CN101983297B

CN101983297B - 用于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器

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Publication number: CN101983297B
Application number: CN200980111064.6A
Authority: CN
Inventors: 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
Original assignee: Maxon Motor AG
Current assignee: Maxon Motor AG
Priority date: 2008-03-27
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: CN103775597B; JP5436532B2; KR20110007135A; US20110045932A1; US8622864B2; EP2271862B1; EP2271862A1; KR101477846B1; CA2719297C; CA2719297A1; JP2011515636A; CN101983297A; EP2881224A1; EP2881224B1; WO2009117827A1; CN103775597A; WO2009117827A8; EP2271862A4

Abstract

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。

Description

用于交互作用工作及快速运动的双差动半主动致动器

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***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***，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：(1)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。

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***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二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

10MR旋转刹车器 12转子

13间隙 14定子

16电磁线圈 20***

40半主动次致动器*** 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

210MR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

O1输入速度端口 O4输入速度端口

O3支轴 O5支轴

O2支轴 O6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***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。

n个自由度的机器人***是经由n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***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(Z_ref)，指定量测速度的所需输出力量(F)函数，并表示成

Z_{ref} (s) = \frac{F (s)}{\overset{\cdot}{X} (s)}

其中s是拉普拉斯(Laplace)复数值。然后速度及力量来源只是要被指定的可能动态关系中的极端。

在机器人***中，当力量不被控制或限制于可接受程度时，便会引起安全问题。在不预期冲击期间或不精确控制期间，即使是在任何控制器注意到或能采取有效行动之前，***的天然阻抗，通常绝大部分是由于致动器天然(有效)阻抗，会产生大负载。一旦控制器注意到，大力量频宽能帮助采取适当的反制措施。因此，安全致动器必须表现出很低的天然阻抗及高频宽。

在机器人交互作用工作中，多样性可定义成精确控制的能力，且在很广范围，交互作用变量为：力量、速度或阻抗关系。精确的力量或阻抗控制需要高真实度力量显示能力。显示低实际阻抗的能力，即使是在高频率，都需要低天然阻抗及高频宽。最后，速度控制中的高性能，使用具低天然阻抗的致动器，只有在如果有足够力量频宽可用时才可能。

对安全及多样性的需求便会需要低天然阻抗、大频宽及精确力量显示能力。另一方面，高力量密度对在有用机器人***中的整合是必需，而且如果致动器本体是被***移动，也能贡献安全性。

设计以交互作用控制的致动器

能安全且比多样方式控制其交互作用而实现机器，是使用为该目的而特别设计的致动器而开始，是相当新的研究趋势。可用的公开文献显示很难实现。为整合工作而设计的现有致动器可分类如下。

电子机械致动器的简单阻抗控制。最先试图交互作用控制是使用具有被开回路控制的电流的EM马达以及标准齿轮箱而进行。开回路是指固有控制稳定度。然而，齿轮箱会放大马达的惯性及摩擦，降低冲击忍受度以及加入噪声到力量上。其性能足够确认阻抗控制的预期，但对大部分的机器人应用是不够。

力量回馈致动器。包括硬质力量传感器，安置成串接于传统高阻抗制器，比如齿轮EM马达。交互作用受到控制，使用力量回馈以部分遮蔽低频的天然输出阻抗。不幸的是，感测及致动换能器的非并列配置会限制稳定的回馈增益及稳定的交互作用频宽。此外，高阻抗对安性是一种威胁。

阻抗可控制直接驱动致动器(DDA)。直接驱动EM马达通常是低惯性装置，具有绕行电流与输出力量之间的已知关系。快速且固有的稳定力量控制可使用电流前向馈入设计而达成。然而，因为不使用齿轮箱，力矩对重量的比例很小，大幅限制可应用的范围。

串接弹性致动器(SEA)。系使用安置于高阻抗致动器与力量传感器之间的兼容组件。藉此，用大振幅频宽以交换较低表面惯性、较佳力量分辨率、改善控制稳定度以及较佳冲击忍受度。

