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带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备

阅读：698发布：2021-02-23

IPRDB可以提供带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种力反馈夹持设备采用机械夹具(23)、电磁致动器(22)和力反馈控制器(21)。所述机械夹具(23)能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个。所述电磁致动器(22)包括磁流变弹性体(“MRE”)，其中，所述MRE能够根据被施加到MRE的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且其中，所述MRE的每个形状使所述机械夹具(23)致动到所述夹持姿势中的一个。所述力反馈控制器(21)能够基于对所述机械夹具(23)的夹持力的估计并基于响应于所述机械夹具(23)的夹持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述MRE的所述磁场的可变强度。，下面是带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种MRE夹持设备，包括：

机械夹具(23)，其能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个；以及电磁致动器(22)，其包括磁流变弹性体，其中，所述磁流变弹性体能够根据被施加到所述磁流变弹性体的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，以及其中，所述磁流变弹性体的每个形状使所述机械夹具(23)致动到所述夹持姿势中的一个。

2.根据权利要求1所述的MRE夹持设备，其中，所述机械夹具(23)包括至少一个负载传感器，所述至少一个负载传感器能够响应于所述机械夹具(23)的夹持力来感测所述对象的负载力。

3.根据权利要求1所述的MRE夹持设备，其中，所述电磁致动器(22)还包括围绕所述磁流变弹性体缠绕的线圈。

4.根据权利要求1所述的MRE夹持设备，其中，所述电磁致动器(22)还包括相对于所述磁流变弹性体的线圈的双极布置。

5.根据权利要求1所述的MRE夹持设备，

其中，电磁致动器(22)还包括铁芯和围绕所述铁芯缠绕的线圈，以及其中，所述磁流变弹性体被定位在所述铁芯的空气间隙内。

6.一种力反馈夹持设备，包括：

机械夹具(23)，其能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个；

电磁致动器(22)，其包括磁流变弹性体，

其中，所述磁流变弹性体能够根据被施加到所述磁流变弹性体的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，以及其中，所述磁流变弹性体的每个形状使所述机械夹具(23)致动到所述夹持姿势中的一个；以及力反馈控制器(21)，其能够基于对所述机械夹具(23)的夹持力的估计并基于响应于所述机械夹具(23)的所述夹持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述磁流变弹性体的所述磁场的所述可变强度。

7.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，其中，所述机械夹具(23)包括至少一个负载传感器，所述至少一个负载传感器能够响应于所述机械夹具(23)的所述夹持力来感测所述对象的所述负载力。

8.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，其中，所述电磁致动器(22)还包括围绕所述磁流变弹性体缠绕的线圈。

9.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，其中，所述电磁致动器(22)还包括相对于所述磁流变弹性体的线圈的双极布置。

10.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，

其中，电磁致动器(22)还包括铁芯和围绕所述铁芯缠绕的线圈，以及其中，所述磁流变弹性体被定位在所述铁芯的空气间隙内。

11.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，其中，被施加到所述磁流变弹性体的所述磁场的所述可变强度被导出作为对所述机械夹具(23)的所述夹持力的所述估计与响应于所述机械夹具(23)的所述夹持力的对所述对象的所述负载力的所述感测之间的差的函数。

12.根据权利要求6所述的力反馈夹持设备，其中，所述机械夹具(23)的所述夹持力是响应于所述磁场的所述磁流变弹性体的材料刚度的函数。

13.一种控制力反馈夹持设备的方法，所述力反馈夹持设备包括机械夹具(23)和包括磁流变弹性体的电磁致动器(22)，所述方法包括：向所述磁流变弹性体施加磁场，

其中，所述磁流变弹性体根据磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，以及其中，所述磁流变弹性体的每个形状使所述机械夹具(23)致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个；并且基于对所述机械夹具(23)的夹持力的估计并基于响应于所述机械夹具(23)的所述夹持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述磁流变弹性体的所述磁场的所述可变强度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，被施加到所述磁流变弹性体的所述磁场的所述可变强度被导出作为对所述机械夹具(23)的所述夹持力的所述估计与响应于所述机械夹具(23)的所述夹持力的对所述对象的所述负载力的所述感测之间的差的函数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述机械夹具(23)的所述夹持力是响应于所述磁场的所述磁流变弹性体的材料刚度的函数。

