用于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器的制造方法
【专利摘要】本发明是一种用于与机械负载交互作用的机械差动致动器。该机械差动致动器包括第一及第二半主动次致动器、速度来源以及具有三个交互作用端口的第一及第二机械差动。第一机械差动包括连结至速度来源的第一交互作用端口以及连结至第一半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口。第二机械差动包括连结至速度来源的第一交互作用端口以及连结至第二半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口。最后，第一及第二机械差动的第二交互作用端口连结在一起而形成配置成连结至负载的输出。
【专利说明】用于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器
本申请是依据申请日为2009年03月26日、申请号为200980111064.6、发明名称为“用
于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器”在答复第二次审查意见通知书时所提交的修改文本而提出的分案申请。
【技术领域】
本发明是有关一种用于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器。尤其是，本发明是有关一种适合机器人交互作用工作、力量控制工作或快速运动工作的双差动半主动致动器。
【背景技术】
大部分现代的机器人系统是快速且可重复定位控制的机器。然而，虽然投入昂贵的研发努力，大多还受限于执行特定程序化动作的控制区。此外，在工作中仍会有受限的性能，比如研磨、抛光、表面跟随及复杂组装。此外，即使已经参与许多经济性的人机交互作用应用(物理治疗、训练辅助、手术辅助、手动工作教导、运动训练、矫正器及义肢动力化、触觉、交互作用机器的远距操作等等)，但是已经成功实现的却很少。
在过去超过25年中，一些研究人员试图辨识并修改设计范例，其在心中的目的是:创作出能安全且多样交互作用的机器人系统，因而导致交互作用控制原理。不幸的是，已证实传统的致动器无法适合其使用且不适合安全且多样交互作用，主要是因为高输出阻抗(惯性及摩擦)以及因为当力量回馈被实现时感测与致动换能器的一般非并列配置。
适合许多交互作用工作的安全且多样致动器必须具有至少四项基本特性:(I)高力量或力矩密度；(2)足够的力量频宽；(3)很低的输出阻抗；以及(4)高真实度的力量显示能力。然而，没有传统致动器同时展现所有这些特点。
【发明内容】
依据本发明，提供一种用于与机械负载交互作用的机械差动致动器，包括:
第一半主动次致动器；
第二半主动次致动器；
速度来源；
第一机械差动，具有三个交互作用端口，包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第一半主动次致动器的第二交互作用端口以及第三交互作用端口 ；以及第二机械差动，具有三个交互作用端口，包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第二半主动次致动器的第二交互作用端口以及第三交互作用端口 ；
其中该第一机械差动的第二交互作用端口以及该第二机械差动的第二交互作用端口是连结在一起以形成一输出，该输出是配置成连结至负载。
在阅读以下只是以实例方式而已的示范性实施例的非限制性说明以及参考所附图式后，本发明的上述及其它目的、优点及特点将变得更加显而易见。【专利附图】
【附图说明】
图1为简化多叶片磁性流变(MR)刹车器的剖示图；
图2为用以示意性表示如MR刹车器或MR离合器的半主动致动器的符号；
图3为MR刹刹车器的典型力矩曲线的曲线图；
图4为使用图1简化多叶片MR刹车器观念的相反半主动次致动器的剖示图；
图5a及图5b分别为具有及不具有惯性效应的机械差动观念的示意杠杆模拟图；
图6为双机械差动观念的可能配置的示意杠杆模拟图；
图7为双机械差动半主动致动器的第一配置的示意杠杆模拟图；
图8为双机械差动半主动致动器的第二配置的示意杠杆模拟图；
图9为双机械差动半主动致动器的第三配置的示意杠杆模拟图；
图10为与图7所示相对配置中使用二周转圆齿轮级的第一实施例双机械差动半主动致动器的剖面立体图；
图11为图10双机械差动半主动致动器实施例的次系统的详细分解图；
图12为图11减速及反向级的速度方向示意图；
图13为图10双机械差动半主动致动器的MR刹车器的剖面立体图；
图14为图10双机械差动半主动致动器的MR刹车器的分解图；
图15为图10双机械差动半主动致动器的双差动机构的简化立体图；
图16为与图8所示相对配置中使用二谐波驱动齿轮级的第二实施例双机械差动半主动致动器的立体图；
图17为图16双机械差动半主动致动器的分解图；
图18为图16双机械差动半主动致动器的双差动机构的简化立体图；
图19为当作图16双机械差动半主动致动器的MR刹车器中输入电压函数的力矩输出的曲线图；