差动弹性致动器。其工作原理是类似于SEA，但使用机械差动以达成简化的整合，尤其是对于转动致动器。

可变刚性致动器(VSA)。这些致动器能借机歇装置而改变其天然的输出刚性。大部分的VSA使用以相反配置而工作的二非线性机械弹簧。最后的致动器是固有稳定且耐冲击。主要的缺点是机械复杂度及较低力量密度。

并联连结微巨型致动器(PaCMMA)及分布巨迷你(DM2)致动器。PaCMMA及DM2致动器使用并联于低动力DDA的高动力SEA。SEA贡献出”低频及高动力”力量，而DDA致动器贡献出”高频及低动力”力量。该***是以闭回路方式在输出使用力量传感器而控制。

可变减振致动器(VDA)。这些致动器使用串联或差动连结的神学流体离合器，安置于高阻抗致动器及负载之间。藉调变离合力矩以获得可变输出力量。优点是，环境(负载)是与高阻抗致动器的惯性被隔离开。然而，对于相反输出力量，输入速度必须相反，因而当跨越零力量时，会限制频宽。而且，离合器摩擦会限制显示精确微小力量的能力。

半主动次致动器

半主动次致动器是只消耗机械能的装置。当与具类似力量的主动致动器比较起来，许多半主动次致动器是较小、较轻且显示较低输出惯性。不同的半主动次致动器可用以实现本发明，比如电性流变或磁性流变(MR)流体刹车器、干摩擦刹车器、磁性颗粒刹车器、电磁磁滞刹车器、旋转减振器等等，但不受限于此。为简化，以下明是限于MR刹车器，但必须要了解的是，也可以使用其它型式的半主动次致动器。MR流体的流变行为是藉施加电磁场而修改。当流体受到剪切时，这种改变已藉利用较大或较小正比于电磁场大小的屈服应力而获得证明。参考图1，显示出解释性实例的MR旋转刹车器10，系利用一个或多个散布转子12及定子14叶片以剪切在间隙13中的MR流体，多个间隙13提供增加的力矩。例如，能使用电磁线圈16而产生磁通量。这种MR刹车器能表现出高力矩对重量比例、低惯性、高频宽、宽动态力矩范围以及低动力消耗。它们可用以在电子及机械***之间产生简单、安静且快速的接口。为了以下说明的目的，图2所显示的***20将用以示意的代表半主动致动器，比如MR刹车器或MR离合器(以线性配置)。

参考图3，显示一般致动力矩T对磁场强度H及角速度ω的曲线图。例如，可使用前向馈入至电磁线圈16的电压或电流而调变的磁场相关屈服力矩是Ty(H)(见图1)。B及Tf是黏滞及干摩擦项。要注意的是，黏附现象是低速可视的。如果在转子2与定子14叶片之间具有足够的相对移动，方程式1是输出力矩的良好近似。方程式2是方程式1的线性相等量(是线性力F而非力矩T)，其中i是线性速度而C是黏滞摩擦的线性系数。

T(H)＝-(Ty(H)+Tf)sgn(ω)-Bω 方程式1

F (H) = - {Fy (H) + Ff) sgn (\overset{\cdot}{X}) - C \overset{\cdot}{X}

方程式2

相反的半主动次致动器观念

相反的半主动次致动器观念使用二类似半主动离合器，是由外部速度来源[1]、[2]、[3]、[4]及[5]以相同速度但以相反方向驱动。参考图4，二半主动致动器(SAA)42及44的输出是连结一起以形成半主动次致动器***40的输出组件47。第一SAA42的输入组件，例如MR离合器，以第一方向43转动，例如顺时针(CW)方向，而第二SAA44的输入组件，例如MR离合器，以第二方向45转动，例如反时针(CCW)方向。第一SAA42控制CW输出力矩，而第二SAA44控制CCW输出力矩，只要输出组件46未转动得比SAA42及44的输入组件还快即可(即SAA42及44的框架)。