说明书全文

带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备

技术领域

[0001] 本发明总体上涉及力反馈夹持设备，特别是用于医疗介入的力反馈夹持设备。本发明具体地涉及对致动机械夹具中的磁流变弹性体(“MRE”)的力反馈控制，用于向对象、特别是解剖对象(例如，器官、血管、异物等)施加夹持力。

背景技术

[0002] 在医疗和工业操纵中使用的大多数常规夹具/镊子不提供力反馈。力受控制的运动的缺乏能够导致被操纵的对象的损坏(例如，在医疗应用中的组织撕裂)或对夹具的损坏(如果夹具的一部分保留在患者体内可能引起发炎)或者制造中的结构缺陷。

[0003] 在本领域中公知的力反馈夹具使用常规的致动，例如电子电机和机械传动。这些致动器的响应时间通常较低，因为其依赖于传动单元的惯性力矩。此外，这些组件难以小型化，因为它们是从大量的移动的部件来制造的。对于气动致动器也是同样的。

[0004] 备选地，例如电热致动器能够小型化，但是散热在医疗和制造的某些应用中是不能被接受的。

发明内容

[0005] 本发明的一种形式是采用机械夹具和电磁致动器的磁流变弹性体(“MRE”)夹持设备。所述机械夹具能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个。电磁致动器包括MRE，其中，MRE能够根据被施加到MRE的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且其中，MRE的每个形状使所述机械夹具致动到所述夹持姿势中的一个。

[0006] 针对本发明的目的，MRE的“形状”广泛地涵盖任何一般形状(例如，环形、球形、多边形、棱柱、圆柱、圆锥等)，并且MRE的“多个形状”广泛地涵盖(1)在相同的一般形状的一个或多个维度上的变化，和/或(2)在两个(2)一般形状之间的转换。例如，MRE 22a可以具有一般的棱柱形状，其在磁场的最小强度被施加到MRE时是立方形式的，并且在磁场的最大强度被施加到MRE时被拉长为矩形形式的，反之亦然。通过其他范例，当磁场的最小强度被施加到MRE时MRE可以具有圆柱体形状，其在磁场的最大强度被施加到MRE时转换为圆锥形状，或反之亦然。

[0007] 本发明的第二种形式是采用机械夹具、电磁致动器和力反馈控制器的力反馈夹持设备。所述机械夹具能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个。所述电磁致动器包括MRE，其中，所述MRE能够根据被施加到MRE的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且其中，所述MRE的每个形状使所述机械夹具致动到所述夹持姿势中的一个。所述力反馈控制器能够基于对所述机械夹具的夹持力的估计并基于响应于所述机械夹具的夹持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述MRE的所述磁场的强度。

[0008] 本发明的第三种形式是一种控制上述力反馈夹持设备的方法。所述方法涉及向所述MRE施加磁场，其中，所述MRE根据磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且其中，所述MRE的每个形状使机械夹具致动到用于夹持所述对象的多个夹持姿势中的一个。所述方法还涉及基于对所述机械夹具的夹持力的估计并基于响应于所述夹具的夹持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述MRE的所述磁场的可变强度。

[0009] 根据与附图结合阅读的本发明的各种实施例的以下详细描述，本发明的上述形式和其他形式，以及本发明的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细的描述和附图仅仅是对本发明的示意性说明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其等价方案限定。

