使用磁流变流体离合器装置的低阻抗致动设备的制作方法

1.本技术整体涉及致动器、机器人关节、触觉设备、或动力系统领域，并且更具体地，涉及使用磁流变(mr)流体离合器装置的致动器、机器人关节、触觉设备、或动力系统。


背景技术：

2.致动器是用于对系统生成可控制的力或扭矩的设备。在触觉系统或机器人中找到了致动器的典型应用。触觉系统是涉及致动设备与人类用户之间的物理接触的设备。
3.机器人是能够使用经由关节或致动的机器人接头而互连的一系列刚性连杆或构件操纵物体或执行任务的设备。通常，每个接头表示一个自由度(dof)并且由一个或多个致动器控制。末端执行器是用于执行特定任务的特殊连杆，例如，抓握作业工具或物体。
4.协作机器人是被设置成在接近人类的环境中进行作业并且甚至设置成一起进行作业或在人类进行作业时协助人类的机器人。典型的协作机器人是具有能够实现移动的多个互连机器人接头的机器人臂。机器人接头具有能够连接至另一机器人接头的输出法兰或轴和被配置为使输出法兰或轴旋转的接头电机。机器人接头能够直接连接在一起或连接元件能够设置在两个机器人接头之间。
5.近年来已经引进了许多机器人。通常，尽管也可以使用诸如液压或气压致动的若干其他致动技术，然而，机器人使用电动机来致动接头。该致动器类型可能具有相对较低的力/位置/速度带宽以及高阻抗，如果机器人与其直接接触，这可能导致用户不舒服。这种不舒服经常破坏设备功能、限制与人类或环境的交互、并且降低人类与该设备协作的兴趣。
6.协作机器人通常采用电动机/发电机单元为接头(joint)提供动力。可以使用内燃机、涡轮机、液压泵、气压涡轮机、或任意其他动力源生成致动器所需的能量。机器人还可以由一个以上的辅助动力源构成。出于简化之缘故，下文中将任意动力源称为辅助动力源。一些机器人使用机械(例如，齿轮、连杆)、液压或气压传输将动力路由到接头。
7.因为其具有比其他类型的致动器更高的带宽，所以电动机最为常用。在寻求高动态响应的电动机中，在直流驱动的电机中发现了机电致动的最常见形式，这对于机器人接头而言过重了。通过设置电机与机械连杆之间的减速比，设备重量能够明显地减少。确实，对于给定的扭矩输出，当耦接至减速器(例如，齿轮箱)时，机电致动器比直流驱动方案更轻并且更低廉，但是，其较高的输出惯性、摩擦力、以及齿隙可能降低其动态性能。
8.其可能不具有相同的带宽。较好的实施例是其中单个电动机与减速器(诸如，谐波驱动齿轮箱)进行组合而提供较高扭矩-密度致动器的机器人。该致动器的带宽比电动机的带宽或等效扭矩的电动机的带宽相对更低。由于齿轮系统的摩擦与电机和齿轮箱所反映的惯性，向后驱动机器人所需的扭矩还可能更高。
9.如果用户与机器人接触并且比致动器的最大速度移动得更快，用户将使其对机器人的力反向。由于向后驱动性较低，这种情形可能导致人类受伤或不舒服。此外，由于其带宽较低并且惯性较高，不易于控制该机器人，从而导致用户感觉到辅助动力源的接合与脱离。动力系统的低带宽可能由与系统的速度变化相反的零部件的高惯性以及系统的摩擦和
齿隙所引起。当用户输入速度改变时，用户可以预见或感受到系统的高惯性并且系统的高惯性可能变得麻烦或危险。具有较低带宽的系统(即，例如，具有比人类更低的响应频率)可能不能足够快速地适应人类肌肉动力学，因此，用户可能感觉连接到引起适应延迟的机械设备。这种麻烦可能来自于下列事实：机械系统速度不能跟上用户的输入速度，从而生成粘滞或不自然的移动。更高的带宽，即，更大的反应性将使得机器人对用户而言更为透明。例如，如果某人希望设备对用户所施加的力施加成比例的辅助，以生成易于移动负荷的错觉，但是，系统具有低带宽，这种辅助不能足够快地适应并且在施加用户可能感觉到的力时生成延迟。在与用户发生意想不到的碰撞的情况下，具有较低带宽和较高惯性的系统可能不能足够快地适应，从而对用户造成伤害。通常，致动器的带宽可能由于惯性效应而减少。出于此原因，随着惯性增加，致动器可能丢失其适应人类变化的能力并且对人类交互变得危险。
10.出于可控制性原因，需要新的技术使辅助设备的阻抗与人类或环境的阻抗相匹配。在辅助致动器的作业涉及人类或环境并且寻求平滑移动的该设备中，所使用的技术应具有甚至比人类或辅助设备的带宽更高的带宽。与人类接触的系统的带宽越高并且惯性越低，系统对人类越透明并且感觉越自然。当存在与机器人接触的不可预测来源时，辅助动力系统的带宽需要与该来源的带宽匹配或超过该来源的带宽，否则，系统的可控制性不是最优的。此外，位于辅助人类的机器人接头处的致动器可能需要物理上或被编程为柔顺的并且易于向后驱动，以不被损坏或按预期进行作业。与人体或环境接触的系统需要是柔顺的或向后驱动的，以不使人类暴露于可能伤害人类或损坏致动器的意外力或加速度。
11.因为其将人类的动力与辅助人类的额外来源的动力相结合，所以将其他类型的设备或装备识别为提供与机器人相似的人类辅助。其良好的实施例是假体或外骨骼。在假体中，人类连接至取代所丢失的人类肢体的设备。为了达到更平滑的移动控制，需要新的技术，允许系统的导纳与人体的导纳匹配或超过人体的导纳的新技术。利用该新技术，设备还可以与有助于识别所需人力或移动并且调整假体或外骨骼的动作、以与人体和谐地移动的传感器配对。
12.同样，通过施加给人体的力而将触觉设备或装备识别为提供人类辅助。其良好的实施例是提供来自虚拟世界的感觉的医疗模拟臂或者向飞行员提供关于飞机的安全飞行包线的信息的飞机主动侧杆。在该应用中，人类连接至设备。


技术实现要素：

13.本公开的目的是提供一种协作机器人设备，诸如，采用mr流体致动的协作机器人、触觉设备、假体、矫形器、或外骨骼。
14.本公开的目的还是提供一种具有多个mr流体致动器的致动器或协作设备。
15.本公开的另一目的是提供一种具有对抗剂mr流体致动器的致动设备，以通过主动补偿寄生效应(齿隙、摩擦、黏度)而减少机器人接头对人类生成的感应扭矩。
16.本公开的附加目的是提供一种具有由不同的mr流体离合器装置选择性地致动的多个mr流体致动器的致动设备，以创建多个自由度的致动设备。
17.本公开的另一目的是提供一种具有致力于减少设备所反映的惯性并且将低带宽动力源的输出转换成高频带响应的mr流体致动器设备的协作设备。
18.在本公开的第一方面，提供一种磁流变(mr)致动器设备，包括：至少两个mr致动器单元，每个mr致动器单元包括至少一个电机；mr流体离合器装置，能操作地耦接至电机，以接收来自电机的扭矩，mr流体离合器装置可操作为在经过磁场时生成能变化的扭矩传输量；输出构件；传动装置，可使至少两个mr致动器单元操作地耦接至输出构件，以使输出构件接收来自至少两个mr致动器单元的扭矩；控制器，用于控制至少两个mr致动器单元驱动输出构件，控制器至少以对抗模式驱动输出构件，其中，至少两个mr致动器单元在相反的方向上将扭矩传输至输出构件。
19.进一步地，根据第一方面，例如，在每个mr致动器单元中，电机是双向的，并且其中，控制器以协作模式驱动输出构件，其中，至少两个mr致动器单元在共同方向上将扭矩传输至输出构件。
20.仍进一步地，根据第一方面，例如，对于至少两个mr致动器单元中的至少一个mr致动器单元，至少一个减速机构位于双向电机与mr流体离合器装置输出构件之间。
21.仍进一步地，根据第一方面，例如，对于至少两个mr致动器单元中的至少一个mr致动器单元，传动装置具有位于mr流体离合器装置与输出构件之间的至少一个减速机构。
22.仍进一步地，根据第一方面，例如，对于至少两个mr致动器单元中的至少一个mr致动器单元，传动装置包括耦接至输出构件的螺旋锥齿轮。
23.仍进一步地，根据第一方面，例如，螺旋锥齿轮的旋转轴线与mr流体离合器装置的旋转轴线平行。
24.仍进一步地，根据第一方面，例如，螺旋锥齿轮是准双曲面齿轮或球面齿轮。
25.仍进一步地，根据第一方面，例如，输出构件是冠齿轮。
26.仍进一步地，根据第一方面，例如，存在两个mr致动器单元中的至少三个。