除了负载是隔离开速度来源的惯性的事实以外，相反二类似半主动致动器还有许多优点。例如，因为对称设计，离合器(比如图4的第一SAA42及第二SAA44)的干摩擦被消除，并传送至输出。如果输入速度类似，当输出速度是零时，黏滞力也会平衡。黏附会被去除，因为离合器内一直有相对移动。因为这些优点，结合以下事实，离合力量，视半主栋致动器技术而定，能被快速并精确控制，例如藉调变前向馈入电压或电流至二半主动致动器，所以这种观念可用以产生高性能(高力量密度、高频宽、很低输出阻抗及高真实度力量显示能力)的固有问定力量来源。

机械差动

机械差动是具有三端口的机构，其中力量是分布成遵守某一已知关系。在其它机构中，任何速度降减器都可当作机械差动，包括标准齿轮箱、谐波驱动、摆线齿轮箱、棒形机构、与螺帽机构相对应的导杆或球形螺丝以及电缆机构。杠杆模拟可用以解释差动机构的工作元原理。图5a及图5b是显示考虑没有惯性效应(图5a)及具有惯性效应(图5b)的这种杠杆模拟。如果不考虑惯性效应(图5a)，端口O1、O2及O3、速度及以及力量F1、F2及F3之间的关系是以方程式3及方程式4说明。如果考虑惯性效应(图5b)，如加入总集质量m₁、m₂及m₃所示，力量关系可藉方程式5表示。

\{\begin{matrix} F_{2} = - F_{3} (1 + R) + {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{2} (m_{2} + {(1 + R)}^{2} m_{3}) - {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{1} ((1 + R) {Rm}_{3}) \\ F_{1} = F_{3} R - {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{3} {Rm}_{3} + m_{1} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{1} \end{matrix}

方程式5

使用差动机构提供分布在三端口上的力量，并开创新的配置可能性给更复杂致动原理。在具有差动连结优势的少数现有致动器中，是由劳里亚(Lauria)等人[6]、金(Kim)等人[7]及卓贝斯(Chapuis)等人[8]所提出。

双差动半主动致动器观念

在MR离合器中，有一输入转动组件及一输出转动组件。磁场是由连结穿过滑环的转动线圈，或由被固定磁通量导块包围的静止线圈而产生。因此MR离合器是相当复杂。在比较下，MR刹车器较小且较简单，因为输出是唯一的转动组件。

因为使用离合器，所以相反的半主动次致动器观念对整合是很复杂。这种缺点可藉使用二不同连结刹车器而非二串接连结离合器而大幅的降低。因此，本发明使用藉二机械差动连结至输出速度来源以及***输出的二半主动致动器(刹车器)。该配置是使得***的输出力量能在二个方向上藉结合二刹车力量而被控制。

如上所述，许多半主动致动器技术可用以实现本发明。然而，为了简化的缘故，MR刹车器将用来解说工作原理。

双差动半主动致动器观念的一种可能配置是显示于图6中，是使用杠杆模拟以解释其工作原理。速度来源(未显示)在相反方向上以速度移动二机械差动52及54的输入端口O1及O4。支轴O2及O5是连结至机械研磨刹车器(未显示)，产生如方程式2所示的刹车力量F(H1)及F(H2)。支轴O3及O6是连结在一起，并形成***输出。为考虑惯性效应，加入总集质量：M1是与速度来源惯性及差动机械摩擦惯性有关，m_out是与输出连结惯性及机械差动52及54的惯性摩擦有关，而m3是与刹车器的惯性及差动机构的摩擦有关。二种输入速度、二种差动机构以及二种刹车器是考虑成类似于方便说明工作原理及突显可能的优点。如果输入速度是大到足以确保二种刹车器输出组件都可在相反方向上移动而不论输出移动时，输出力量F_out可表示成方程式6及方程式7。这是二可控制刹车力量以及天然输出阻抗Z_out{s)的项次的线性结合，其中S是拉普拉斯复数值。