图20为与图16双机械差动半主动致动器使用的电压前向馈入力矩控制器的实例的示意图；
图21为图20控制器对慢正弦指令的力矩响应的曲线图；
图22为相对等于图9所示配置中使用二周转圆齿轮级的第三双差动机构实施例的立体图；以及
图23a及图23b为相对等于图8所示的配置中使用二周转圆传动循环链的第四实施例双差动机构的二种变化的示意图。
主要组件符号说明
IOMR旋转刹车器12转子
13间隙14定子
16电磁线圈20系统
40半主动次致动器系统42半主动致动器(SAA)
43第一方向44SAA
45第二方向46输出组件
47输出组件52机械差动(杠杆)54机械差动(杠杆)56MR刹车器
58MR刹车器60外部机构
102外壳102a外壳本体
102b外壳端部102c外壳端部
104EM马达106小齿轮
108齿轮110小齿轮
112齿轮114齿轮
116小齿轮118齿轮
120太阳齿轮122转轴
124轴承126轴承
128中空转轴130太阳齿轮
132行星齿轮134前端
136后端138、140套管齿轮
142行星承载转轴144轴承
146连杆148、150MR刹车器
152转子叶片154转子隔物
156螺帽158定子叶片
160定子隔物161套环
162,164电磁线圈166、168、170、172磁通量导引部
174间隙176、178、180、182密封组件
184控制及驱动电子装置186译码器
188输出转轴190轴承
192输入速度196输入速度
194刹车力矩198刹车力矩
188输出转轴200输出力矩
202EM马达204支撑座
206支撑板208支撑架
21OMR刹车器212MR刹车器
216双差动机构218输出转轴
220滑轮222滑轮
224皮带226滑轮
228滑轮230皮带
232滑轮234滑轮
239四点接触轴承236皮带
238译码器240连杆
241连杆242连杆
Ol输入速度端口04输入速度端口
03支轴05支轴
02支轴06支轴【具体实施方式】
现在将说明依据本发明致动器的非限制性示范实施例。
一般而言，依据本发明非限制性示范实施例的致动器是有关于新式的致动机构，使用连结至输入速度来源以及连结至使用二机械差动的输出的二半主动致动器。这种配置使得致动器的输出力量(或力矩)是控制在结合半主动致动器的刹车力的二方向上。这种观念会达成:(1)高力量及力矩密度；(2)高频宽；(3)很低的输出阻抗；以及(4)高真实度力量显示能力。除了安全及多样机器人交互作用以外，这些特性还能达到精确力量控制、快速的速度控制。
致动器原理简介
致动器是一种以可控制方式将特定形式的能量(热能、电能、化学能、水力能、机械能等等)转换成机械动力或相反的机构。在本发明中，致动器可为数种次系统的集合，尤其是但非排除性，例如包括:
控制电子学；
动力电子学；
换能器；
状态传感器；以及
传输机构。
η个自由度的机器人系统是经由η个动力交换(交互作用)端口而连结至负载。每个交互作用端口的状态是经由二变量而定义；一般化力量及一般化速度。不可能独立控制某一给定端口的二交互作用状态变量。传统控制是专注于该二变量的其中之一。
针对速度(或位置)控制，理想上致动器是当作与力量负载交互作用的速度来源。致动器必须控制传送至负载的速度，不论遇到任何力量。设计以达成接近理想速度来源的性能的真实致动器常使用高机械阻抗(惯性、摩擦、刚性)组件而实现。这种阻抗很容易排除力量扰动。流控水力换能器及高齿轮比电磁(EM)马达都是很好的实例。高性能速度控制也可能具有低输出阻抗致动器，然而，必需较高的力量频宽以有效抵消扰动。接驱动EM马达的速度控制是很好的实例。
对于力量控制，理想上致动器是当作与速度负载交互作用的力量来源。致动器必须完美的控制传送至负载的力量(或力矩)，而不论输出移动。设计以达成尽可能接近理想力量来源的性能的真实致动器是使用具很低机械阻抗的组件而实现。输出阻抗可视为输出力量对输出移动的敏感度，因而是有害的。第二问题是，如果需要高真实度力量控制，则力量产生现象及系统输出之间的传输必须加上微小的未模式化力量噪声。因为大部分的力量密度致动器表现出高阻抗(惯性及摩擦)，且因为本质上会有很难藉传输加上的模式化力量噪声，所以力量控制常常是一大挑战。
有一大类的机器人工作是用低动力交换而实现:拾取并安置轻对象，缓慢的组合简单的零件，推到坚硬侧壁上。对于这些简单的工作，如果使用适当的致动器，传统以回馈为主的速度或力量控制一般便已足够。然而，对于具有非可忽略动力交换的复杂机器人工作(操控、移动、高动力触觉等等)，缺乏精确的交互作用模式、很难实时精确量测工作相关物理量以及感测及致动换能器的非并列配置，会对简单力量或简单速度控器具有负面影响，很容易显现出不稳定，而且对于安全及多样交互作用是不足够。为对付这些问题，研究人员提出称作“交互作用控制”的新方法，是指在其交互作用端口上调节机器人的动态行为。这牵涉到指定移动与力量之间的关系，并实现试图极小化与该关系的偏差的控制法则。例如，这种关系可表示成所需端口阻抗(ZMf)，指定量测速度(X)的所需输出力量(F)函数，并表不成
【权利要求】