27.仍进一步地，根据第一方面，例如，通过使两个mr致动器单元在共同方向上将扭矩传输至输出构件并且使第三mr致动器单元在与该两个mr致动器单元的方向相反的方向上将扭矩传输至输出构件，控制器以对抗模式驱动输出构件。
28.根据本公开的第二方面，提供一种用于驱动具有至少两个mr致动器单元的磁流变(mr)致动器设备的输出构件的系统，系统包括：处理单元；非暂时性计算机可读存储器，通信地耦接至处理单元并且包括可由处理单元执行的计算机可读程序指令；控制至少两个mr致动器单元在共同的方向上以协作模式将扭矩传输至共同的输出构件；控制至少两个mr致动器单元在相反的方向上以对抗模式将扭矩传输至共同的输出构件。
29.进一步地，根据第二方面，例如，在协作模式下控制至少两个mr致动器单元包括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动。
30.仍进一步地，根据第二方面，例如，在对抗模式下控制至少两个mr致动器单元包括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动。
31.仍进一步地，根据第二方面，例如，提供三个mr流体致动器单元，并且在对抗模式下控制mr致动器单元包括：控制两个mr致动器单元在共同的方向上将扭矩传输至输出构件；并且控制第三mr致动器单元在与该两个mr致动器单元的方向相反的方向上将扭矩传输至输出构件。
32.仍进一步地，根据第二方面，例如，至少两个mr致动器单元的描述如上。
33.根据本公开的第三方面，提供一种单自由度的致动系统，包括：至少两个mr流体离
合器装置与至少两个动力源；第一接口，被适配成固定到一部分；第二接口，被适配成固定到第二可移动部分；至少一个接头，以至少一个自由度设置在第一接口与第二接口之间；至少两个mr流体离合器装置，可操作为在经过磁场时生成能变化的扭矩传输量；传动装置，使mr流体离合器装置耦接至致动系统；其中，可以独立控制至少两个mr流体离合器装置，以对抗地或在相同方向上起作用。
34.进一步地，根据第三方面，例如，每个mr流体离合器装置连接至其自身的独立动力源。
35.仍进一步地，根据第三方面，例如，可以将由mr流体致动器生成的力从一个mr流体致动器添加至另一mr流体致动器。
36.仍进一步地，根据第三方面，例如，可以在相反的方向上对抗地施加由mr流体致动器生成的力。
37.仍进一步地，根据第三方面，例如，至少一个mr流体致动器配备有制动器。
38.仍进一步地，根据第三方面，例如，机构配备有独立的制动器。
39.仍进一步地，根据第三方面，例如，动力源连接至多个mr离合器装置。
40.仍进一步地，根据第三方面，例如，致动系统具有在单一方向上施加力的偏置构件。
41.仍进一步地，根据第三方面，例如，致动系统是旋转接头。
42.仍进一步地，根据第三方面，例如，致动系统是平移接头。
43.仍进一步地，根据第三方面，例如，致动系统结合了旋转与平移移动。
44.根据本公开的第四方面，提供一种多自由度致动器，包括：至少三个mr流体离合器装置与至少三个动力源；第一接口，被适配成固定到一部分；第二接口，被适配成固定到第二可移动部分；至少一个接头，以至少两个自由度设置在第一接口与第二接口之间；至少三个mr流体离合器装置，可操作为在经过磁场时生成能变化的扭矩传输量；传动装置，使mr流体致动器单元耦接至致动系统；其中，可以独立控制至少三个mr流体离合器装置，以在所需方向上生成立的矢量。
45.进一步地，根据第四方面，例如，每个mr流体离合器装置连接至其自身的独立动力源。
46.仍进一步地，根据第四方面，例如，可以将由mr流体离合器装置生成的力从一个mr流体离合器装置添加至另一mr流体离合器装置。
47.根据本公开的第五方面，提供一种用于驱动具有分别输出最大扭矩t1和扭矩t2的至少两个mr致动器单元的磁流变(mr)致动器设备的输出构件的系统，系统包括：处理单元；非暂时性计算机可读存储器，通信地耦接至处理单元并且包括可由处理单元执行的计算机可读程序指令；控制至少两个mr致动器单元在共同的方向上以协作模式将扭矩传输至共同的输出构件，共同的输出构件在协作模式下的扭矩大于最大扭矩t1或最大扭矩t2；控制至少两个mr致动器单元在相反的方向上以对抗模式将扭矩传输至共同的输出构件，共同的输出构件在对抗模式下的扭矩至多等于最大扭矩t1或最大扭矩t2。
48.进一步地，根据第五方面，例如，在协作模式下控制至少两个mr致动器单元包括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动。
49.仍进一步地，根据第五方面，例如，在对抗模式下控制至少两个mr致动器单元包
括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动。
50.仍进一步地，根据第五方面，例如，在协作模式下控制至少两个mr致动器单元传输扭矩包括：控制至少两个mr致动器单元在共同输出构件处传输的扭矩是最大扭矩t1或最大扭矩t2的和。
51.仍进一步地，根据第五方面，例如，存在三个mr流体致动器单元，且第三mr流体致动器单元输出最大扭矩t3，并且在对抗模式下控制mr致动器单元包括：控制两个mr致动器单元在共同的方向上将扭矩传输至输出构件；并且控制第三mr致动器单元在与该两个mr致动器单元的方向相反的方向上将扭矩传输至输出构件；共同输出构件在对抗模式下的扭矩至多等于最大扭矩t1、最大扭矩t2、或最大扭矩t3。
52.仍进一步地，根据第五方面，例如，该至少两个mr致动器单元是根据权利要求2至10中任一项所述的。
53.在一个实施例中，协作设备包括：两个独立与可逆的辅助动力源(即，电机)；两个可选择性地接合的磁流变流体(mrf)离合器，连接在两个动力源与传输设备之间。动力源可以操作地连接至磁流变流体离合器，以经由磁流变流体离合器而向协作设备选择性地提供动力，并且在一些配置中，在移动的制动或再生制动中接收来自磁流变流体离合器装置的能量。
54.协作机器人设备还可以包括控制器/驱动单元与能操作地连接至辅助动力源的能量存储设备。辅助动力源可以直接操作性地连接至人类动力源与磁流变流体离合器装置。可替代地，辅助动力源直接连接至磁流变流体离合器装置并且通过与磁流变流体离合器装置的接合而操作性地连接至人类。
55.辅助动力源可以连接至磁流变流体离合器装置的输入侧或输出侧。
56.由协作系统提供根据本发明的这些及其他目标、特征、以及优点，协作系统包括：框架；附加动力源；以及mr流体致动装置或mr流体致动器，可选地，与用于对其系统施加可控制的附加动力的动力系统的人类动力输入操作性地并联连接。在假体的情况下，mr流体致动器还可以与人类动力输入串联连接。mr流体致动器优选包括：mr流体，具有可控制的表观黏度；外壳(housing)，连接至装置框架或骨架并且包含mr流体；以及旋转轴，从外壳向外延伸并且操作性地连接在mr流体与动力系统之间。
57.控制装置，诸如，在程序控制下操作的微处理器，可以操作性地连接至mr流体力调制装置，以基于视为来自传感器的信息的已选择力调制程序而致使对mr流体施加预定的磁场强度。相应地，能够向动力系统提供所期望量的力或来自辅助动力源的动力，以增加或减少动力系统在协作机器人使用过程中的输出。系统可以进一步包括测量人力的输入或系统的动力的传感器，以控制辅助动力源所需的输出。
58.协作系统可以进一步包括操作性地连接至控制装置的显示器。控制装置还可以包括用于允许输入程序或操作参数的装置。此外，一个或多个传感器可以与mr流体力调制装置相关联并且连接至用于生成并且在显示器上显示附加力或由动力源提供的动力的控制装置。
59.在所有种类的协作系统中，诸如但不限于机器人和触觉设备，可以使用mr流体致动器。此外，在各种类型的可穿戴式系统中，如外骨骼、矫形器、体扩展、人类控制机器人，仅列举一些，可以使用动力系统。