F_{out} = (F_{y} (H_{1}) - F_{y} (H_{2})) (1 + R) + {\overset{\cdot}{X}}_{out} Z_{out}

方程式6

Z_out＝(2(1+R)²(m₃s+C)+m_out) 方程式7

先前关系说明这种致动原理配置的某些特性。对于相反半主动次致动器观念，对称设计是使得，MR刹车器的干摩擦项不会传送至输出。当输出速度为零时，黏滞力量被平衡。黏附问题被去除掉，因为刹车器中一直有相对移动。齿轮隙被去除掉，因为每个差动机构中的反应力量一直是在相同方向上。此外，如方程式6及方程式7所示，输出力量不受输入速度来源的移动所影响，因此不需精确控制。另一特点是，因为很低输出惯性的刹车器，所以天然输出阻抗与某一传统致动器比较起来，比如标准驱动EM马达，可做成很小。依据该观念的致动器的其它优点稍后将说明。

可能的配置

为简化说明本发明，现在将参考图7至图9以讨论复数个可能配置中的三种解释性配置。

更具体地，图7所示的第一配置是相对等于图6中所使用的配置以简介双机械差动观念，加上二半主动致动器，亦即分别连结至支轴O3及O6的MR刹车器56及58。

在第二配置中，如图8所示，二差动52及54的输入速度端口O1及O4是在相同方向上移动，而支轴O3及O5是分别连结至二MR刹车器56及58，支轴O2及O6是连结在一起以形成输出。因为双差动配置，所以输出力量在二方向上仍是可控制。

至于第三配置，如图9所示，二差动52及54的输入速度端口O1及O4也是在相同方向上移动，而支轴O2及O5分别连结至二MR刹车器56及58，且支轴O3及O6是连结至外部机构60(由第三层代表)以形成***的输出。外部机构60是有必要，以使得刹车力量对输出力量具有相反效应。

例如，这些解释性的配置可使用电缆机构、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、谐波驱动等等而实现。

例如，输出力量可藉调变到该二半主动致动器的前向馈入电压或电流而控制。另一方式是，输出力量也可使用在输出与负载之间具力量或力矩传感器的力矩回馈控制设计而控制。

要注意的是，只要输出力量在二方向上使用由MR刹车器56及58所提供的二刹车量力是可控制，则杠杆52及54的长度可独立改变，且端口O1至O6的功能(连结至输入速度来源、连结至刹车器或连结至***输出)可在不偏离本发明的精神及本性下排列。

双差动半主动致动器的解释性实施例

第一实施例

在第一解释性实施例中，参考图10至图15，周转圆齿轮级是用于对等于图7所示的双差动配置中。一般而言，该第一解释性实施例包括将进一步说明以下组件。

输入速度来源，包括电磁(EM)马达与速度减降器以及逆反级，具有在方向上以相反速度移动的二组件以形成该速度来源的输出；

双差动机构，是依据二周转圆齿轮级而连结至输入速度来源，连结至二M刹车器及连结至***输出；以及

控制及驱动电子装置，可选择的包含于致动器主体内。

更具体的，参考图10至图15，为了形成速度来源，外壳102(由外壳本体102a以及二外壳端部102b及102c所构成)是机械固定至参考框架(未显示)。EM马达104的转子是贴附于啮合住齿轮108的小齿轮106。齿轮108本身贴附至啮合住齿轮112的小齿轮110，形成第一速度输出。齿轮108也啮合住齿轮114，而齿轮114本身是贴附至啮合住齿轮118的小齿轮116，形成第二速度输出。该二输出速度在相反方向上移动，如图11与图12的箭头所示。

为了连结速度来源，即齿轮112及118，至机械差动输入端口，所以齿轮112是经转轴122而贴附至太阳齿轮130，其移动是由轴承124及126引导。齿轮118是经中空转轴128而贴附至太阳齿轮120，中空转轴128可自由转动至转轴122，且其移动是由转轴122引导。

