CN104582910A - 液压致动器*** - Google Patents

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CN104582910A CN201380044651.4A CN201380044651A CN104582910A CN 104582910 A CN104582910 A CN 104582910A CN 201380044651 A CN201380044651 A CN 201380044651A CN 104582910 A CN104582910 A CN 104582910A
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大卫·沙因曼
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罗伯特·莫尔
乔纳森·比尔德
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Abstract

本发明涉及控制液压致动***(50)，所述液压致动***(50)具有至少一个自由度、原动机(101)、至少一个致动模块(110、120、130)及控制器(103)，其中每一致动模块(110、120、130)包含：越中心可变排量泵(112及113；601；801)，其具有经配置以从所述原动机(101)给所述泵提供动力的动力输入连接及用于使所述泵的排量变化的排量变化输入；排量变化致动器(111、121、131)，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；输出致动器(115)，其与所述泵直接通信，所述输出致动器(115)经配置以驱动对应自由度；及至少一个传感器(116、126)，其确立表示所述输出致动器(115)的力或运动的反馈测量。

Description

液压致动器***
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2012年8月27日提出申请、标题为“液压致动器***(HydraulicActuator System)”的序列号为61/693,463的美国临时申请案的权益。
背景技术
本发明涉及一种用于移动机器人的高效率、低质量液压致动***，且一般来说涉及移动平台，其中交流电源的缺乏需要特别注意总体致动器***效率。
已花费巨大努力尝试使固定的工业液压致动***适应于移动需要，但这些***通常具有不良效率，仅在与内燃机一起使用时才站得住脚。当今的目前最佳技术解决方案是使用低效率液压伺服阀。虽然这些阀具有超常控制性能，但其具有极低效率且因此不适合于电池供电的***。甚至在其中效率并非要求的应用中，较好效率可引起显著能量节省且减少热负载。
移动机器人致动器中的目前最佳技术是以下两个种类中的一者：(1)使用高比率传动装置(例如谐波驱动或滚珠螺杆)的耦合到受控制的每一轴线的电动机；或(2)与液压蓄能器并行地驱动液压泵以在每一轴线处形成恒定压力液压供应轨及液压伺服阀的电动机。选项(1)是较简单解决方案但由于传动装置而在轴线处产生高惯性，但此传动装置对于电动机的性质是基本的且不可被避免直到具有实质上低于铜的电阻的导体可用于电动机设计中。选项(2)提供更好性能，但以在电池供电的应用中不可容许的效率(实质上由于伺服阀)。尽管其它致动器(例如电活性聚合物及气动人工肌肉以及其它气动或仿肌肉致动器)提供其它解决路径，但其尚未达到其中其可用于密集移动应用中的状态。主要商业努力及因商业意图而设计的研究平台(例如本田的ASIMO、波士顿动力公司BIG DOG及iRobot的PACKBOT生产线)无例外地使用以上解决方案(1)或(2)。
发明内容