60.在复杂的协作控制机器人中，动力系统可以结合人类动力与一个辅助动力源或多个动力源而用于移动物体。益处和原理与协作机器人系统相同。目标仍是增加加速度、改善对装备的控制、或向人类操作装备提供更大的力或动力。其实施例是用于支撑工具的作业外骨骼。添加连接至一个或多个体构件的mr流体致动器的作业外骨骼将生成益处。与用户所生成的努力成比例，可以将一个或多个传感器安装在部件上并且将动力传送至构件，以使得用户保持控制该件装备。
61.在其他可穿戴的设备中，机器人臂可以直接安装在人体上。在处理诸如飞机、船舶、火车、重钢工业、以及建筑工业的大型组件的工业部门中广泛使用手工劳动。组装工人的日常任务通常需要抬起沉重的工件并且在非人体工程学位置中进行作业，诸如，在可扩展的时间段内提升臂。这种状况导致员工疲劳、增加受伤风险、并且降低生产效率。有希望的方案是通过利用机器人技术增强其能力来代替尝试完全取代机器人技术而利用人类工人的移动性和灵活性。利用可穿戴的机器人，通过使用人类工人的移动性而解决访问制造场所的问题。而且，工人能够在无需复杂编程的情况下原地指导机器人的作业，因此，与传统机器人相比，导致增加多功能性。可以使用可穿戴的协作机器人工具(wcrt)来辅助组装工人。由于mr流体致动的带宽较高，该工具可以对人类所引起的扰动进行滤波。作为实施例，可以实现重力补偿的辅助、在表面上施加力、或稳定末端执行器在空间中的位置。这些仅是wcrt可以辅助执行的一些功能。
62.尽管多余的机器人臂是有希望的新型可穿戴机器人，然而，其还具有其自身的挑战。因为机器人附接至人类，所以尽管由于人类的移动而造成干扰，然而，机器人必须能够完成其任务。相应地，尽管保持控制输出力，例如，保持面板在适当位置，然而，需要能够非常快速地运动的致动器。机器人必须是轻量级的，以不阻碍人类工人。更具体地，系统的质量还必须非常接近人体，以避免人类精疲力尽并且生成相反效果。
63.传统的电动机致动导致在速度与扭矩密度之间进行折衷。尽管在人类的基础上快速运动，然而，使用直流驱动电动机的机器人臂可以具有控制其输出力的能力，但是，机器人臂由于力密度较差而较沉重。另一方面，使用高度齿轮转动(highly-geared)电机的机器人可能太慢而不能对人类的运动进行补偿。在准静态的情况下，尽管结合力传感器或弹性元件所使用的齿轮电机(geared-motor)能够用于控制输出力，然而，其仍是具有速度限制的折衷解决方案，并且当相对运动太快时，不能最佳地维持力控制。磁流变流体致动器可以为轻量级机器人或可穿戴致动系统提供良好的力保真度。
64.在已知配置中使用时，尽管磁流变流体致动器可以提供优点，然而，其可以提供额外的优点，以提供可以由在各种操作模式下使用的多个独立mr流体致动器构成的新模块化系统。例如，由具有独立和可逆输入的两个(2)mr流体致动器mra1和mra2构成的机器人接头皆连接至相同的输出并且可以用于多个模式(例如，对抗和协作)。在协作模式中，mra1和mra2在同一方向(即，顺时针方向)上转动，并且mra1和mra2的最大扭矩可以增加，以在单一方向(即，顺时针)上达到可高度控制的最大扭矩。在动力模式下，mra1与mra2是反向的(即，逆时针方向)，因此，mra1与mra2的最大扭矩可以增加，以在单一的第二方向(即，逆时针)上达到可高度控制的最大扭矩。在对抗模式中，mra1与mra2可以在相反的方向上转动(即，mra1顺时针转动并且mra2逆时针转动)，mra1与mra2各自可以在两个相反的方向上提供可高度控制的扭矩。在对抗中，应理解的是，模块化系统的最大可获得的扭矩可以小于在协作
中可获得的扭矩。然而，应理解的是，因为mr致动器的电机不得不改变旋转方向，以在输出处的两个相反的方向上提供扭矩，所以在对抗模式下的扭矩反转带宽应比协作模式优越。在协作模式中，该模块化系统的一个优点在于，与常规致动系统以及已知配置或除模块化系统之外具有相同最大扭矩输出的mrf致动器相比较，由于mra1与mra2的扭矩和，可以降低系统的整体重量与惯性。该优点可以提高设备的整体动态性能。而且，与其他机器人系统相比较，由于系统的重量与致动惯性降低，该优点极大地降低了对人类或物体的不期望冲击效果。由多个独立mr流体致动器构成的模块化系统的另一优点在于，如果mra1与mr2在相反的方向上(例如，在对抗模式下)转动，则可以消除机械齿隙。在对抗模式下，如果检测到冲击，由于可以以高带宽并且无齿隙地施加除接触之外的相反的方向上的力，效果甚至可能进一步下降，从而减少对被冲击物的冲击能量。当存在与可能受伤的人体获得接触的机会时，这可能非常有用。
65.在又一模式下，即，锁定模式，可以独立锁定(例如，通过应用磁场)mra1与mra2的mr离合器。在锁定模式下，mr离合器可以用作具有固有扭矩限制属性的转运设备，由此将系统的总输出扭矩限制为所需值。在锁定模式下，两个电机可以是独立或联合控制器，以生成到系统的总扭矩输出。例如，mra1与mra2的方向(即，顺时针方向)与最大扭矩可以增加，以在单一方向(即，顺时针)上达到最大扭矩。应理解的是，在锁定模式下，由于每个mra的电机与齿轮箱的惯性增加，系统的输出处所反映的总惯性增加。然而，锁定模式可以具有消除mr离合器输入与输出之间的滑动的优点，从而可以增加mr设备的耐久性。
66.诸如机器人的致动设备并不需要始终具有高动力或高带宽。当操作需要高扭矩时，协作模式可能希望使机器人设备加速和减速。对抗模式有时可能希望消除齿隙并且提供高带宽。锁定模式有时可能希望使系统的耐久性最大化。由此，由具有独立输入的多个mr流体致动器构成的机器人接头可以为选择性的控制模式提供益处。
67.进一步地，由两个以上mr致动器构成的系统可以允许每个致动器提供所选择的方向上的扭矩。这可以允许具有三个(3)mr致动器的系统准备在一定方向(即，顺时针)上交付较高的扭矩，其中，当另一mr致动器转动时(即，逆时针)，两个(2)mr致动器的扭矩在该一定方向上保持对抗模式能力的同时在同一方向上(即，逆时针)转动。在具有三个(3)mr致动器的该系统中，两个mr致动器可以由单一电机供电，而另一mr致动器可以由不同的电机供电。
68.如果mr致动器的一个部件(例如，电机)发生故障，则由于设备可以维持其功能的一部分，由单一自由度的多个独立mr流体致动器构成的模块化系统也可以允许发生冗余。其他一个或多个mr致动器仍可以用于执行任务。由此，具有独立mr流体致动器的模块化实施例可以具有缓解特定故障模式的能力。mr流体离合器装置通常被设计成响应被供应至其线圈的给定控制电流而在输入转子与输出转子之间传递扭矩。在生成不期望的扭矩传输的任意离合器发生故障的情况下，对系统的影响可能是输出构件失控。对于特定的应用(例如，飞机主动介入或飞行表面致动、汽车线控转向致动)，则可能存在这种类型的故障被视为不可接受的情形。一种可能的解决方案是限制输入转子速度，以降低故障的严重性。这种缓解的不利影响是限制了致动器的整体性能。而且，因为配置是固有冗余的，所以可以缓解诸如电机故障和齿轮箱故障的其他类型的故障，仅列举一些。所提出的实施例提供独立控制各个驱动电机(因此，每个输入电机)的优点。因此，控制系统能够动态地改变各个驱动电机的旋转速度，以遵循给定的安全标准。例如，在给定的情形中，失控在一个方向上可能是
灾难性的，其中，同一故障在相反的方向上的严重性可能较低。在这种情形中，控制系统可能适配于每个输入转子的速度，以维持在其中故障较不严重的方向上的完整性能，同时，通过限制其中故障可能具有灾难性影响的方向上的性能而确保安全。
69.在具有多个mr致动器的实施例中，系统可能更受控。
70.因此，根据本公开，提供一种使用多个磁流变流体离合器装置的轻量级低阻抗致动设备。
附图说明
71.图1是本公开的各个实施例所使用的通用磁流变(mr)流体离合器装置的示意图；
72.图2是本公开的组装mr流体离合器装置的透视图；