周转圆齿轮级是用以形成双差动机构。差动配置中的周转圆齿轮级是相对等于图7的杠杆52及54，其中R是太阳齿轮与套管齿轮的齿数的比例。差动功能是藉太阳齿轮120及130(端口O1及O4)对设置在前端134及后端136的行星承载器上的行星齿轮132(端口O2及O5)以及套管齿轮138及140(端口O3及O6)的交互作用而实现。该二周转圆齿轮级的行星是在行星承载转轴142上自由转动，行星承载转轴142被前端134及后端136的行星承载器所支撑，而前端134及后端136的行星承载器的移动是由轴承144及190引导。在该第一解释性实施例中，连杆146是用以增加前端134及后端136的行星承载器的刚性。

更具体的参考图13及图14，MR刹车器148及150的转子是藉经螺帽156的帮助而固定至套管齿轮138及140的一些转子叶片152及转子隔物154而形成。在另一方面，固定至外壳本体102a的MR刹车器148及150的定子是藉一些定子叶片158及定子隔物160而形成，是属于套环161、电磁线圈162及164以及磁通量导引部166、168、170及172。转子152及定子158的叶片间的间隙174是由MR流体填满。密封组件176、178、180及182是用以限制MR流体。当电流流过线圈162及164的其中之一时，产生磁场并导引穿过相对应刹车器的MR流体，亦即刹车器148及150。结果，相对于定子，刹车器148及150是相反于转子的转动(分别为套管齿轮138或140)。

现在参考图15，显示太阳齿轮120及130个别输入速度192及196的方向，以及套管齿轮138或140个别的刹车力矩194及198，造成在输出转轴188上的输出力矩200。

回去参考图10，控制及驱动电子装置184藉调变供应至MR刹车器148及150的电磁线圈162及164的电能，以控制EM马达104的转动以及二刹车力量。控制及驱动电子装置184是可选择的包含于致动器主体内。取决于所采取的控制设计，可选择的译码器186，可用以感测藉轴承144及190所导引的输出转轴188的移动。

第二解释性实施例

在第二解释性实施例中，参考图16至图18，二谐波驱动齿轮级是用于相对等于图8所示的双差动配置。一般而言，该第二解释性实施例包括以下将进一步详细说明的组件：

输入速度来源，藉电磁(EM)马达而形成；

双差动机构，依据二谐波驱动(HD)齿轮级，连结至输入速度来源、二MR刹车器以及***输出；以及

控制及驱动电子装置。

更加具体的，参考图16至图18，形成速度来源，EM马达202的本体、支撑座204、支撑板206、支撑架208以及MR刹车器210及212的本体是以机械方式研磨。EM马达202的输出转轴214形成速度来源，连接至双差动机构216的输出端口(见图17)。

二HD齿轮级是用以形成双差动机构216，图18显示简化的切割图。一般，HD齿轮箱是由三组件构成：1)波产生器(WG)；2)可挠曲制转楔(FS)；以及3)圆形制转楔(CS)。所使用的该二HD齿轮组具有第四组件，称作动态制转楔(DS)，是绕着FS转动[9]。HD齿轮级可视为相对等于图8的杠杆52或54的其中之一，具有O1/O4的WG，O2/O5的CS，O3/O6的FS/DS，而且R是相对等于被FS/DS的齿数所除的2。二个WG(端口O1及O4)是固定于EM马达202的输出转轴214。第一HD齿轮级的CS(O2)是固定于第二的FS(O6)。然后该组合体经由滑轮220及222以及皮带224而连结至***输出转轴218。第一齿轮级的DS(O3)是经由滑轮226及228以及皮带230而连结至MR刹车器210。第二齿轮级的CS(O5)是经由滑轮232及234以及皮带236而连结至MR刹车器212。四点接触轴承239是用以导引滑轮移动及贴附齿轮组件。双机械差动机构216是在连杆240上经由皮带224而连结至输出转轴218，在连杆241上经由皮带230而连结至MR刹车器210，以及在连杆242上经由皮带236而连结至MR刹车器212。