1.一种用于与机械负载交互作用的机械差动致动器，包括: 第一半主动次致动器； 第二半主动次致动器； 速度来源； 第一机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第一半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口 ；以及第二机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第二半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口； 其中，该第一机械差动的第二交互作用端口以及该第二机械差动的第二交互作用端口是连结在一起以形成输出，该输出是配置成连结至负载； 其特征在于，该第一及第二机械差动包括各自的第一及第二速度减降机构，用以实现机械差动功能，该速度来源是连结至该第一及第二速度减降机构。
2.如权利要求1所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一及第二速度减降机构是选自电缆机构、与螺帽机构相对应的导杆或球形螺丝、棒形机构、摆线齿轮箱、周转齿轮箱以及谐波驱动所构成的群组。
3.如权利要求1所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一机械差动的第一交互作用端口是连结至该速度来源，以便在第一方向上移动，而且该第二机械差动的第一交互作用端口是连结至该速度来源，以便在与该第一方向相反的第二方向上移动。
4.如权利要求3所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一机械差动的第一、第二、第三交互作用端口及该第二机械差动的第一、第二、第三交互作用端口具有相对应功能。
5.一种用于与机械负载交互作用的机械差动致动器，包括: 第一半主动次致动器； 第二半主动次致动器； 速度来源； 第一机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第一半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口 ；以及第二机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第二半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口 ； 其中，该第一机械差动的第二交互作用端口以及该第二机械差动的第二交互作用端口是连结在一起以形成输出，该输出是配置成连结至负载； 其特征在于，该第一及第二机械差动包括各自的第一及第二谐波齿轮级； 该第一谐波齿轮级包括连结至该第一机械差动的第一交互作用端口的一波产生器、连结至该第一机械差动的第二交互作用端口的可挠曲制转楔以及连结至该第一机械差动的第三交互作用端口的圆形制转楔； 该第二谐波齿轮级包括连结至该第二机械差动的第一交互作用端口的波产生器、连结至该第二机械差动的第二交互作用端口的可挠曲制转楔以及连结至该第二机械差动的第三交互作用端口的圆形制转楔。
6.如权利要求5所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一谐波齿轮级进一步包括连结至该第一机械差动的第三交互作用端口的动态制转楔，以及该第二谐波齿轮级进一步包括连结至该第二机械差动的第三交互作用端口的动态制转楔。
7.一种用于与机械负载交互作用的机械差动致动器，包括: 第一半主动次致动器； 第二半主动次致动器； 速度来源； 第一机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第一半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口 ；以及第二机械差动，具有三个交互作用端口，是包括连结至该速度来源的第一交互作用端口，以及连结至该第二半主动次致动器的第二交互作用端口及第三交互作用端口 ； 其中，该第一机械差动的第二交互作用端口以及该第二机械差动的第二交互作用端口是连结在一起以形成输出，该输出是配置成连结至负载； 其特征在于，该第一及第二机械差动包括各自的第一及第二周转圆齿轮级； 该第一周转圆齿轮级包括连结至该第一机械差动的第一交互作用端口的太阳齿轮、连结至该第一机 械差动的第二交互作用端口的至少一个行星齿轮以及连结至该第一机械差动的第三交互作用端口的套管齿轮； 该第二周转圆齿轮级包括连结至该第二机械差动的第一交互作用端口的太阳齿轮、连结至该第二机械差动的第二交互作用端口的至少一个行星齿轮以及连结至该第二机械差动的第三交互作用端口的套管齿轮。
【文档编号】F16D67/06GK103775597SQ201310728715
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2009年3月26日 优先权日:2008年3月27日
【发明者】菲利普·福托, 米歇尔·劳里亚, 马克安特万·莱戈, 弗朗克斯·米萧, 马克安德烈·拉沃伊 申请人:麦克森发电机股份公司