本发明***涉及采用具有高于电动传动系的效率的理论效率的液压致动器。致动***基于微型可变排量液压泵。可变排量泵在液压技术中是众所周知的。与固定排量泵一样地，可变排量泵将旋转轴运动转换成液压流体运动，但不同于固定排量泵，可变排量泵具有旋转轴输入及控制泵的排量的额外输入。可变排量泵已在液压***中用于提供纯粹机械***控制，通常以通过将使泵排量变化的机构连接到对抗***压力的弹簧而维持恒定压力供应。一些可变排量泵是越中心可变排量泵，也就是说排量可减小到零(此时泵不产生流量)且继续超过零，使得液压流体流动的方向可纯粹地通过使泵排量变化而反转。存在可经设计为越中心可变排量液压泵的许多类别的液压泵，包含径向活塞泵、轴向活塞泵及叶片泵。
本发明使用单个可变排量液压泵来驱动受控制的每一轴线。每一可变排量泵的动力输入轴连接到公共旋转驱动轴，且每一可变排量泵具有控制可变排量泵的排量的个别电动机。公共驱动轴连接到充当原动机的一个驱动电动机。在N个轴线的典型配置中，将存在一个驱动电动机及N个致动模块。每一致动模块将具有一个泵、一个控制马达及一个输出致动器。所述驱动马达为***提供所有机械动力。每一控制马达必须仅提供克服摩擦力及泵的必须经移动以便使排量变化的部分的惯性所需要的力。一般来说，***压力不妨碍泵排量机构，或妨碍泵排量机构的***压力的分量是非常小的，且因此控制马达不需要克服***压力。如果适当地设计***，那么必须由控制马达克服以便改变泵排量的负载可是相当小的。在经优化泵设计的情况下，此致动***可达成类似大小的液压伺服阀***的控制带宽。当然，***可运行为单轴线***，且此布置在特定应用中可是有利的，但其独特优点中的许多优点随着轴线的数目增加而有利地按比例缩放。
本发明具有若干个优点。与使用伺服阀的液压***一样地，轴线处的重量仅是致动器，例如液压缸或液压马达。然而，***并非如通过耗散阀中的动力来控制而是通过使泵的排量变化以得到所要致动器输出来控制。通过将泵定位为接近零排量，输出致动器可有效地用作双向控制的阻尼器以减速或保持位置而不论轴线上的负载如何。此外，施加到致动器的所有负载通过可变排量泵反射回到由单个马达驱动的单个驱动轴上。公共驱动布置具有四个原则优点：
1.1.由单个原动机产生用于使输出致动器移动的所有能量。如果原动机是内燃机那么此是必要的。当原动机是电动机时，单个电动机将比数个小电动机更高效地产生动力。
2.原动机及驱动轴的惯性帮助吸收峰值负载。在直接驱动电***中；额外惯性减小致动带宽，从而需要更小的较低效率的马达。
3.由输出致动器产生的能量机械地传送到驱动轴且接着在不转换为电能的情况下直接传送到其它输出致动器。因此，甚至在原动机无法产生动力时(如在引擎的情形中)再生是可能的。如果净总计的所有输出致动器产生与其所吸收相比更多的动力，且原动机可使电力再生，那么电力可传回到电力供应器。
4.原动机的速度可在控制器继续控制输出致动器的运动时变化，只要原动机的速度足以产生每一输出致动器所需要的流量(已知与所述致动器相关联的可变排量泵的最大排量)。因此，原动机的速度是可用于通过高电平过程优化的自由变量且速率可是变化的以便最大化效率、最小化噪声、提供更高流动速率的周期以允许快速操纵及/或在不活动周期期间节省电力。
存在本发明的改进其能力及效率的若干个特征，且这些特征通常适用而无论本发明中所使用的泵的类型。然而，从在连同附图一起进行时对优选实施例的以下详细说明将更容易地明了本发明的额外目标特征及优点，其中在数个视图中相似元件符号指代对应部件。
附图说明
图1是根据本发明的包含液压致动器***的负重机器人的视图；
图2是包含三个致动模块的总体***的视图；
图3是旋转速度随时间而变的曲线图，所述曲线图证明可如何使用原动机的多个旋转速度；
图4是由控制器施加以调节图3中所展示的旋转速度的控制努力的曲线图；
图5是图解说明用于改进***的性能的简单启发法的流程图；
图6是向致动***指示其应以数个模式中的哪一模式操作的外部信号的曲线图；
图7是采用本发明的致动器***的假肢膝盖布置的示意图；
图8是具有弯曲安装的外壳(带本发明的特定优点的布置)的泵的视图；
图9是具有一个公共外壳的负载平衡泵的视图；及
图10是具有两个经链接外壳的负载平衡泵的视图。
具体实施方式
下文详细地描述具有广泛应用的高效率液压致动的新方法。在描述中，出于解释的目的，陈述大量具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将显而易见，本发明可不借助这些具体细节来实践。
