單軸驅動系統的製作方法

2023-08-01 20:42:31 3

專利名稱：單軸驅動系統的製作方法
技術領域：
技術領域涉及用於沿一個軸移動物體以及沿一個軸支承和移動物體的方法和系 統。作為用於沿著精確或不精確的單軸定向移動、驅動、定位或致動物體或負荷的較老 的技術、機構以及方法的完全代替，用於沿一個軸支承和移動物體的系統可以應用於各 種各樣領域中的任何一個領域。該系統和方法被配置為一對致動器時也可以應用於多軸 定位，諸如在從大規模到小規模的許多應用中，用於定位定日鏡、太陽和人造衛星跟蹤 系統、電磁輻射天線、紅外光學傳感器、廣告材料、升降機和起重機、武器以及用於保 養與修理和用於操縱遙控工具或手術器具的機器和設備。
背景技術：
當前的致動器在各種領域中(諸如太陽能、天文學、衛星通信、雷達、熱成 像、建築、武器部屬以及廣告)沿方位、高度以及方位角的單軸和多軸操作和定位物 體。對於大型或重型設備應用，當前的致動器採用齒輪傳動、行星齒輪、液壓活塞、氣 動活塞、螺旋推動以及各種時鐘機構機械以圍繞固定支架定位大且重的物體。由於它們 依靠電機和各種液壓裝置來移動重且大的物體，所以當前的致動器需要大量精密製造的 部件和相當大的電力供應。當前的致動器也需要位於結構構件和致動器之間的多個重型 連接器以支承和定位重且大的物體。液壓驅動和電驅動需要昂貴的軟管和電纜線路以傳 輸電力。當前致動器的沉重且精密的金屬對金屬傳動裝置和機構導致正常的金屬疲勞、 操作磨損和外應力、灰塵、汙染物、外物、潤滑油問題，甚至較小的操誤差和疏忽都會 造成顯著的與使用有關的損壞、顫動、空轉以及隨之發生的精確性和耐久性的降低。也 被稱為「時鐘機構」致動器的這種致動器使檢查、維護、修理以及更換精密加工的部件 成本必然很高，並且必然會導致隨之發生的生產作業的停工。時鐘機構致動器也不能提 供平穩的跟蹤運動，而只是提供電動系統所共有的周期性步進運動。單軸致動器的一些示例是流體壓力千斤頂。流體壓力千斤頂的使用十分普遍， 美國專利1745959和5492300中公開了這種流體壓力千斤頂的一些示例。這些提升裝置 在其膨脹時產生大量原動力。典型的應用是美國專利2495092中公開的以排氣作為動力 的汽車千斤頂。類似地，美國專利6286812、6918575以及5651155公開了利用這種千斤 頂沿在一端或另一端具有固定樞軸的一個軸校平表面。致動器被用於收集太陽能。通過瞄準鏡子的陣列使得它們將陽光反射到單個固 定接收器中以產生用於蒸汽生產的集中熱，而經由陽光的集中可以收集太陽能。對於這 種發電廠的示例見美國專利6957536。地球在軌道中旋轉和圍繞太陽的運動使得，當太陽 按日與天空交叉著和按季節相對於地平線的移動時，必然需要用於使鏡子或板在一個位 置中相對於太陽對準的機構，使得太陽能被連續地反射到接收器上。美國專利4135493 和美國專利申請2008/0128017中公開了提供單軸跟蹤的太陽能收集器的示例。其他太陽 能收集器沿多軸跟蹤太陽的運動。實際上，使收集器或鏡子總是朝向太陽的設備必須提 供用於不斷地調節方位角(圍繞地平線旋轉)和高度(從地平線旋轉到直接在空中的位
6置)以不斷地跟蹤太陽穿過天空的視動的裝置。當前的太陽能收集器包括沿單軸和多軸旋轉以在全天和全年維持太陽能電池板 和太陽能收集器或鏡子的希望方位的裝置。這些裝置被稱為「定日鏡」或「定位系 統」。迄今，當前的定位系統複雜且昂貴。特別是隨著在單個跟蹤器上鏡子和光伏板的 尺寸增大到超過100m2，(特別是在疾風條件下)操縱和穩定光伏板所需的複雜精密齒輪 傳動和大功率電機形成追求大型太陽能發電中最大的單一成本障礙。這些時鐘機械十分 精密並且在正常和異常運轉條件下都容易發生機械故障和機械損傷。當前定日鏡技術的 這些和其他限制是使通過太陽能熱或集中的太陽能發電的成本降低到等於或低於來自燃 煤和燃氣發電廠的電的成本的主要障礙之一。當前定日鏡技術的其他典型示例包括美國專利No.3070643，該專利公開了一種 通過自動檢測太陽的位置並且選擇性地圍繞一對軸中的一個或另一個驅動太陽能電池支 承來使太陽能電池總是直接指向太陽的閉環伺服系統。該專利公開了一種具有單個驅動 馬達和電動操作離合器以允許選擇性進行雙軸驅動的複雜傳動系統。美國專利3998206 和3996917中公開的另一個系統採用單獨的驅動馬達來獲得雙軸運動。使用馬達驅動和 齒輪減速顯著地增加了太陽跟蹤裝置的初期裝機和維護成本。另外，驅動大功率馬達所 需的電力在太陽能發電廠運轉期間造成寄生耗用功率。使用齒輪和馬達驅動是作為示例 的美國專利6440019所公開的當前致動器的特徵。當前定日鏡技術的另一個缺點是在大多數情況下它依賴外部電源。當前致動器 需要供應電力或水力以使應用物定向。這產生了安裝期間的寄生耗用功率，並且它們的 操作還需要利用電纜或軟管的複雜且昂貴的電力或水力分配系統。由於它們的特性，定 日鏡陣列常常覆蓋許多平方千米，因而，在大的安裝範圍內，通過電纜將外部電源供應 到數千定日鏡陣列增加了主要的資本費用和維護費用。當前致動器未能實現提供具有最 小電源要求的多軸太陽跟蹤的低成本裝置。因此，需要一種供從小到大規模應用之用的 有成本和能量效益的單軸和多軸致動器。