73.图3是图2中的mr流体离合器装置的局部截面图；
74.图4是图2中的mr流体离合器装置的分解图；
75.图5是图2中的mr流体离合器装置的放大图，示出了由线圈感应的磁场；
76.图6是根据本公开的具有永磁体的mr流体离合器装置的局部截面图，且线圈处于未供电状态；
77.图7是图6中线圈处于供电状态的mr流体离合器装置的局部截面图；
78.图8是根据本公开的使用多个mr流体离合器装置的mr致动设备的实施例；
79.图9是图8中的致动设备的内部的碎片透视图；
80.图10是图8和图9中的mr致动设备的运动链的简化表示；
81.图11是图8中的mr致动设备的分解图；
82.图12是图8中的mr致动设备的透视截面图；
83.图13是图8中的mr致动设备的横截面图；
84.图14是图8中机器人臂中所使用的mr致动设备的示意性表示；
85.图15是图8中可穿戴式机器人臂中所使用的mr致动设备的示意性表示；
86.图16是图8中处于高力/低带宽模式的mr致动设备的示意性表示；
87.图16'是图8中处于低力/高带宽模式的mr致动设备的示意性表示；
88.图17是图8中由两个以上mr流体离合器装置构成的mr致动设备的示意性表示；
89.图18是当两个mr流体离合器装置保持滑动时用于控制mr致动设备的两个mr流体离合器装置的控制器的示意性表示；
90.图19是当两个mr离合器装置保持处于锁定模式时用于控制mr致动设备的两个mr流体离合器装置的控制器的示意性表示；
91.图20是用于确定mr致动设备的所需模式的基于事件选择器的示意性表示；
92.图21是图18中的mr致动设备的滑动速度与mr扭矩参考的示意性表示；
93.图22是使用图1至图7中的任意mr流体离合器装置的多dof致动设备的示意性表示；并且
94.图23是图8中机器人臂中所使用的多个mr致动设备的示意性表示；
95.图24是图8中用于控制滚珠螺杆的mr致动设备的示意性表示；
96.图25是图24中使滚珠螺杆致动的mr致动设备的示意性表示；
97.图26是用于在使用mr致动设备时控制mr致动设备的增强可靠性控制器的示意性
表示；并且
98.图27是根据本公开的使用螺旋锥齿轮的mr致动设备的变形的示意性透视图。
具体实施方式
99.参考图1，示出了被配置为基于由控制mr流体离合器装置10的处理器单元1所提供的已接收输入电流而提供机械输出力的通用磁流变(mr)流体离合器装置10。处理器单元1是具有控制能力的任意类型的电子或电气设备，以控制被发送至mr流体离合器装置10的输入电流。如下面所阐明的，在实施例中，处理器单元1可以接收来自传感器的信号、并且通过例如固件而计算数据，以基于设置、所请求的辅助等控制mr流体离合器装置10的操作。mr流体离合器装置10具有带圆盘(disk)22的驱动构件20，滚筒(drums)21在轴向方向上从圆盘22突出，该组件也被称为输入转子20。mr流体离合器装置10也具有带圆盘42的从动构件40，与滚筒21交织的滚筒41从圆盘42突出，以限定填充有mr流体f的环形室。从动构件40与滚筒41的组件也被称为输出转子40。如下面所述，由与从动构件40成为一体的壳体(casing)40'界定环形室，并且由此，由于其在扭矩传输过程中与滚筒21协作，将与滚筒21相对的壳体40的一些表面称为剪切面。驱动构件20可以是与动力输入进行机械连通的输入轴，并且从动构件40可以与动力输出(即，力输出、扭矩输出)进行机械连通。mr流体f是由设置在载体流体中的磁性粒子所构成的一种智能流体，通常为一种油。当经过磁场时，流体可以增加其表观黏度，潜在地增加至变成黏塑性固体的程度。由相对剪切面-即，位于驱动侧的滚筒21与滚筒41的相对剪切面以及环形室中的壳体40'的剪切面之间所包括的mr流体f的操作剪切应力与操作剪切速率之比界定表观黏度。磁场强度主要影响mr流体的屈服剪切应力。当处于其激活(“通电”)状态时，可以通过改变由被集成到壳体40'中的电磁体35生成的磁场强度而经由使用诸如处理器单元1的控制器来控制流体的屈服剪切应力，即，输入电流。相应地，能够利用电磁体35控制mr流体传递力的能力，由此用作构件20与构件40之间的离合器。电磁体35被配置为改变磁场的强度，以使得构件20与构件40之间的摩擦力可以低至足以允许驱动构件20与从动构件40自由旋转，并且反之亦然，即，处于受控滑动。
100.如同旋转齿轮电动机，由动力源以所需的速度驱动驱动构件20，并且输出转子连接至可受控制的机械设备。由mr流体离合器装置10传输的扭矩与穿过mr流体的磁场的强度有关。由于受处理器单元1的控制，通过电磁体35的线圈对磁场强度进行调制。
101.参考图2、图3、以及图4，mr流体离合器装置通常作为整体以10示出。mr流体离合器装置10具有与图1中的通用示例性mr流体离合器装置10相似的部件，因此，类似参考标号指类似部件。mr流体离合器装置10具有输入转子20(也被称为驱动构件)、定子30(包括线圈)、以及输出转子40(也被称为从动构件)，并且mr流体位于mr流体室中，mr流体室被界定在包括转子20与转子40的滚筒之间的空间的自由空间中。
102.如同旋转内燃机或电动机，可以以旋转动力源(未示出)规定的恒定速度或可变速度驱动输入转子20。输出转子40连接至可受控制的机械输出(未示出)。当电流在定子30的线圈35中循环时，在定子30中感应磁场并且磁场穿过滚筒与mr流体f。然后，根据磁场强度，通过对滚筒之间的mr流体f进行剪切而将扭矩从输入转子20传输至输出转子40。尽管下面描述指示转子20是输入转子并且转子40是输出转子，然而，其指出了转子20可以是输出转子并且转子40可以是输入转子。然而，出于清晰和简化之缘故并且为了避免不必要的冗余，
描述将以“输入转子20”和“输出转子40”为准。
103.从图3和图4中很好地看到，输入转子20具有彼此间隔开的内磁芯20a与外磁芯20b。内磁芯20a与外磁芯20b由具有高磁导率、高磁化饱和度、高电阻率、以及低磁滞性的铁磁性材料(诸如硅铁)制成。具有高电阻率的材料通过使涡电流最小化而允许更快地建立磁场并且由此实现增强的动态性能。
104.将圆柱形输入滚筒21固定至滚筒保持器22(也被称为盘、板、环等)，且滚筒保持器22横跨内磁芯20a与外磁芯20b之间的径向空间。在实施例中，滚筒21在滚筒保持器22的通道中紧密配合地组装并且合销23穿过所有的滚筒21。如图3和图4中所示，合销23还可以穿透内磁芯20a。滚筒保持器22可以由非铁磁性材料制成，以使穿过滚筒保持器22的磁场最小化，并且滚筒保持器22还可以具有高电阻率，以使电阻损耗在mr离合器装置10的瞬态操作过程中最小化。
105.在许多其他实施例中，可以由动力源通过驱动齿轮、或任意其他驱动构件(如链轮、传送带、摩擦设备)而驱动输入转子20。出于示出之目的，齿轮部分24被设置为用于与齿轮(未示出)互连，齿轮部分24是与驱动齿轮协作的齿状齿轮。使用机械紧固件等可以使齿轮部分24紧密地配合或胶合或完全锁定至外磁芯20b。
106.盖25固定至外磁芯20b，并且在实施例中，出于冷却之目的，盖25由铝制成。散热片25a可以存在于盖25上，以使得当输入转子20旋转时，通过强制对流而对mr流体离合器装置10进行冷却。散热片25a有助于降低mr流体的操作温度并且由此可以改善mr流体离合器装置10的寿命。盖25可以将端面静态密封件25b按压在外磁芯20b上，以防止mr流体发生泄漏。可以通过盖25限定填充端口25c，以使mr流体离合器装置10填充有mr流体。如示出的，除其他解决方案之外，可以使用密封的固定螺钉25d对填充端口25c进行旋塞和插塞。