商业上可获得的MR刹车器可用于MR刹车器210及212，比如由LORD公司所贩卖的那些MR刹车器[10]。

控制器及驱动电子装置(未显示)藉调变供应至MR刹车器210及212的电能，以控制EM马达202的转动以及二刹车力量。取决于所采用的控制设计，可选择的译码器238可用以感测输出转轴218的移动。

例如，控制器可使用电压前向馈入力矩控制设计。在这种设计中，输出力矩(‘I’)与施加至MR刹车器210及212(E1及E2)的电压间的关系先被辨识。为此目的，EM马达202被设定成以固定速度转动，而缓慢变动的正弦电压被传送至MR刹车器210及212。输出力矩是用被阻挡的输出移动而量测。数据及匹配的线性曲线显示于图19中。部分因为所选取配置的非对称性，所以曲线不会在正好0Nm跨越，而是小力矩值(0*)。与图6的配置相反的是，MR刹车器210及212的很小摩擦会在输出上传送。图20显示使用来自图19的资料的电压前向馈入力矩控制器244的解释性实例，而图21显示使用图20的控制器响应慢正弦力矩指令的力矩，具被阻挡的输出移动。

第三解释性实施例

在第三解释性实施例中，参考图22，二周转圆齿轮级是用于相对等于图9所示的双差动配置中。

速度来源246是连接至太阳齿轮248及250(端口O1及O4)，所述太阳齿轮248及250以速度转动。行星承载器252及254(端口O2及O5)是连接至MR刹车器(未显示)，产生刹车力矩253及255。套管齿轮256及258(端口O3及O6)是固定至滑轮260及262，驱动电缆或皮带264。***的输出是滑轮266。滑轮260、262及266以及电缆或皮带264构成图9的外部机构60，是用比使得该二刹车力矩对输出力矩268具有相反效应。

第四解释性实施例

在第四解释性实施例中，参考图23a及图23b，二周转圆传动循环链是用于相对等于图8所示的双差动配置中。图23a及图23b显示二变量，能结合高减降比例以及双差动。图8的R1及R2是传动单元相对齿数的函数，如方程式8及方程式9所示，其中ni是齿轮i的齿数。

在图23a及图23b中，输出转轴270(端口O1及O4)是连结至速度来源(未显示)。转轴272(端口O3)是是连结至第一刹车器(未显示)，而转轴274(端口O5)是是连结至第二刹车器(未显示)，而且主轴276(端口O2及O6)是当作***的输出。行星齿轮278比行星齿轮280具有更多齿，而行星齿轮280本身比行星齿轮282具有更多齿。如果刹车力矩被施加到转轴272，则力矩以相反于所传送的方向而传送至转轴276，如果刹车力矩是施加在转轴274上。

R_{1} = \frac{n_{276} n_{278}}{n_{280} n_{272}} - 1

方程式8

R_{2} = \frac{n_{274} n_{280}}{n_{282} n_{276}} - 1

方程式9

要了解的是，虽然于上述解释性实施例中已经主要参考EM马达当作速度来源，但是为了本发明的这种速度来源是指能提供移动的任何机械动力来源，例如动力齿轮或直接驱动EM马达、压电马达、水力马达、充气马达、燃烧引擎、涡轮等等。

双差动半主动致动器观念的优点

双差动半主动致动器观念的优点的一般优点包括以下所提。

力量可控制成具有大频宽，如果致动器使用快速半主动致动器，比如设计周全的MR刹车器。因此该设计适合快速力量、怎抗或位制控制工作。大频宽对机器人交互作用应用中所遭遇的安全性问题也很有用。

输出阻抗可特别的低，因为能从速度来源大幅脱离。在控制低力量及阻抗时，低输出惯性致动器执行较佳，且可更安全执行交互作用工作。此外，小惯性改善快速加速及减速并较快移动及增加产量的能力。