附图说明

[0010] 图1图示了根据本发明的力反馈夹持设备的范例性实施例。

[0011] 图2A和图2B分别图示了在打开状态和关闭状态下示出的根据本发明的MRE夹持设备的第一范例性实施例。

[0012] 图3A和图3B分别图示了在打开状态和关闭状态下示出的根据本发明的MRE夹持设备的第二范例性实施例。

[0013] 图4图示了根据本发明的MRE电磁体的第一范例性实施例。

[0014] 图5图示了根据本发明的MRE电磁体的第二范例性实施例。

[0015] 图6图示了根据本发明的MRE电磁体的第三范例性实施例。

[0016] 图7图示了表示根据本发明的夹持力估计方法的范例性实施例的流程图。

[0017] 图8图示了根据本发明的力反馈控制方案的范例性实施例。

[0018] 图9图示了MRE的已知特征曲线。

具体实施方式

[0019] 参考图1，本发明的力反馈夹持设备20采用力反馈控制器21、电磁致动器22、机械夹具23和负载传感器24，用于夹持对象10、特别是解剖对象(例如，器官、血管、异物等)。针对本发明的目的，术语“夹持”在本文中广泛地被限定为对象10上的设备20的任何有力接触，包括但不限于，设备20夹持、抓紧、夹紧、挤压、抓住和/或保持对象10。

[0020] 在通常的操作中，力反馈控制器21向电磁致动器22通信致动信号AS，以通过电磁致动器22控制被施加到磁流变弹性体(“MRE”)22a的可变强度的磁场Hvfs的生成。磁场Hvfs的强度确定MRE 22a的二维(“2D”)或三维(“3D”)形状，并且在磁场Hvfs的强度中的任何变化使MRE 22a的形状在与磁场Hvfs的最小强度(例如，MRE 22a的零磁通密度B)相关联的基线形状与磁场Hvfs的最大强度(例如，MRE 22a的饱和磁通密度B)相关联的完全致动的形状之间进行变更。

[0021] 在实践中，MRE 22a的“形状”广泛地涵盖任何一般形状(例如，环形、球形、多边形、棱柱、圆柱、圆锥等)，并且MRE的“多个形状”广泛地涵盖(1)在相同的一般形状的一个或多个维度上的变化，和/或(2)在两个(2)一般形状之间的转换。例如，MRE 22a可以具有一般的棱柱形状，其在磁场Hvfs的最小强度被施加到MRE 22a时是立方形式的，并且在磁场Hvfs的最大强度被施加到MRE 22a时是被拉长为矩形形式的，或反之亦然。通过其他范例，当磁场Hvfs的最小强度被施加到MRE 22a时，MRE 22a可以具有圆柱体形状，其在磁场Hvfs的最大强度被施加到MRE 22a时转换为圆锥形状，或反之亦然。

[0022] 此外，用于磁场Hvfs的强度的术语“最小”和“最大”的使用是用于相对值的目的，并非是能够通过电磁致动器22生成的绝对的最小和最大的磁场强度值。因此，在实践中，磁场Hvfs的最小强度可以是非零磁场，并且磁场Hvfs的最大强度可以对应或不对应于MRE 22a的饱和磁通密度B。

[0023] 仍然参考图1，机械夹具23被耦合到至MRE 22a，由此，MRE 22a的每个形状使机械夹具23致动到在对应于MRE 22a的基线形状的最小夹持姿势与对应于MRE 22的完全致动形状的最大夹持姿势之间的多个夹持姿势中的一个。当机械夹具23被致动为夹持对象10时，对象10经受负载力LF，所述负载力LF取决于机械夹具23的夹持力GF、机械夹具23和对象10的接触表面、机械夹具23和对象10的材料特性(例如，屈服强度、疲劳强度、拉伸强度、压缩强度、韧性、弹性模数、延展性等)以及机械夹具23和对象10的物理特性(例如，质量、横截面积等)。负载传感器24向力反馈控制器21通信负载信号LS，其指示负载力LF，并且响应于所述负载力LF，力反馈控制器21经由负载信号LS利用负载力LF的感测和对夹持力GF的估计来经由致动信号AS控制磁场Hvsf的可变强度，以机械夹具23牢固地夹持对象10而不对对象10造成任何损坏为目标。