107.通过配备有柔性膜26b的膨胀室帽26a而封闭盖25中的中心孔25e，以允许mr流体在温度增加过程中发生膨胀或允许mr流体在老化时发生相变。为了克服膜26b由于mr流体而鼓起，可以将诸如聚氨酯泡沫的一些柔顺材料放置在膨胀室帽26a与柔性膜26b之间的空的膨胀体积中。因此，柔顺材料对膜26b施加偏置压力。此外，通风孔可以存在于膨胀室帽26a中，以避免空的膨胀体积中积聚过大的压力。膨胀室26还可以由可压缩材料(例如，闭孔氯丁橡胶)形成，由于mr流体f中的压力增加，可压缩材料占用的体积较少。如果存在可压缩材料，膨胀室可能不需要通风孔并且可能不需要膜26b。
108.仍参考图3和图4，定子30由铁磁性材料制成，以引导磁场。定子30可以具有环形腔30a形成其u状截面的环形体。内磁芯20a被接收在环形腔30a中，可以由内环形壁31a、外环形壁31b、以及径向壁31c限定环形腔30a，内环形壁31a、外环形壁31b、以及径向壁31c可以是单片整体。内磁芯20a由一个或多个轴承32旋转地制成，在图3和图4中示出了一对轴承32。尽管轴承32被示出为位于内磁芯20a与定子30之间，然而，在内磁芯20a的内部，视为轴承32定位在任意位置，诸如，定位在下面所述的径向流体间隙中。例如，定子30经由位于其外表面33(即，径向壁31c的一部分)上的孔而连接至一个结构，并且由此，是mr流体离合器装置10相对于该结构的不可移动部件。
109.从图5中很好地看到，定子30的尺寸使得可以分别在定子30与内磁芯20a以及外磁芯20b之间界定径向流体间隙34a和34b。在使用过程中，径向流体间隙34a和34b填充有流体，诸如空气及其他气体、或如油、油脂等的润滑和/或冷却液体。因此，径向流体间隙34a和
34b在使用过程中无固体。例如，使用粘合剂将线圈35固定至定子30的环形体。设想通过定子30提供狭缝，以使连接至线圈35的线穿过，从而为mr流体离合器装置10供电。如下面所述，定子30进一步包括用于旋转地支撑外转子40的一个或多个轴承36。
110.可以使用高铜系数的缠绕方法对线圈35进行缠绕。较高的铜比率可以致使效率得到改善。此外，例如，考虑允许扁平线缠绕、水平堆叠、圆柱形堆叠的缠绕方法。还考虑多层pcba绕组(重铜pcba)，而不仅是铜。
111.对轴承32/36进行润滑并且可以使用非接触的密封件来限制摩擦损耗。表征为输入转子20与定子30之间的轴承、以及定子30与输出转子40之间的单独轴承的轴承布置增强了mr流体离合器装置10的安全性。例如，如果输入转子20被定子30卡住，输出转子40仍自由旋转。相反，如果输出转子40被定子30卡住，驱动输入转子20的动力源仍能够旋转。
112.输出转子40具有通过位于滚筒41的内径上的紧密配合组件而被固定至滚筒保持器42(例如，板、盘等)的圆柱形输出滚筒41。除使输出滚筒41连接至滚筒保持器42的其他方式之外，合销43可以穿过滚筒41。输出滚筒41是铁磁性的，以使得磁场易于穿过输出滚筒41(例如，每个滚筒中具有等同的磁通量)。滚筒保持器42由非铁磁性材料(如铝合金)制成，以使穿过滚筒保持器42的磁场最小化，以降低输出转子40的惯性。
113.滚筒保持器42具有轴接口44，滚筒保持器42通过轴接口44连接至轴45。在实施例中，轴接口44是旋转地耦接至轴45的套筒状部件、并且可以具有耐磨套筒44a和44b。输出转子40通过按键或任意其他锁定设备(花键、紧密配合等)而旋转地锁定至输出轴45。密封轴帽46用于相对于输出轴45而轴向地保持输出转子40并且用于防止mr流体发生泄漏。可以在输出轴45上限定用于按键的平坦部分，以易于拧紧轴帽46。除其他布置之外，该布置是使滚筒保持器42连接至轴45的一种布置，因此，轴45可以经由滚筒保持器42从输入转子20接收驱动致动。滚筒保持器22进一步包括周向地分布于其中的通孔47，以允许mr流体循环。如图3和图4中所示，通孔47位于滚筒41与轴接口44之间。
114.mr流体离合器装置10可以使用奇数数量的滚筒21和42，例如，均值约为7。可以根据应用使用更多或更少的滚筒。由于使用多个滚筒有助于减少内磁芯20a与外磁芯20b的滚筒长度和横截面，对于给定的所需扭矩和给定的直径，使用一个以上的滚筒有助于减少mr流体离合器装置10的整体体积和重量。同时，当磁芯的横截面较小时，因为内涡电流最小化，所以可以改善磁路的时间响应。
115.参考图5，由线圈35感应的磁场f遵循经由定子30的环形壁31b、径向流体间隙34b、外磁芯20b、mr流体、滚筒21和41、内磁芯20a、以及径向流体间隙34a的闭合路径。径向流体间隙34a与34b允许在不使用滑环的情况下对线圈35进行激励。事实上，典型的摩擦滑环被由两个径向流体间隙34a和34b执行的磁性滑环所替代。由于两个原因，径向流体间隙34a和34b是径向的、而非轴向的。首先，径向容差易于满足使得流体间隙可以相当小(《0.2mm)，并且由此，对流体间隙34a和34b进行磁化所需的额外线圈匝数最小化。其次，由于流体间隙34a与34b的旋转对称性，几乎抵消了定子30与磁芯20a和20b之间的流体间隙34a和34b中的磁吸引力。如果流体间隙是轴向的，则将存在更大的磁吸引力并且将轴向地加载轴承。
116.参考图6和图7，在又一实施例中，示出了mr流体离合器装置10。图6和图7中的mr流体离合器装置10与图3至图6中的mr流体离合器装置10具有多个相似的部件，因此，类似元件将具有类似的标号参考，并且此处不需要对其描述进行重复。区别在于，除线圈35之外，
外环形壁31b中存在永磁体100。
117.如图6中所示，永磁体100用于在mr流体离合器装置10中生成磁场f1，以使得装置10能够在无需经由线圈35施加电流的情况下而传递恒定的输出扭矩。对永磁体100进行径向磁化并且永磁体100可以是完整的实心环形零件或各个磁体的组件(诸如圆柱形磁体)。其他径向流体间隙101a与101b，“重定向间隙”，使位于永磁体100的相对侧上的除线圈35之外的环形壁31b的部分与内磁芯20a和外磁芯20b分开。
118.当不对线圈35施加电流时，如图6，根据所示出的已描述磁通量路径，磁场f1存在于mr流体中。一些磁通量通过其他径向流体间隙101a和101b而循环，从而使定子30与内磁芯20a和外磁芯20b分开。这些间隙101a和101b比间隙34a和34b宽一些，宽度指径向方向上的宽度。重定向间隙101a和101b的宽度控制mr流体中所需的磁通量的量，即，当不对线圈35施加电流时的所需恒定扭矩。如果重定向间隙101a和101b足够宽，则由永磁体100感应的磁通量几乎全部穿过mr流体，从而导致dc扭矩较高。如果重定向间隙101a和101b在径向上较窄，则在mr流体与重定向间隙101a和101b之间共享磁通量，从而导致dc扭矩较低。
119.当根据图7中所示的方向和永磁体100的指示极性在线圈35中施加电流时，在以f2示出的重定向间隙101a和101b中对由永磁体100感应的磁通量进行重新定向，从而导致mr流体离合器装置10的扭矩减少。在线圈电流的特定强度下，mr流体中的磁通量f1几乎可以被抵消并且通过该强度之后，其再次增加。重定向的径向流体间隙的宽度还控制线圈35的绕组大小。如果宽度较高，则需要较大的绕组对磁通量进行重新定向。
120.如果在相反的方向上施加电流，线圈35则辅助永磁体100在mr流体中生成磁通量，从而导致mr离合器装置10的扭矩增加。
121.相应地，由于由永磁体100感应的磁场，对于mr流体，mr流体离合器装置10正常具有“通电状态”。因此，可以向线圈35供电，以致使mr流体离合器装置10减少扭矩传输并且最终处于断电状态。例如，尽管断电，然而，当mr流体离合器装置10必须维持扭矩传输时，该布置是有用的。永磁体100的磁场具有足以使mr流体离合器装置10在不被供电的情况下支撑负载的数量级。