例如，致动器力量或阻抗能藉调变MR刹车器中的前向馈入电流或电压而被控制。该控制不依靠力量回馈回路，致动与感测换能器之间的结构模式会使力量反馈回路不稳定。稳定度问题限制许多先前依靠力量回馈的方式的力量及阻抗控制性能。

致动器可显示在广动态力量范围中的高真实度力量控制。在齿轮马达中，力量放大传送加上大量很难模式化的噪声到力量输出上。该噪声是来自动力缺陷、松动、黏附及非线性摩擦。所建议的观念能使用高力量密度的半主动致动器，以直接且不需实质上进一步力量放大而产生大力量。结果，刹车器可经由最小齿轮而连结至输出，而且如果刹车力量可精确控制，则致动器显示在广动态范围中的高真实度力量控制。

反驱动性是当致动没有产生力量时移动输出所需最小力量的量测。这种观念常常被用以讨论阻控及力量控制致动器的性能及安全性。因为天然的低输出阻抗，该设计为相当的可反驱动。

该设计是很强固且耐冲击。输出力量一直被控制，即使是在冲击事件的期间，其中过多能量只是在刹车器中消散。没有易碎的传送组件虎传感器会遭受一般在与未知环进行交互作用时所遭遇到的冲力。

所建议的观念可以合理的成本制作。先前所提的脱离效应会使使用低质量输入速度来源变为可能，比如具有大惯性、长时间常数或不精确的速度控制。此外，降低及逆反级的相关齿轮驱动可表现出很多非线性摩擦。这些都没有传送至致动器输出。另外，齿轮驱动可用机器处理而具有大容忍度，因为内部相反力量已去除掉松动。

去除松动对改善定位控制工作有利。进一步在致动器与负载之间造成高惯性不匹配，而不妥协处理定位或速度控制器的稳定度。

该致动器适合冗余控制。机器人***具有冗余致动作用，如果致动器的数目大于自由度的数目。冗余致动作用已知会改善平行操控者的工作端作用器刚性，去除在奇异点上的未控制行为，以及让工空间中更加均一的力量输出。传统(刚性)致动器无法轻易用于冗余致动作用，因为在定位中的任何错误会造成大的内部力量，脱离或伤害到***。所建议的双差动半主动致动器适合冗余致动作用，因为很容易相反驱动。

该原理的另一优点是，使用机械机构以传送机械动力至不同致动接头的可能性。一般，具多个自由度的致动***具有用于每个接头的马达。每个致动器将来自启始型式的能量(比如电能)转换成机械能。每个致动器需要某一重量及体积以执行转换。机械机构是一种观念，允许使用单一机械能来源以致动复数个接头，因而对于某些应用会降低整体复杂度、体积及质量。

双差动半主动致动器观念的应用

上述本发明的解释性实施例尤其是，但非排除性，适合适应整合机器人***及机构的高性能致动器的设计。需要安全、快速、精确或与环境多样交互作用控制的许多机器人工作，可由这些设计而获得益处。应用领域很多，包括以下应用：

用于快速及/或精确组合工作的机器人手臂的致动作用；

用于快速及/或精确切割工作的机器人切割机器(包括镭射型)的致动作用；

用于复健、物理治疗及肌肉或神经肌肉训练机器人***的致动作用；

在人类环境中安全机器人手臂的致动作用；

安全及强固机器人玩具的致动作用；

触觉接口(远距出现、远距操作及虚拟实境)的致动作用；

线控触觉驱动轮的致动作用；

用于机器人车辆的力量或阻抗受控车轮及接头的致动作用；

义肢或矫正肢体的致动作用；

力量放大及工作辅助外骨骼的致动作用；

用于抛光或研磨的机器人的致动作用；

高度引擎机器人机构的致动作用；

精细执行工作的机器人手臂的致动作用；

手术用机器人的致动作用；

用于类人类机器人的四肢的致动作用；

在未知环境中操控变形物体的任何机器人；

机器人***与未知环境交互作用的任何工作；

需要控制力量或力矩的任何工作；

需要较少输出惯性以较快移动的任何工作；

需要较少松动以改善定位精确及/或控制稳定度的任何工作；

由单一机械动力来源的多个飞机襟翼的致动作用；

由单一机械动力来源多个直升机叶片的致动作用；以及

机械机构观念很有用的任何致动作用。

要注意的是，本发明在其说明书中并不受限于所附图式及上述说明中所示结构及零件的细节。本发明能有其它实施例，并以不同方式实现。还要注意的是，在此所使用的措辞或术语是为了说明而非限制的目的。