在优选实施例中，致动***可用于控制移动机器人负重机器人。负重机器人可用于各种应用，例如帮助健全人运载额外重量及使得无法使用其下肢的下身麻痹患者能够行走。参考图1，负重机器人10具有左腿21及右腿22，每一条腿具有经配置以分别致动所述腿的膝盖及臀部的液压缸30及31。四个液压缸与形成负重机器人10的躯干60的一部分的致动***50通信。致动***50是本发明的主要目标，这是因为致动***50克服已知技术的重大限制。
参考图2，在一个示范性实施例中，展示能够给三个自由度提供动力的致动***50。原动机(在此情形中，电动机101)基于来自控制器103的信号而使驱动轴102旋转。实际上，此布置将需要轴承、支撑结构及外包壳，但由于这些并非本发明的目标且在此项技术中很好地被理解，因此其等未在此处被展示。展示耦合到驱动轴102的三个致动模块110、120及130。
每一致动模块优选地为相当的。在所展示的实施例中，存在三个致动模块，但在一些实施例中可存在一个、两个、四个或任何数目个致动模块。对致动模块的数目的唯一实际限制是驱动轴102的大小及强度。下文陈述对致动模块110的讨论，但所述讨论可同样恰好适用于任何致动模块。致动模块110含有以下组件：排量致动器111、泵外壳112、泵芯113、液压管路114、输出致动器115(其可构成大范围的致动器，包含液压缸30及31)及反馈传感器116。泵可为允许越中心操作的任何类型的液压泵。也就是说，其中排量可为正或负的操作，使得可在不改变输入旋转方向的情况下而是通过改变排量来反转从泵的流动方向。存在可经设计以具有越中心能力的许多类型的泵，包含叶片及径向活塞泵。一般来说，具有越中心能力的任何可变排量泵是有效的且特定设计的使用不打算限制讨论范围。
排量致动器111通过平移外壳112而使可变排量泵的排量变化。在一些实施例中，排量致动器111可使泵外壳112旋转以使泵排量变化。在优选实施例中，排量致动器111是电动致动器，例如音圈马达。排量致动器111不贡献实质动力给输出致动器115的运动，而是排量致动器111通过使可变排量泵117的排量变化来控制输出致动器115的运动。然而，应理解由排量致动器施加的力必要地包含与泵所产生的压力相关的分量。这些力通常是小的，但可实质上促成***中的总体动力损失，这是因为排量致动器111必须克服这些力。这些力可通过泵的精心设计(包含稍后将讨论的对泵的专门修改)而减少。
应理解，可变排量泵比此处所展示的更复杂，需要外部外壳、轴承布置及端口，其中这些物项为清晰起见而未展示于此处。液压管路114将液压工作流体从泵传递到输出致动器115。此处，输出致动器115展示为线性液压致动器，但还可为旋转液压致动器。输出致动器115的运动由反馈传感器116监视。反馈传感器116可指示输出致动器115的位置、速度或位置及速度两者。存在此项技术中很好地被理解的许多此类传感器，不具限制地包含电势计、编码器及LVDT。在一些实施例中，力反馈传感器126可用于监视由致动器产生的力。存在此项技术中很好地被理解的许多此类力传感器，包含应变仪、压力传感器及利用压缩电阻材料的传感器。在本文未描绘的一些实施例中，致动器可包含能够感测力及位置两者的反馈传感器。应理解，反馈传感器116及126与控制器103通信，但图1中未展示连接。
控制器103控制电动机101以及排量致动器111、121及131的运动。控制器103可为数字控制器，例如微控制器或数字信号处理器，或甚至模拟控制器。在典型操作中，控制器103将维持驱动轴102的相对恒定速度。在一些实施例中，原动机还可具有速度传感器104，以允许控制器103监视并控制电动机101及驱动轴102的速度。控制器103进一步接收来自反馈传感器116及力反馈传感器126的信号。
再次参考致动模块110，但同样地可适用于每一致动模块，控制器103使用反馈控制来移动排量致动器111，借此改变液压泵的排量且改变到对应输出致动器115的流量。在优选实施例中，此是借助此项技术中很好地被理解的PID控制器实现的，但还可使用更复杂非线性控制***。一般来说，控制器103针对其控制输出致动器115的参考值是从并非本发明的目标的较高水平控制***提供。较高水平控制***可存在于控制器103或与控制器103通信的另一控制器上，或甚至来自人类操作者。