122.参考图8，表示使用图1至图7中的任意图的多个mr流体离合器装置的mr致动设备80的实施例，且图1至图7中的任意图的任意一个或任意组合的流体离合器装置可用于mr致动设备80及此处所述的其他设备。出于简化原因，实施例示出了可旋转的机器人接头，但是，同样原理可以应用于其他类型的可旋转设备或可平移设备。所描述的实施例具有由两个独立电机ma和mb供电的两个mr流体离合器装置10a和10b，但是，其他实施例可以具有由额外电机供电的额外mr流体离合器装置。电机ma和ma、以及所使用的其他电机属于双向类型。mr致动设备80具有使用安装孔82而附接至结构或机器人构件的外部壳体81。这是使mr致动设备80固定至结构、连杆等的一种方式，其他方式包括整体连接、条带等。mr致动设备80具有通过使用安装孔84而附接至第二构件的旋转接头输出构件83。安装孔84可以是螺纹、键接等。输出构件83的其他可能性包括花键耦接、法兰等。在一些实施例中，尽管电机也可以是单向的，然而，电机ma或电机mb可以是具有双向能力(例如，电机能够在两个方向上选择性地旋转)的电气类型。应注意，ma与mb可以配备有对其输出进行制动的内部制动设备。电机ma与mb中的制动设备可以是通电或断电类型。可替代地，mr致动设备80可以配备有通电或断电类型的独立制动设备、或可以依赖于电机电阻进行制动。
123.参考图9，表示移除壳体81的一部分的mr致动设备80的内部。电机ma使用齿轮类型的连接而连接至mr流体离合器装置10a的盖25并且电机mb连接至mr流体离合器装置10b的盖25，盖25是mr流体离合器装置10a与10b的输入部分。作为选项，通过平行的正齿轮实现齿轮类型的连接，但是，其他传动装置也是可能的，包括滑轮和传送带、链轮和链条等。作为一种可能性，电机ma与mb的外壳可以附接至致动设备盖95。电机ma的齿轮输出90a(未示出)可以连接至mr流体离合器装置10a的齿轮部分24a，而电机mb的齿轮输出90b可以连接至mr流体离合器装置10b的齿轮部分24b。在该实施例中，电机ma与mb分别直接连接至mr流体离合器装置10a与10b，从而提供图10中优于1的第一减速比r1b。在其他实施例中，尽管是可选的，然而，可以在电机ma、mb与mr流体离合器装置10a和10b之间设置额外的减速机构(即，行星式变速箱、传送带减速机构、无限螺杆)。在实施例中，mr流体离合器装置10a的输出轴(未示出)连接至输出齿轮(未示出)，而mr流体离合器装置10b的输出轴45b连接至输出齿轮91b(对于mr流体离合器装置10a，45b与91b在视觉上是等同的)。mr流体离合器装置10a的输出齿轮可以连接至另一齿轮92a，而输出齿轮91b可以连接至另一齿轮92b，从而在mr流体离合器装置10a、10b的下游提供一定级别的减速比，将该级别识别为图10中的第二减速级别r2b。如图10中所示，可以添加由连接至输出齿轮94的齿轮93a和93b构成的第三减速级别r3b。齿轮系统或其他类型的减速布置可以存在更少或更多的减速级别。因此，用作机器人接头的mr致动器设备80由两个独立的mr致动器单元构成，各个mr致动器单元分别表征为其专用的电机ma、mb、mr流体离合器装置10a、10b、以及例如减速机构形式的传动装置。mr致动器连接至同一机器人接头输出构件83。两个mr致动器单元中的每个mr致动器单元具有惯性较低的mr流体离合器装置，因此，如果未使用mr流体离合器装置，则经由输出构件83传输至机械系统所反映的惯性可能较低。而且，与系统由具有两个对抗的mr流体离合器装置组合的双倍容量的单个电机构成的相比，其中，每个mr流体离合器装置的容量增加(例如，双倍)，因此惯性与重量增加，具有带独立(每个致动器单元具有其自身的电机)控制的mr致动器单元mraa和mrab(如图16中表示的)(具有惯性较低的mr流体离合器装置)的系统的优点将有助于输出处的重量和惯性保持在更低的水平。其中使用两个小型的mr流体离合器装置的配置的重量减少还可以致使mr致动器设备的尺寸与重量减少，因此致使机械组件的重量减少和/或机械组件自身的惯性降低。对于给定的扭矩，为了降低重量，系统的每个dof可以具有两个mr流体离合器装置，如同图9至图12以及图10a和图10b中的mr致动器设备80的情况，每个mr致动器设备80由独立的电机(例如，ma、mb)驱动并且耦接至能够传递双向力的刚性连杆。每个独立的mr致动器单元，例如，mraa和mrab还可以允许与非独立控制不同的操作模式。电子控制器(诸如前述图中的1，可用于图9至图12的mr致动器设备80)可以嵌入在mr致动设备80中并且线通路96(图9)可以用于对线进行路由，以到达电机ma和mb、mr流体离合器装置10a和10b的线圈25、以及其他集成传感器，如霍尔效应、扭矩传感器、位置传感器、惯性传感器、温度传感器，仅列举一些。
124.图10是图9中的mr致动器设备80的简化表示，而图11是致动设备80的分解图，并且图12是致动设备80的透视剖视图。其中，可以更详细地看到具有相关联的部件的mr致动器单元mrab的运动链，即，移除了结构部件。当接合时，mr流体离合器装置10b可以将由电机mb生成的扭矩传输至输出齿轮94，输出齿轮94是内部齿轮类型。因此，运动链可以由电机mb、齿轮输出90b、mr流体离合器装置10b的齿轮部分24b、连接至齿轮92b的输出齿轮91b(形成
第二减速r2b)构成。然后，齿轮92b可以通过轴102b连接至输出齿轮93b并且然后可以连接至输出齿轮94，且输出齿轮93b用作内部齿轮94的小齿轮，尽管这仅是除其他之外的选项。同样但未完全示出，致动器单元mraa的运动链可以由电机ma、齿轮输出90a(图11)、mr流体离合器装置10a的齿轮部分24a、连接至齿轮92a的输出齿轮91a(形成第二减速r2a)构成。然后，齿轮92a可以通过轴102a连接至输出齿轮93a并且然后可以连接至输出齿轮94。因此，mr致动器单元mraa和mrab具有作为共同输出的输出齿轮94(即，共用输出、用于全部mr致动器单元的单一输出)。应注意，许多这些部件可以组合成单一部件。作为除其他之外的实施例，齿轮92b、轴102b、以及输出齿轮93b可以构成单一部分。在图9至图13的实施例中，示出了正齿轮减速系统，但是，也可以使用其他类型的减速机构，如螺旋、蜗杆、摩擦、磁性、传送带、链条，仅列举一些。在图8至图13中，示出了具有相同尺寸的部件的mr致动器单元mraa和mrab(例如，示出了具有与mr流体离合器装置10b具有相同尺度的mr流体离合器装置10a)。然而，当与mr致动器单元mraa和mrab相比较时，mr致动器单元mraa和mrab或者构成mr致动器单元mraa和mrab的任意一个或多个部件可以具有不同的尺寸。例如，与mr致动器单元mrab相比，mr致动器单元mraa的尺度可以用于更高的扭矩或速度。mr流体离合器装置10a可以具有与mr流体离合器装置10b不同的尺度。例如，当mr致动器单元mraa用于对机器人臂的重力进行补偿、而mr致动器单元mrab仅用于对表面施加力时，可能需要这种布置。应当理解的是，mr致动器单元mraa与mrab的齿轮可能不具有相同的减速比、亦不具有相同数量的减速等级。例如，mr致动器单元mraa可以具有第一减速r1a、第二减速r2a、以及第三减速r3a，而mr致动器单元mrab可以仅具有第一减速r1b和第三减速r3b，输出齿轮91b直接连接在轴102b上。存在示出mr致动器单元mraa与mrab可能在扭矩输出、速度、减速比等方面彼此不同的其他实施例。
125.在图9至图13的实施例中，作为选项，使用通常与图3至图5相似的开放式类型的mr流体离合器装置。因此，在断电模式下(不对mr离合器装置线圈供电)，mr致动设备80可以自由旋转。应注意，减速机构由轴承支撑，但是，为简化起见，并未进行详细描述。例如，如图9和图13中观察的，壳体81可以对轴承支撑和轴承进行整合，包括通过使用壳体盖81a对mr致动器单元mraa与mrab的旋转部件进行旋转地支撑。