[0024] 下文对力反馈控制器21、电磁驱动器22、机械夹具23和负载传感器24进行定义性描述。

[0025] 针对本发明的目的，力反馈控制器21在本文中被广泛地定义为被配置为基于对夹持力GF的估计并基于对经由负载信号LS的负载力LF的感测经由致动信号AS来控制磁场Hvsf的可变强度的任何数据处理结构。力反馈控制器21的范例包括但不限于，微处理器(例如，数字信号处理器)、微控制器、专用硬件/固件、可编程的硬件和可重新编程的固件。在实践中，致动信号AS可以具有任何的电信号形式(例如，电压或电流、DC或AC等)并且可以通过任何形式的电信号传输(例如，电的或光学的、有线或无线等)与电磁致动器22进行通信。此外，在实践中，力反馈控制器21可以与磁致动器22和/或机械夹具23集成，或者在物理上远离磁致动器22和机械夹具23。

[0026] 针对本发明的目的，电磁致动器22在本文中被广泛地定义为采用具有磁流变流体/颗粒的任何类型的弹性体的任何电磁结构，由此，弹性体的弹性特性通过局部生成的可变强度磁场Hvrf是可控的。在实践中，MRE 22a可以具有适合于设备20的所需应用的任何材料组份。在一个实施例中，MRE 22a包括嵌入聚合物基体中的铁磁性颗粒。例如，所述铁磁性颗粒为嵌入在橡胶基体(例如，硅橡胶)中的3-5μm的纯铁。

[0027] 此外，在实践中，MRE 22a可以具有相对于局部生成的可变磁场Hvfs的任何对齐。另外，MRE 22a可以被直接耦合至机械夹具23，或者电磁致动器22可以额外地包括将MRE 22a耦合至机械夹具23(例如，弹簧、杆等)的(多个)部件。

[0028] 针对本发明的目的，机械夹具23在本文中广泛地定义为采用用于响应于被施加到来自MRE 22a的(多个)部件的物理力而夹持任何类型的(多个)对象的一个或多个部件的任何机械结构。在实践中，机械夹具23的结构配置取决于使用机械夹具23的特定行业(例如，医疗、生物医学、制造、半导体等)。对于医疗行业，机械夹具23的范例性使用包括但不限于，在常规外科手术(例如腹腔镜检查)和显微手术(如眼部外科手术)中夹持组织，小颗粒(例如，血液凝块或异物)的夹持或微夹持。此外，在实践中，机械夹具23可以是机器人系统的末端执行器。

[0029] 针对本发明的目的，负载传感器24在本文中广泛地定义为被配置为将作用于结构上的负载转变为指示所述负载力的大小的任何类型的电信号的任何传感器结构。负载传感器24的范例包括但不限于，负载单元传感器、力传感器、力矩传感器和压力传感器。在实践中，负载信号LS可以具有任何的电信号形式(例如，电压或电流、DC或AC等)，并且可以通过任何形式的电信号传输(例如，电学的或光学的，有线或无线等)与力反馈控制器21进行通信。此外，在实践中，可以采用一个或多个负载传感器24，并且每个负载传感器24可以以便于对对象10上的负载力进行感测的方式被耦合至邻接或毗连于机械夹具23的接触表面的机械夹具23。

[0030] 下文是对如图2-图9中所示的力反馈控制器21、电磁致动器22和机械夹具23的范例性实施例的描述，以帮助进一步理解本发明。

[0031] 设备20的一个范例性实施例20a在图2A中以打开状态示出，并且在图2B中以闭合状态示出。设备20a的机械夹具23采用夹具框架，所述夹具框架具有被枢转连接至杆23c的夹具臂23a和被固定连接至杆23c的夹具臂23b。夹具框架还具有弹簧23d，以将机械夹具23偏置到如图2A中所示的打开状态。

[0032] 设备20a的负载传感器24a邻接于夹具臂23a的远端接触表面，并且设备20a的负载传感器24b邻接于夹具臂23b的远端接触表面。备选地，负载传感器24a和24b可以邻接于相应的夹具臂23a和23b的远端接触表面。

[0033] 夹具臂23a的近端和夹具臂23b的近端被连接至电磁致动器22。这建立了电磁致动器22和弹簧23d相对于杆23c的平行对齐。电磁致动器22的MRE 22a(由粒子圆点象征性示出)在图2A中所示的基线形状(例如，立方体棱柱形状)中具有由MRE 22a的建模创建的形状记忆属性。