在一些实施例中，每一泵的最大排量及每一输出致动器的相应大小可并非相同的，但可经配置以匹配在致动***的控制下的每一轴线的要求。针对每一个别轴线优化每一致动模块的大小的能力达成更高总体***效率。
原动机速度
存在用于控制原动机的速度的数个实施例。在第一示范性实施例中，控制器103对数个水平的旋转速度进行控制。图3描绘旋转速度303随时间而变的曲线图，且图4描绘由控制器花费以控制原动机的旋转速度303的控制努力随相同时间而变。展示两个速度水平，即，低设置点302及高设置点301。在时间tl之前，控制器施加控制努力305以将原动机的速度维持为大体上靠近于低设置点302。选择低设置点302以维持每一输出致动器所需要的流量(已知与每一对应致动器相关联的可变排量泵的最大排量)。一般来说，低设置点302不必为恒定值，且可基于输出致动器的流量要求而改变。控制器行为被描绘为近似比例控制，但应理解此仅是示范性且许多类型的反馈控制将为适当的。在时间tl时，旋转速度303超过低设置点302，且控制器将控制努力305减少到零。在时间tl与t2之间，控制努力305保持为零。由于旋转速度303在此时间期间继续增加，因此输出致动器必须为净吸收动力，但有可能任何给定输出致动器可吸收动力。在时间t2时，旋转速度303已超过高设置点301。也就是说，致动***已吸收足够能量，使得存储于其旋转中的动能已将旋转速度303推到高设置点301。高设置点301经选择为靠近于原动机及驱动轴的最大安全操作速度、取决于经选择轴承的值、控制器的安全操作电压，及其它***设计考虑因素。控制器施加负的控制努力305以防止旋转速度303上升得更高；在时间t2到t3期间，动力被原动机吸收且传回到控制器的电总线。当原动机用作发电机时此通常称为电力再生，从而允许控制器将电力传回到其对应电力供应器且延长***运行时间(如果电力供应器由电池组成)。然而，在致动***的此操作实例期间更独特的是：在时间tl到t2期间，不需要动力来驱动原动机且动力从一个输出致动器机械地传送到另一输出致动器。此与其中将动力从一个轴线传送到另一轴线需要将机械能转换为电能且接着返回到电能的常规再生布置(其中此过程中的每一步骤处的低效限制其效率且因此限制其效用)相反。最终，在时间t3时，旋转速度303降到高设置点301以下，且控制努力305减少到零。
重要的是注意：图4中阐明的性质(原动机及相关联驱动轴的旋转速度用于以促进动力从一个轴线到另一轴线的机械再生的方式存储动能)针对作为整体的致动***的设计具有隐含的意义。一般来说，期望原动机及驱动轴具有尽可能大的旋转惯性，这是因为此将用于存储更多动能。因此，设计的趋势将是使原动机101尽可能地大，此将使原动机更高效，这是因为针对给定不可逆负载较大马达通常比较小马达更高效。此与常规机电致动器(其中驱动致动器的电动机的惯性必须加速及减速且其中惯性因此用于减小致动器带宽)形成对比。在这些常规致动器中，驱使设计者选择尽可能小的马达，以最小化惯性，此因此还降低致动效率。
在可与先前实施例组合的另一实施例中，根据控制器103所执行的三个步骤设置原动机101的优选速度，图5中所图解。在流量步骤401中，控制器103将每一输出致动器处所需要的流量除以对应于所述输出致动器的泵的最大排量。如果泵的最大排量在泵的两侧上是不相等的，那么控制器还必须顾及流量的正负号。一般来说，控制器可通过测量或估计输出致动器的速度而估计此流量要求。在一些实施例中，控制器可进一步使用输出致动器的加速或其它外侧信息来改进此估计。在其中致动***50是装置的一部分的其它实施例中，装置可用信号通知控制器103关于未来流量要求。在最大化步骤402中，控制器103针对所有致动模块计算流量的最大值。在选择步骤403中，控制器103选择稍微大于此最大值的优选速度。具体多大的值必须取决于应用。当控制器103以较高取样频率操作时，当原动机101相对于输出致动器的需要通常过强时，且当使用致动***的装置不产生迅速、动态运动时，优选速度可更靠近于最大值；当反之亦然时，优选速度可需要大得多。在一些实施例中，有可能控制器103基于装置如何操作而改变所提供速度比最大值大多少。
