變流體離合器設(shè)備的扭矩傳遞。