126.图14是触觉机器人臂系统140中所使用的多个致动设备80(被示出为80a、80a'、80b、80b')的示意性表示。mr致动设备80a和80a'使第一触觉臂141致动并且mr致动设备80b和80b'使第二触觉臂142致动，且mr致动设备80是连杆之间的致动接头。
127.图15是可穿戴式机器人臂150中所使用的多个mr致动设备80的示意性表示。在配置中，mr致动设备80和80'各自提供一定的自由度，以实现多个自由度的可穿戴臂，mr致动设备80、80'时连杆之间的致动接头。
128.图16与图16'是示出控制模式的mr致动设备80的示意性表示。mr致动设备80具有连接至可以在多个模式下使用的相同接头输出构件83的两个mr流体致动器单元mraa和mrab。在图16中，将mr致动设备80表示为在协作模式下进行作业。在协作模式下，mraa的电机ma与mrab的mb操作为在相同方向上将扭矩提供至共同的输出83，并且机器人接头输出构件83上所生成的扭矩将是分别由mr流体离合器装置10a和10b控制的mr致动器单元mraa和mr致动器单元mrab所生成的扭矩和。对于电机ma和mb，系统可以被布置成在相反的方向上转动，但是，仍由其传动装置布置与输出构件83协作，以使输出构件83上的扭矩是由mr流体
离合器装置10a控制的mraa所生成的扭矩与由mr流体离合器装置10b控制的mrab所生成的扭矩的和。在其中电机ma与mb在顺时针(cw)方向上转动的图16中，输出构件83(例如，用作机器人接头)上所生成的扭矩也可以是cw。可选地，尽管可以存在更多或更少的减速机构，然而，第一减速机构r1a放置在电机ma与离合器10a之间，并且第二减速机构r2a放置在离合器10a与机器人接头输出构件83之间。此外，尽管可以存在更多或更少的减速机构，然而，第一减速机构r1b放置在电机mb与离合器10b之间并且第二减速机构r2b放置在离合器10b与机器人接头输出构件83之间。在一些其他的实施例中，可以消除任意或所有的减速机构r1a、r2a、r1b、以及r2b。还可以将额外的减速机构添加至任意的减速机构，以增加减速比。在机器人接头输出构件83之后(即，在机器人接头输出构件83与机器人构件连杆之间)，还可以添加额外的减速机构。所有的减速机构可以是允许输入速度以与输出处不同的速度(更慢或更快)转动的任意类型。减速机构可以是任意类型或者任意类型的组合。在较高的力/较低的带宽模式下，其中，mr致动器单元mraa与mrab在相同的方向上(即，顺时针方向)转动，可以增加mra1与mra2的扭矩，以在单一方向上(即，顺时针)达到可高度协作的较高扭矩。在图16'中，表示其中mr致动器单元mraa与mrab在相反的方向上转动的对抗模式(即，mr致动器单元mraa顺时针转动并且mr致动器单元mrab逆时针转动)。在该模式下，mr致动器单元mraa与mrab各自可以在两个相反的方向上提供可高度控制的扭矩。在较低的力/较高的带宽模式下，系统中可获得的最大扭矩小于在较高的力/较低的带宽模式(即，协作模式)下可获得的扭矩。然而，因为mr致动器单元mraa与mrab的电机ma与mb无需改变旋转方向，所以与协作模式相比，对抗模式下的扭矩反转带宽可逆较为优越，以在两个相反的方向上提供机器人接头输出构件83处的扭矩。换言之，在协作模式下，如果一个电机改变方向，以转换成对抗模式，带宽将减少，即，扭矩反转可能不那么快。在每个模式下，可以对各个mr致动器单元mraa与mrab的最大扭矩极限与最大速度极限进行独立调整。相对于条件或大型控制算法或传感器，这可以提供在各个方向上对mr致动设备80的性能进行独立调整的能力，因此，变成状态相关模式。总言之，协作模式存在在共同方向上或输出处的矢量上所施加的两个或多个来源的力，而对抗模式存在以对抗模式在输出处(即，依次在不同的方向上)所施加的两个或多个来源的力，且mr流体离合器装置10致力于扭矩传输，并且控制器1操作系统来控制模式选择。此处，相对于机器人接头的示例性使用对系统进行阐明，但是，mr致动设备80可以耦接至任意类型的机械输出。其可以耦接至旋转至旋转转换器(例如，齿轮、滑轮、链轮、连杆装置、或其他类型的旋转机械设备)、或旋转至线性转换器(例如，螺杆、滚珠螺杆、齿条和小齿轮、或其他类型的线性机械设备)、或两者的组合(例如，作用于在滑动机构上拉动的线缆或传送带上的滑轮、作用于旋转接头上的滚珠螺杆、或其他类型的组合机械设备)。
129.图17是由n个mr致动器单元构成的mr致动设备80。在该配置中，多个mr致动器单元mra连接至相同的接头输出构件83。致动设备输出构件83在机器人构件(未示出)上所生成的扭矩是由所有mr致动器单元生成的扭矩(正或负)的和。作为选项，两个电机是双向的，并且如果仅在对抗模式下使用该电机，则其他mr致动器单元的电机可以是单向的。根据条件，多个mr致动器单元可以协作，以在所需方向上施加力。可以对多个mr致动器单元进行重新组织(电机可以改变方向)，以使系统对外力生成作用或或准备重新生成作用。在所需方向上协作生成力的mr致动器单元的数量可以实时地改变，从而允许mr致动器设备80(例如，在
实施例中，在机器人接头处)快速地改变其阻抗特征。可以实现不同的布置：两个mr致动器单元mra在协作模式下协作，并且第三mr致动器单元处于对抗模式，例如，所有的mr致动器单元在协作模式下对其扭矩进行求和。
130.图18是当两个mr离合器装置保持滑动时控制mr致动设备(例如，80)的两个mr致动器单元的控制器的示意性表示。控制器可以用作图中的控制器1。在这种情形下，输入滚筒21比输出滚筒41转动地更快，以使离合器10保持滑动或连续滑动。在这种情形下，由系统传输的扭矩受传输至mr流体离合器装置的线圈35的电流的控制。利用该控制器，许多子模式是可能的。如图16'中所示，当两个mr致动器单元在相反的方向上转动时，第一个可能的模式是对抗模式(或在输出处施加对抗力)，并且其中，由于在机械系统上所生成的力的对抗性质，系统的齿隙减小。第二个操作模式是协作模式，其中，如图16中所示，两个mr致动器在相同的方向上转动(或在共同的方向上或在输出处的方位上施加力)。在该模式下，较高的扭矩是可能的，并且由于两个电机在相同的方向上施加力，系统可能存在齿隙。第三个模式是可能的，其中，mr致动器保持滑动，并且其中，其他致动器保持处于另一模式(即，断电模式、锁定模式、或制动模式)。由于系统是可以完全控制的，可以通过控制器1的操作从一个模式或一个子模式非常快速地切换成另一模式。在实施例中，可以使系统在协作模式下操作，以在一个方向上执行操作，并且如果需要方向改变，则切换成对抗模式进行方向转换，以瞬间消除方向转换的齿隙效应，并且然后，返回成协作模式，以使机器人构件加速。此外，示出了用于两个mr致动器的控制器，但是，具有一个或多个额外的mr致动器的控制器也是可能的。当多个mr致动器彼此协作时，结果可能是系统仍在所阐明的各个模式及子模式下操作，并且相对于在一个方向或另一方向上生成的力，机械系统将从所增加的挠性获益。根据在一个方向与另一方向上协作提供力的mr致动器的数量，系统则可以具有非对称的执行能力。确实，利用具有等同能力(扭矩、速度、...)的三个mr致动器系统，如果两个mr致动器准备在一个方向上(即，cw)提供力并且如果一个mr致动器准备在对抗方向上(ccw)提供力，cw方向上的扭矩能力则可以是ccw方向上的能力的两倍。而且，如果多个mr致动器系统由不同能力(扭矩、速度、动力、...)的mr致动器构成，其可以选择一次或多次致动器调整，以从此处未描述的增加子模式获益。系统根据需要执行操作。具有两个以上或多个mr致动器的系统可以从冗余水平获益。