在又一实施例中，致动***50是总体装置(例如负重机器人10)的一部分，且装置可用信号通知致动***50。在一些实施例中，此信号可为数字命令，在其它实施例中为模拟信号，且在又其它实施例中为机械运动。图6描绘高电平信号504随时间而变的实施例。在时间t4之前，装置信号504处于低电平501，向控制器103指示装置处于相对非动态情景中，或处于其中高效率为最重要(例如，当装置电源为低时)的情景中。因此，控制器103减小原动机101的所要旋转速度。在时间t4时，装置信号504改变到高电平502，指示装置需要以较低效率为代价的动态性能。因此，控制器103增加原动机101的旋转速度，从而将更多动能放到传动系及原动机的旋转速度303中，但导致更大的摩擦损失。在时间t3时，装置信号504改变到中间电平503，指示装置应以正常电平操作。因此，控制器103降低原动机101的旋转速度。此时，应注意，装置信号504没有理由需要具有如此实例中的三个电平，而是装置信号504的分辨率将取决于使用致动***50的装置的性质。
所讨论的实施例已假设可进一步精细化的动力损失的简单模型，也就是致动***50的效率随原动机101及驱动轴102的速度单调地降低。***的效率取决于可变排量液压泵的效率，且虽然当大多数可变排量液压泵接近其最大排量操作时其达成最大效率，但行为是复杂的且高度取决于泵的几何形状。然而，考虑到泵效率的准确模型及其它组件的效率，控制器103可优化原动机速度以便最大化致动***50的效率。用于优化具有一个不受约束自由度的***的性能(在此情形中原动机速度)的方法刚好在此项技术中的理解水平内。
在另一实施例中，效率可并非用于致动***50的优化的最重要度量。在一些实施例中，控制器103可选择原动机101的速度以最大化泵的寿命。在其它实施例中，控制器103可最小化音量使得装置不太听得见，最大化致动性能使得装置具有最大带宽，或最小化液压工作流体的温度使得装置可冷却。在每一实施例中，仅有必要建立所关注的参数对原动机速度的响应的模型且使用此项技术中很好地被理解的优化技术。通常，这些模型将是非常简单的。举例来说，在最小化***的声学噪声的情形中，仅有必要将***所产生的噪声特征化为在各种输出致动器速度及负载下的原动机速度的函数。此可在理论上或用实验方法实现。接着可指导控制器避免产生最不想要的噪声的原动机速度、致动器速度及负载的组合。最终，装置可用信号通知控制器103在操作期间应优化这些参数中的哪一参数。在一些实施例中，人类操作者可牵涉进决定应优化哪一参数。举例来说，装置可处理在被按压时向控制器103指示其应以性能为代价优化高效率的“eco”按钮。
在其中致动***50具有仅一个致动模块110的又一实施例中，控制器103对优化性能具有更多宽容度。在此特殊情形中，两个自由度(即，原动机101及排量致动器111)一起控制输出致动器115的运动。此处，控制器103可自由交换原动机101的旋转速度及可变排量泵117的排量而不改变其它致动模块的性能。在其中在再生是常见的情景中存在一个自由度的应用中此是尤其重要的。图7中展示一个此类实例，其中致动***50包含于人181穿着的经股假肢180中。尽管图7中未展示致动***50的内部组件，但应理解致动***50含有仅一个致动模块110，致动模块110具有经配置以控制经股假肢180的挠曲及伸展的对应输出致动器184。在行走期间，人膝盖将吸收机械动力。然而，大多数假肢装置无法使此被吸收的动力再生，甚至当给装置提供动力时，这是因为动力水平太低而不能捕获。替代地，假肢膝盖耗散此动力。一些实施例(例如美国专利8,231,688中所图解说明且以引用方式并入本文中的那些实施例)尝试借助固定排量泵使动力再生，但无法最大化其动力再生且同时控制假肢的运动，这是因为其可控制仅一个输入。然而，通过实施具有仅一个致动模块110的致动***50的实施例，控制器103可控制排量致动器111以最大化原动机101的动力再生效率。一般来说，此需要最大化可变排量液压泵117的排量，使得原动机101的旋转速度最大化。在一些实施例中，控制器103可寻求把使可变排量泵117的排量接近其最大值作为目标，但所述排量是足够低的，使得控制器103可通过改变排量而对输出致动器115(或184)的运动做出快速调整同时通过改变原动机101的速度而对输出致动器115的运动做出粗略调整。存在本文可使用的许多其它优化方案，但一般来说，理念是通过使可变排量泵117的排量变化而使原动机101的阻抗与负载匹配。重要的是理解：此可广泛应用于从其中实施致动***50的装置吸收能量且吸收所述能量的速率是不规则的任何情景。应用的部分列表不具限制地包含有动力的汽车悬架、从波浪产生动力的机器及从风产生动力的机器。