[0034] 如图2A中所示，MRE 22a在施加磁场Hvfs的最小场强度H最小的情况下(例如，零磁场)保持基线形状，并且夹具臂23a和23b由弹簧23d偏置到表示设备20a的打开状态的最小夹持姿势。MRE 22a的基线形状对应于考虑到最小磁通密度B最小的MRE 22a的最小刚度，以及因此，夹具臂23a和23b的最小夹持力GF。

[0035] 为了关闭对象10上的设备20a，力反馈控制器21(未示出)控制磁场Hvfs的强度向如图2b中所示的最大强度H最大增加，导致MRE 22a从基线形状到与磁场Hvfs的最大强度H最大(例如，饱和磁场)相关联的完全致动形状(例如，矩形棱柱形状)的平行扩展。更具体地，当磁场Hvfs的强度增加时，MRE 22a的刚度响应于增加磁通密度B而增加，从而将夹具臂23a和23b的夹持力GF增加到对应于MRE 22a的完全致动形状的最大水平。

[0036] 负载传感器24a和24b向力反馈控制器21(未示出)通信负载信号，由此，力反馈控制器21控制磁场Hvfs的强度向最大强度H最大的增加，以牢固地夹持对象10而不对对象10造成任何损坏为目标。同样地，如果负载信号L连同对增加的夹持力GF的估计指示：如果磁场Hvfs的强度进一步向最大强度H最大增加则对象10可能经受损坏，力反馈控制器21可以将磁场Hvfs的强度增加至低于最大强度H最大的强度。

[0037] 设备20的另一范例性实施例20b在图3A中示出为打开状态，并且在图3B中示出为关闭状态。设备20b的机械夹具23采用夹具框架，所述夹具框架具有均被枢转连接到杆23g的夹具臂23e和夹具臂23f，以及被连接至杆23g并被连接至磁致动器22的远侧的弹簧23h。

[0038] 设备20b的负载传感器24a邻接于夹具臂23e的远端接触表面，并且设备20b的负载传感器24b被耦合至邻接于夹具臂23f的远端接触表面的夹具臂23f。备选地，负载传感器24a和24b可以是相应的夹具臂23e和23f的邻接的远端接触表面。

[0039] 夹具臂23e和23f的近端被枢转耦合至电磁致动器22的近侧。这建立了电磁致动器22和弹簧23g相对于夹具臂23e和23f的一系列对齐。对于本实施例，电磁致动器22的MRE
22a(由粒子点象征性示出)在图3A中所示的基线形状(例如，矩形棱柱形状)中具有由MRE
22a的建模创建的形状记忆属性。

[0040] 如图3A中所示，MRE 22a在施加磁场Hvfs的最小场强度H最小(例如，零磁场)的情况下保持基线形状，并且夹具臂23e和23f由弹簧23d偏置到表示设备20b的打开状态的最小夹持姿势。MRE 22a的基线形状对应于考虑到最小磁通密度B最小的MRE 22a的最小刚度，以及因此，夹具臂23e和23f的最小夹持力GF。

[0041] 为了关闭对象10上的设备20b，力反馈控制器21(未示出)控制磁场Hvfs的强度向如图3b中所示的最大强度H最大增加，导致MRE 22a从基线形状到与磁场Hvfs的最大强度H最大(例如，饱和磁场)相关联的完全致动形状(例如，立方体棱柱形状)的一系列压缩。更具体地，当磁场Hvfs的强度增加时，MRE 22a的刚度响应于增加磁通密度B而增加，从而将夹具臂23e和23f的夹持力GF增加到对应于MRE 22a的完全致动形状的最大水平。

[0042] 负载传感器24a和24b向力反馈控制器21(未示出)通信负载信号，由此，力反馈控制器21控制磁场Hvfs的强度向最大强度H最大的增加，以牢固地夹持对象10而不对对象10造成任何损坏为目标。同样地，如果负载信号L连同对增加的夹持力GF的估计指示：如果磁场Hvfs的强度进一步向最大强度H最大增加则对象10可能经受损坏，力反馈控制器21可以将磁场Hvfs的强度增加至低于最大强度H最大的强度。