因此，虽然本发明在此已经藉由非限制性的解释性实施例而说明，但是这些实施例在所附申请专利范围的范围内且在不偏离主要发明的精神及本性下可被修改。

参考文献

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[2]S.B.Choi，S.S.Han，H.K.Kim，C.C.Cheong，″H infinity control of aflexible gantry robot arm using smart actuators″，Mechatronics9(3)：271-86，1999.

[3]H.Hakogi，M.Ohaba，N.Kuramochi，H.Yano，″Torque control of arehabilitation teaching robot using magneto-rheological fluid clutches″，JSME IntJ Series B48(3)：501-7，2006.

[4]A.R.Johnson，W.A Bullough，J.Makin，″Dynamic simulation andperformance of an electro-rheological clutch based reciprocating mechanism″，Smart Materials and Structures，v8，n5，Oct，1999，p591-600.

[5]Perco laboratory website，as of 03/2008：

www.percro.org/index.php？pageld＝MRCIutch

www.percro.org/index.php？pageld＝AdvancedActu tionConcepts；

[6]M.Lauria，M.-A.Legault，P.Giguere，F.Gagnon，F.Michaud，M.Lavoie，High Performance Differential Actuator for Robotic interaction tasks，U.S.patent application 20070241696，2007.

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[9]http://www.harmonicdrive.net

[10]http://www.lord.com/mr

Claims

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；以及

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，其中该机械差动致动器的输出力量是控制在结合第一和第二半主动次致动器的刹车力的第一和第二方向上。

2.如权利要求1所述的机械差动致动器，其特征在于，该速度来源是选自动力齿轮驱动电磁马达、直接驱动电磁马达、压电马达、水力马达、充气马达、燃烧引擎及涡轮机所构成的群组。

3.如权利要求1所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一及第二半主动次致动器是相同的。

4.如权利要求1所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一及第二半主动次致动器是选自电气流变流体刹车器、磁性流变流体刹车器、干摩擦刹车器、磁性颗粒刹车器、磁滞刹车器及水力旋转刹车器所构成的群组。

5.如权利要求4所述的机械差动致动器，其特征在于，该第一及第二半主动次致动器为磁性流变流体刹车器。

6.如权利要求5所述的机械差动致动器，其特征在于，进一步包括控制器，用以藉调变供应至所述磁性流变流体刹车器的电能，控制该速度来源以及该第一及第二半主动次致动器。

7.如权利要求6所述的机械差动致动器，其特征在于，进一步包括移动传感器，用以感测该输出的移动以及提供移动信息给该控制器。

8.如权利要求7所述的机械差动致动器，其特征在于，该控制器使用选自电压前向馈入力矩控制设计及电流前向馈入力矩控制设计所构成的群组的控制设计。

9.如权利要求6所述的机械差动致动器，其特征在于，进一步包括选自力量传感器以及力矩传感器所构成的群组的传感器，用以感测施加至该负载的力量或力矩，并提供力量或力矩信息给该控制器。

10.如权利要求9所述的机械差动致动器，其特征在于，该控制器使用力矩回馈控制设计。

11.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、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。

12.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进一步连结至该第二机械差动的第一交互作用端口，以便在共同方向上移动。

13.如权利要求12所述的机械差动致动器，其特征在于，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经由一外部机构而连结在一起，以使得该第一及第二半主动次致动器的刹车力矩产生方向相反的输出力矩。

14.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。

15.如权利要求14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。