致动
存在此项技术中众所周知的排量致动器111的许多可能实施例，例如有刷、无刷或步进马达或甚至电磁体。针对一些配置，传动装置(例如，齿轮箱、行星齿轮等)可布置于排量致动器111与可变排量泵117之间，这是因为马达将不产生足够力。排量致动器111及任何伴随传动装置经选择使得控制马达可通过可变排量泵117产生的负载而移动通常为优选的。此通常称为“可反向驱动的”。使排量致动器111及传动装置可反向驱动允许沿所要运动方向工作的力帮助所述运动。此外，此些设计必定具有低摩擦力，从而导致较高效率。由于由排量致动器使用的动力全部都不贡献于由输出致动器进行的工作，因此控制马达的更高效率将直接转化成更高***效率。类似地，针对相同动力，更高效排量致动器将产生更高带宽。优选实施例的实例通常包含音圈马达、无刷马达、环形马达或直接耦合到可变排量泵117或通过可反向驱动的传动装置耦合的任何电动致动器。
在另一实施例中，泵外壳112通过弯曲元件安装到致动***。图8展示此布置。此处，弯曲泵外壳601包含允许沿着偏转轴线604的小运动但通常抵抗沿其它轴线的运动的分别第一弯曲杆605及第二弯曲杆606。弯曲元件必须耐受由泵的离心力引起的应变。在这些弯曲实施例中的一些挠性实施例中，排量致动器111可为压电装置。在一些实施例中，借助应变仪感测挠性件的挠度可是有益的。
在这些实施例中的许多实施例中，将泵芯112及泵外壳113浸没于外部外壳内的油中，使得热传导最大化且摩擦力最小化可是有利的。在此实施例中，此油排到***储液器使得不妨碍泵芯112及泵外壳113的运动是重要的。
泵负载
在一些实施例中，非常规设计可用于可变排量泵117以便减少排量致动器111上的负载。减少排量致动器111上的负载直接改进致动***50的性能，这是因为排量致动器111使用的动力实际上丢失。
一般来说，最小化在改变排量时必须移动的泵的质量，而且最小化与改变排量相关联的摩擦力将导致控制马达所需要的动力更少。但存在反射到控制马达上的其它负载，且本文将讨论这些负载。
如上文所讨论，在一些情形中，有可能沿控制马达的运动方向作用的力可是有帮助的；然而，减少总负载将改进***效率。泵上的负载可由于存在对大多数泵的负载的稍微不对称而发生。在一些情形中，此负载可是静态的，其量值可根据泵的入口及出口上的相对压力而变化，或其可由于跨越泵的端口的活塞或叶片而作为泵角位置的函数而变化。在图9中所展示的一个实施例中，可通过将泵701建造为具有两者都在同一外壳702内的两个泵芯711及712而部分地消除这些负载。在此实施例中，来自两个泵芯的流量输出经组合使得两个泵上的负载是相等的但相反。可通过使泵芯反向旋转或通过将泵芯搬运成180度异相且使其旋转方向保持相同而达成此。
在图10中所展示的另一类似实施例中，泵801含有两者都耦合到同一驱动轴820的两个泵芯811及812。此处，两个泵芯的出口如在先前实施例中经组合。然而，不同于先前实施例，存在分别用于泵芯811及812的两个外壳802及803。这些外壳具有在由排量致动器(未展示)驱动时使外壳移动相等但相反量的机构830。虽然在图中机构830展示为简单钉住的杠杆，但应理解存在用于产生此运动的许多简单机构且机构830打算仅图解说明但不限制这些可能性。由于机构830，两个泵芯的排量相反地改变，且抵消排量致动器上的不对称负载。此实施例具有以下优点：需要仅一个驱动轴(其中图9的实施例将需要两个驱动轴)，但需要将复杂性添加到泵的机构830。
在这两个实施例中的任一者中，与泵相关联的损失将增加，但可由设计者平衡此情形与相关联于在未耦合泵的情况下必须由控制马达驱动的较高负载的损失。在一些实施例中，可期望在连接到驱动轴的泵中的每一者之间引入轻相，使得每一泵所需要的峰值力矩达到与其它力矩异相。此特征可减少驱动轴所经历的峰值负载且允许控制器更有效地控制驱动轴的速度。