[0043] 对于设备20a(图2)、设备20b(图3)和本发明的设备20的任何其他实施例，图4-图6图示了电磁致动器22的电磁体的各种实施例。具体地，图4示出了围绕圆柱形MRE 22a缠绕的线圈22b，由此，由线圈22b生成的磁场(未示出)沿MRE 22a的纵轴对齐。线圈22b响应于流过线圈22b的电流而生成磁场，由此，MRE 22a可以根据磁场的强度沿MRE 22a的纵轴如虚线所示地被伸长。

[0044] 图5示出了相对于圆柱形MRE 22a的串行双极布置线圈22b和线圈22c，由此，由线圈22b和22c产生的磁场(未示出)平行于MRE 22a的纵轴。当电流流过线圈22b和22c时，线圈22b和22c生成磁场，由此，MRE22a可以根据磁场的强度沿MRE 22a的纵轴如虚线所示地被伸长。

[0045] 图6示出了提供圆柱形MRE 22a周围的空气间隙的围绕铁芯22d缠绕的线圈22b，由此，由线圈22b生成的磁场(未示出)磁化铁芯22d，继而磁化MRE 22a。线圈22b响应于流过线圈22b的电流而生成磁场(未示出)，由此，MRE 22a可以根据磁场的强度沿MRE 22a的纵轴如虚线所示地被伸长。

[0046] 对于图4-图6，所示的MRE 22a的圆柱形形状可以用作基线形状或完全致动形状。

[0047] 对于设备20a(图2)、设备20b(图3)和本发明的设备20的任何其他实施例，图7图示了表示由力反馈控制器21执行的夹持力估计方法的流程图。具体地，机械夹具23的夹持力GF是MRE 22a的刚度的函数，其由MRE 22a的磁通密度来控制。在实践中，机械夹具23的夹持力GF可以如图2和图3中所示的随着MRE 22a的刚度增加而增加，或者根据电磁致动器22到机械夹具23的特定耦合随着MRE 22a的刚度增加而降低。力反馈控制器21因此利用MRE 22a的弹性模数作为用于估计机械夹具23的夹持力GF的基础。

[0048] 参考图8，流程图30的阶段S31涵盖用于电磁体的电流信号I(t)的电磁处理42，以得到磁通密度B(t)。在阶段S31的一个实施例中，电磁处理42包括下列方程[1]的执行：

[0049] B(t)＝μmnI(t) [1]

[0050] 其中，μm是MRE 22a的磁导率，并且n是电磁体的线圈匝数的密度。

[0051] 流程图30的阶段S32涵盖磁通密度B(t)的磁流变处理43，以得到MRE 22a的弹性常数km(t)。在阶段S32的一个实施例中，磁流变处理43涉及本领域所公知的弹性常数km(B)的实验性确定。例如，图9示出了通过特定设计的MRE的实验确定的特性曲线，其描述了弹性模数(E)与磁通密度之间的关系E＝f(B)。对于该曲线，磁流变处理43包括下列方程[2]的执行：

[0052] km(t)＝(EB(t)A)/L [2]

[0053] 其中，A是不压缩时的MRE 22a的横截面积，L是不压缩时的MRE 22a的长度。

[0054] 流程图30的阶段S33涵盖弹性常数km(t)的弹性处理44，以得到夹具臂距离打开状态的位移d(t)。在阶段S33的一个实施例中，弹性常数km(t)的弹性处理44可以是基于电磁致动器22上的物理力、弹簧和机械夹具24的几何形状。为简单起见，本实施例假定(1)机械夹具24上的物理力相比于偏置部件中的力和MRE 22a上的力是忽略不计的，(2)如果完全压缩，MRE 22a和弹簧不改变其形状，(3)弹簧在静止位置处的长度恰好是当平行时夹具臂的接触表面之间的距离，以及(4)MRE 22a在静止位置处的长度短于平行时夹具臂的接触表面之间的距离。因此，进一步假定，施加在杆上的两个力为在弹簧上的力FS和在MRE 22a上的力Fm，均衡力矩并使用弹力作为F＝-k(t)*Δx，其中，Δx是MRE 22a的伸长率，所述力符合下面的方程[3]和[4]：