131.图19是当两个mr离合器装置保持处于锁定模式时控制致动设备的两个mr致动器控制器的示意性表示。在该模式下，对线圈35中的电流进行调整，以使由mr流体离合器装置10传输的扭矩低于mr流体离合器装置的最大可传输扭矩，因此，输入滚筒21与输出滚筒41具有相同的速度，以使离合器10保持处于锁定模式(不滑动)。在该锁定模式下，由电机生成的电流控制致动设备所传输的扭矩。再次，此处，示出了具有两个mr致动器的控制器，但是，可以添加额外的mr致动器。在该锁定模式下，仅一个mr致动器可以用于控制被传输至机械系统的扭矩。还可以使用两个或多个mr致动器进行协作，以在机械系统上生成力。其中一个或多个mr致动器在系统上生成扭矩的锁定模式可能限制mr离合器装置10的滑动并且减少mr流体f中所耗散的能量。锁定模式可以用于增加流体f在各个mr流体装置10中的耐久性。
132.图20是用于确定系统的所需模式的基于事件选择器的示意性表示。基于事件的选择器可以是由控制器1的处理器执行的非暂时性计算机可读指令形式的模块。根据机械系统的使用条件和所需行为，各个mr流体致动器可以从一个模式(对抗或协作或锁定模式)非
常快速地切换成各个子模式(对抗、协作、以及状态相关)。就控制性而言，这允许系统是非常通用的。控制器1可以使用来自应用于系统的各个部件的多个传感器的信号而操作基于事件的选择器。
133.图21是生产基于事件选择器的一种可能(除其他外)解决方案的简化表示。在图21中，当所需扭矩t
mr
比单一mr致动器的t
mr max
高时，图18中的控制器的滑动速度命令slip1_ref、slip2_ref、以及mr扭矩参考用于在对抗模式与协作模式之间进行转换。
134.图22是具有协作进行作业的mr致动器单元(示出了八个)的多个dof致动系统的示意性表示，且球形是共同的输出(例如，作为球形接头或转环的一部分)。在该配置中，特定的dof(即，x、y、以及z上的平移)可以是锁定的。在该配置中，至少ndof 1个mr致动器单元可以协作，以在所需方向上生成力(x、y、或z)或力矩(mx、my、或mz)。而且，每个mr致动器单元可以由多个mr致动器自身构成。在该配置中，在一个方向上提供的力或扭矩可以是在所需方向上协作施加力的多个mr致动器单元的扭矩的和。由于使用mr流体离合器装置所提供的mr致动器单元的低阻抗特征，可以仅在力上控制mr致动器单元，并且因此，允许力协作。具有高阻抗并且因此低带宽的系统导致致动器之间的力发生冲突，并且因此，可能难以对所生成的力进行精确地控制或调整。在该图22中，八个mr致动器单元进行协作，以使致动输出(诸如平台)致动。八个mr致动器单元可能导致具有冗余的过度致动系统。利用本公开的低阻抗mr致动器设备，易于控制所生成的力，并且如果一个mr致动器单元发生故障，系统仍可以操作。
135.图23是机器人臂230中所使用的多个mr致动设备80的示意性表示，也被称为串联机构。在配置中，mr致动设备80、80'、以及80”各自向相应的共置接头1、2、以及3提供致动自由度(dof)，以在端执行器处(在接头6处)实现多个dof的臂。mr致动设备80”'、80
””
、以及80
””
'距离接头4、5、以及6较远并且位于机器人构件231(也被称为连杆)内。mr致动设备80”'、80
””
、以及80
””
'使接头4、5、以及6的旋转dof致动。可以使用传送带、线缆、轴、滑轮、齿轮、或任意其他适当的机械连杆装置传递远程致动。致动设备80”'、80
””
、以及80
””
'距离接头的远程定位可以通过使mr致动器的重量更靠近底座定位而导致臂230的整体惯性降低。
136.图24是图8中用于控制滚珠螺杆241的mr致动设备80的示意性表示。示出了滚珠螺杆241，但是，可以使用任意其他的旋转至线性移动转换机构(例如，齿条与小齿轮)或连杆系统。该系统可以用于控制各种致动器，包括提供主动悬架或转向控制的致动器。在实施例中，mr致动设备80使其mr致动器单元mraa和mrab在例如主轴上生成旋转输出，以致使滚珠螺杆发生平移，或反之亦然。设想了其他类型的旋转至线性转换机构。
137.图25是图24中使滚珠螺杆致动的mr致动设备的示意性表示，其中，mr流体离合器装置10a与10b可以围绕滚珠螺杆的螺母(未示出)而构建。该配置可以提供紧凑的布置。可替代地，mr离合器装置10a与10b可以围绕螺杆251而构建。
138.图26是用于控制具有增强可靠性的mr致动设备80的控制器的示意性表示，并且控制器可以用作上面示出的控制器1。作为实施例，该增强可靠性的可靠控制器可以使用被分配到两个通道中的四个处理器。在实施例中，与独立的硬件处理器相反，表达式处理器包含独立的处理模块。每个通道表征为使用独立控制器控制一个电机和一个离合器线圈的控制器/监测器布置。因此，在通道中的两个处理器之间不一致的情况下，仅关闭一组电机与mr
流体离合器装置(例如，mr致动器单元)。在这种情形下，健康通道中的mr流体离合器装置被锁定，并且如同常规的私服电机，电机控制mr致动器单元。因为在输出处反映电机的惯性、摩擦、与齿槽、以及齿轮减速，所以在该模式下，触觉性能退化。此外，在一个控制计算机(cc)卡发生故障的情况下，该退化模式下可用的低机械带宽可能防止备份平行稳定性和控制增强。尽管出现单一故障，然而，系统功能仍是可用的，但力传感器的情况除外。出于该原因，图26中所示的初步架构可以包括两个独立的力传感器。利用该布置，力传感器读数之间的不一致可能导致系统被动地出现故障。在一个力传感器发生故障的情况下，还可以实现使用额外的力感测冗余的略微不同的方案，以维持闭合环路的力控制能力。
139.参考图27，mr致动器设备80被示出为具有驱动共同输出83的两个mr致动器单元mraa和mrab、准双曲面或球面齿轮93a、93b、或诸如蜗轮、螺旋锥齿轮的类似齿轮。在示出的实施例中，一个该齿轮93a操作地耦接至用作共同输出83的冠齿轮的第一面，而另一齿轮93b操作地耦接至用作共同输出83的冠齿轮的第二面。齿轮93a、93b、93n(如果存在其他齿轮)可以耦接至输出齿轮83的同一面。准双曲面齿轮是具有并不与输出齿轮83的轴线相交的旋转轴线的一种螺旋锥齿轮。准双曲面齿轮的形状是旋转双曲面。可以使用螺旋锥齿轮，并且螺旋锥齿轮具有正常的圆锥形状。同样，球面齿轮具有球面轮廓并且可以使用。而且，图23示出了有限数量的部件，包括减速机构。在图9至图13的mr致动器设备80的变型中，可以使用图23中的输出83与齿轮93a、93b。可选地，齿轮93a和/或93b的旋转轴线与相应的mr流体离合器装置10a,10b的旋转轴线平行。
140.控制器1可以被描述成用于驱动具有分别输出最大扭矩t1和扭矩t2的至少两个mr致动器单元的磁流变(mr)致动器设备的输出构件的系统的一部分。系统可以包括：处理器单元；和非暂时性的计算机可读存储器，通信地耦接至处理单元并且包括由处理单元执行的计算机可读程序指令：控制两个或多个mr致动器单元在共同的方向上以协作模式将扭矩传输至共同的输出构件，共同的输出构件在协作模式下的扭矩大于最大扭矩t1或最大扭矩t2；控制至少两个mr致动器单元在相反的方向上以对抗模式将扭矩传输至共同的输出构件，共同的输出构件在对抗模式下的扭矩至多等于最大扭矩t1或最大扭矩t2。
141.在一些实例中，系统可以执行一些步骤或动作，诸如：在协作模式下控制至少两个mr致动器单元包括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动；在对抗模式下控制至少两个mr致动器单元包括：控制至少一个mr流体离合器装置的滑动；在协作模式下控制至少两个mr致动器单元传输扭矩包括：控制至少两个mr致动器单元在共同输出构件处传输的扭矩是最大扭矩t1或最大扭矩t2的和；对于三个mr流体致动器单元，且第三mr流体致动器单元输出最大扭矩t3，在对抗模式下控制mr致动器单元包括：控制两个mr致动器单元在共同的方向上将扭矩传输至输出构件；并且控制第三mr致动器单元在与该两个mr致动器单元的方向相反的方向上将扭矩传输至输出构件，共同的输出构件在对抗模式下的扭矩至多等于最大扭矩t1、最大扭矩t2、或最大扭矩t3。