尽管参考本发明的优选实施例经描述，但应容易地明了，可在不背离本发明的精神的情况下对本发明做出各种改变及/或修改。

Claims (28)

1.一种用于以液压方式致动至少一个自由度的***，所述***包括：
原动机及至少一个致动模块，每一致动模块包含：
(1)越中心可变排量泵，所述泵具有：
(a)动力输入连接，其经配置以从所述原动机给所述泵提供动力；及
(b)排量变化输入，其用于使所述泵的排量变化；及
(2)排量变化致动器，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；
(3)输出致动器，其与所述泵直接通信，所述输出致动器经配置以驱动对应自由度；及
(4)反馈测量，其表示所述输出致动器的力或运动，所述反馈测量是由至少一个传感器构造；及
控制器，其经配置以控制所述原动机及所述排量变化致动器，其中所述控制器使用所述反馈测量来通过控制所述排量变化致动器调节所述输出致动器的所述力或运动。
2.根据权利要求1所述的***，其中存在至少两个致动模块。
3.根据权利要求1所述的***，其中存在一个致动模块，所述原动机产生旋转运动，且所述控制器控制所述旋转运动的速度以最大化从所述可变排量泵传送的动力，其中控制所述输出致动器的所述力或运动导致从所述可变排量泵传送动力。
4.根据权利要求1所述的***，其中所述原动机产生旋转运动，且所述控制器进一步控制所述原动机的运动。
5.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机的角速度控制为大体上恒定。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述输出致动器具有有限行程。
7.根据权利要求4所述的***，其中所述原动机是电动机。
8.根据权利要求7所述的***，其中所述控制器依以下三种模式控制所述原动机：
(1)当所述原动机的角速度大体上低于低设置点时产生动力，
(2)当所述原动机的所述角速度大体上高于所述低设置点但低于高设置点时不产生动力，及
(3)当所述原动机的所述角速度大体上高于所述高设置点时吸收动力。
9.根据权利要求2所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，其中所述旋转速度是通过以下步骤来选择：
(1)所述控制器将每一所述输出致动器所需的流量除以其对应可变排量泵的最大排量，从而得出用于所述致动模块的所需原动机速度，
(2)所述控制器计算最大速度，所述最大速度是所述所需原动机速度中的每一者的绝对值的最大值，及
(3)所述控制器将所述旋转速度确立为稍微大于所述最大速度。
10.根据权利要求4所述的***，其中所述***并入到装置中，所述控制器控制所述原动机的旋转速度且从所述装置接收外部信号，且基于所述外部信号，所述控制器在至少两个不同值之间改变所述原动机的所述旋转速度，其中较低值对应于所述装置处于静止状态中且较高值对应于所述装置处于活动状态中。
11.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，所述控制器包含所述致动***中的动力损失模型，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化动力损失。
12.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最大化所述泵的寿命。
13.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化音量。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述音量是在特定频率范围内最小化。
15.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最大化调节所述输出致动器的所述力或运动的性能。