[0055] Fs·ls＝FM·lM [3]

[0056] Ks·ls·Δxs＝kM·lM·ΔxM [4]

[0057] 此外，使用三角关系，距离支点的垂直位移之间的关系符合下面的方程[5]：

[0058]

[0059] 注意，距离支点的位移和弹性位移并不总是相等的。在初始假定下，Δx′S＝ΔxS，并且ΔxM＝Δx′M+Δx0，其中，Δx0是MRE 22a相对于支点的额外扩展。结合力的方程和几何方程，得到下面的方程[6]：

[0060]

[0061] 夹具夹爪的总开度因此符合以下方程[7]：

[0062]

[0063] 方程(7)描述了控制系统的弹性分量。弹簧的弹性常数kS是恒定的，并且取决于弹簧的设计和材料。长度l、lM、lS以及高度h是恒定的，并且取决于夹具的设计。Δx0也是恒定的。因此，夹具夹爪的开度与km(t)成比例，转换函数由磁流变分量来描述。

[0064] 流程图30的阶段S34涵盖位移d(t)的力处理45，以得到夹持力GF(t)。在阶段S34的一个实施例中，夹持力GF(t)可以假定为线性的：F＝-k0Δx0，其中，k0是对象的弹性常数，Δx0是对象的变形。由于对象的变形与夹爪开度d(t)直接成比例，能够假定夹持力GF(t)也与用于任何给定的夹具任务的夹爪开度d(t)成比例。

[0065] 参考图8，力反馈控制21执行具有指令的软件和/或固件，所述指令用于实现结合了图7中所示的夹具力估计方法30的力反馈控制方案。对于该控制方案，电流发生器41处理负载力LF(t)和夹持力GF(t)的差，得到用于电磁体的线圈的电流I(t)。在一个实施例中，电流I(t)是负载力LF(t)和夹持力GF(t)的差的函数，如在下表1中所示的：

[0066]

[0067] 在实践中，偏移X可以根据由设备20夹持的特定对象10被减去或增加至表1中的负载力/夹持力差。

[0068] 此外，在实践中，由于转移函数的实际力分量是未知的，可以应用如图8所示的自适应控制46。在一个实施例中，自适应控制46可以被实现为如所示的自适应增益分量(未知比例竞争(contest))，并且力反馈控制器31可以是一般性的比例-积分–导数(“PID”)控制器。本实施例能够用于提供对夹持力GF(t)的实时控制。

[0069] 参考图1-图9，本领域普通技术人员将会理解，本发明的许多优点包括但不限于，力反馈夹持设备经由MRE的控制牢固地夹持对象，以使(如果不能防止的话)由设备给对象造成的损坏最小化。

[0070] 尽管已经对本发明进行了详细的图示和描述，但是本领域普通技术人员应当理解，本文中所描述的本发明的实施例是图示性的，可以做出各种改变和变形，并且其等同物可以替代其中的元件，而不脱离本发明的真正范围。此外，可以做出许多修改，以适应本发明的教导，而不脱离其中心范围。因此，本发明的意图不限于所公开的作为用于实施本发明的最佳预期模式的特定实施例，而是本发明包括所有落入所附权利要求范围内的实施例。

标题	发布/更新时间	阅读量
指尖力反馈装置-专利编号CN103699221A	2020-05-12	797
车力反馈装置-专利编号CN108562387A	2020-05-13	735
中指力反馈装置-专利编号CN104669232A	2020-05-12	686
力反馈触觉接口-专利编号CN100444085C	2020-05-13	405
风速力反馈-专利编号CN110537215A	2020-05-11	827
压力反馈按摩器-专利编号CN109044775A	2020-05-11	1102
食指力反馈装置-专利编号CN104635916A	2020-05-13	1043
力反馈操作台-专利编号CN109669545A	2020-05-11	1188
力反馈装置-专利编号CN201548930U	2020-05-11	1073
力反馈系统-专利编号CN205721407U	2020-05-12	507

带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备

带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备

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