16.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化调节所述输出致动器的所述力或运动所消耗的动力量。
17.根据权利要求4所述的***，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，所述***并入到装置中，且所述装置用信号向所述控制器通知所述控制器应使用数个优化模式中的哪一优化模式以便选择所述原动机的所述旋转速度，所述模式包含以下各项中的至少两者：最小化动力损失、最大化效率、最大化泵寿命、最小化音量、最大化致动性能及最小化***温度。
18.根据权利要求17所述的***，其中所述装置涉及人类操作者，且所述人类操作者提供关于应选择所述优化模式中的哪一优化模式的输入。
19.根据权利要求9所述的***，其中所述***并入于装置中，其中所述装置估计未来流量要求且用信号向所述控制器通知此所述未来流量要求，所述控制器代替所述输出致动器目前所需的流量而利用所述未来流量要求。
20.根据权利要求1所述的***，其中所述排量变化致动器是可反向驱动的。
21.根据权利要求2所述的***，其中所述可变排量液压泵包含固持活塞或叶片的旋转芯、平移外壳，及固定主体，所述旋转芯由所述原动机驱动以在所述外壳内旋转，所述外壳由所述排量变化致动器平移，且所述外壳被约束为借助弯曲连接相对于所述固定主体平移。
22.根据权利要求1所述的***，其中所述可变排量泵的移动部分浸没于工作液压流体中。
23.根据权利要求4所述的***，其中所述可变排量泵包括固持活塞或叶片的两个旋转芯，及平移外壳。
24.根据权利要求23所述的***，其中所述两个旋转芯可旋转地耦合到所述原动机以在所述平移外壳内沿相反方向旋转，且液压流体在大约同相的所述两个旋转芯之间来回运送，借此大体上抵消从所述两个旋转芯到所述平移外壳上的力。
25.根据权利要求23所述的***，其中所述两个旋转芯可旋转地耦合到所述原动机以在所述平移外壳内沿相同方向旋转，且液压流体在大约异相的所述两个旋转芯之间来回运送，借此大体上抵消从所述两个旋转芯到所述平移外壳上的力。
26.根据权利要求1所述的***，其中所述可变排量泵包括固持活塞或叶片的两个旋转芯、两个平移外壳、外壳连接，及泵主体，且其中每一所述芯沿着公共轴同轴地定位且在所述两个平移外壳中的一者内旋转，且所述外壳连接耦合所述两个平移外壳，使得所述排量变化致动器沿相反方向移动两个平移外壳。
27.一种用于控制液压致动***的方法，所述液压致动***具有至少一个自由度、原动机、至少一个致动模块及控制器，其中每一致动模块包含：越中心可变排量泵，其具有经配置以从所述原动机给所述泵提供动力的动力输入连接及用于使所述泵的排量变化的排量变化输入：排量变化致动器，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；输出致动器，其与所述泵直接通信，所述输出致动器经配置以驱动对应自由度；及至少一个传感器，其确立表示所述输出致动器的力或运动的反馈测量，所述方法包括：
读取每一反馈测量的值；及
通过针对所述输出致动器控制所述原动机及所述排量致动器来控制所述输出致动器的所述力或运动。
28.一种在装置内用于以液压方式致动一个自由度的***，所述***包括：
原动机及一个致动模块，所述模块包含：
(1)越中心可变排量泵，所述泵具有：
(a)动力输入连接，其经配置以从所述原动机给所述泵提供动力，
(b)排量变化输入，其用于使所述泵的排量变化，
(2)排量变化致动器，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入，
(3)输出致动器，其与所述泵直接通信，所述输出致动器经配置以驱动对应自由度，及
(4)至少一个传感器，其用于构造表示所述输出致动器的力或运动的反馈测量，及
控制器，其经配置以控制所述原动机及所述排量致动器，其中当所述输出致动器正从所述装置吸收动力时，所述控制器控制所述原动机及排量致动器以实现以下两个目标：
(1)调节所述输出致动器的所述力或运动，及
(2)最大化被所述原动机吸收的动力。
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