發明內容
用於沿一個軸移動物體的系統的實施方式包括流體和位於圓筒形外殼或滾筒內 的一個或更多個流體容器以及軸部件，該軸部件在軸向上延伸經過所述滾筒的中心並且 通過旋轉組件聯接至該滾筒，使得所述滾筒可以繞所述軸部件旋轉。所述系統還包括縱 向延伸並且從所述軸部件徑向延伸到所述滾筒的內表面的一個或更多個葉片和縱向延伸 並且從所述滾筒的所述內表面徑向延伸到所述軸部件的表面的一個或更多個葉片。待移 動的所述物體可以與所述軸部件或所述滾筒直接或間接地相連接。所述一個或更多個流 體可膨脹容器圍繞所述軸部件布置在所述外殼或所述滾筒內，使得每個所述容器均在固 定至所述滾筒的葉片和固定至所述軸部件的葉片之間施加膨脹力。一定體積的所述流體 被放置在所述一個或更多個流體可膨脹容器中。所述系統還包括流體移動器，該流體移 動器可在操作上與所述一個或更多個流體可膨脹容器相連接以將所述流體移入該一個或 更多個容器中。所述系統還包括流體體積控制器，該流體體積控制器用於控制所述一個 或更多個流體可膨脹容器中的所述流體的體積。通過改變所述一個或更多個流體可膨脹 容器中的所述流體的體積或壓力來移動所述物體。
在一個實施方式中，所述物體或所述應用物可以是光伏板、太陽反射鏡、圓盤 式衛星電視天線、紅外成像傳感器、電磁輻射天線或發射器、望遠鏡、傳感器陣列、探 測器、武器或武器系統、熱武器系統、可命中目標武器、醫療衛生器材、醫療機器人致 動器、診斷機器和機器人、外部或內部假肢或假體性植入物、手術或顯微操作工具或 裝置、廣告材料、招牌、施工設備、庭院傘以及遮陽傘。一個以上這種實施方式的組 合允許所述物體或應用物進行多軸運動。2008年5月23日提交的PCT申請號PCT/ US/2008/006660和2008年10月17日提交的美國臨時申請號61/136964因此以引用方式 併入。


圖1A-1B分別示出具有三個葉片和兩個葉片的用於沿一個軸移動物體的系統的 單個實施方式的立體圖。圖2示出用於沿一個軸移動物體的系統的單個實施方式的側視圖。圖3示出包括布置成提供多軸跟蹤的三個滾筒的用於沿一個軸移動物體的系統 的實施方式的立體圖。圖4示出當物體被安裝在軸部件上時，包括布置成提供多軸跟蹤的兩個滾筒的 用於沿一個軸移動物體的系統的三個實施方式的立體圖。圖5示出布置成提供多軸跟蹤的用於沿一個軸移動物體的系統的三個實施 方式的立體圖，其中物體被移動至與地面垂直的全範圍仰角位置(full-range elevation position)。圖6示出布置成提供多軸跟蹤的用於沿一個軸移動物體的系統的三個實施方式 的側視圖，其中示出了所有輔助指令和控制系統。圖7示出用於拋物線太陽能收集槽的布置成提供單軸跟蹤的用於沿一個軸移動 物體的系統的實施方式的立體圖。圖8示出用於太陽能光伏板的布置成提供單軸跟蹤的用於沿一個軸移動物體的 系統的實施方式的立體圖。圖9示出用於菲涅耳太陽能收集槽的布置成提供單軸跟蹤的用於沿一個軸移動 物體的系統的實施方式的立體圖。圖10A-10B分別示出在沿一個軸移動物體的系統的實施方式中使用的示例性旋 轉組件的側視圖和主視圖。圖11示出用於沿一個軸移動物體的方法的實施方式的流程圖。
具體實施例方式在詳細描述用於沿一個軸移動物體的系統的一個或更多個實施方式之前，本領 域技術人員應當理解，用於沿一個軸移動物體的系統在其應用中不限於下列詳述中提出 的或附圖中示出的結構、部件的布置以及步驟的排列的細節。用於沿一個軸移動物體的 系統能夠具有其他實施方式並且能夠以各種方式實踐或實施。而且，應當理解本文使用 的措詞和術語是為了描述並且不應被認為構成限制。本文描述的是用於沿一個軸移動物體的系統和方法的實施方式。用於沿一個軸移動物體的系統和方法的實施方式例如用於各種應用(諸如太陽跟蹤應用)。現在參照圖1A，示出了用於沿一個軸移動物體的系統100的單個實施方式的立 體圖。所示的系統100包括外殼2、基準或軸部件3、兩個流體可膨脹容器6以及三個葉 片5。三個葉片5沿縱軸縱向地定位。在各種實施方式中，系統100包括至少一個流體容器(也被稱為流體可膨脹容 器)6和可以是滾筒2的外殼。在所示的實施方式中，滾筒2從固定至該滾筒2的每個葉 片5的接觸點環繞地延伸到固定至該滾筒2的另一個葉片5的接觸點。葉片5可以固定 至軸部件3或外殼2。在一個實施方式中，一個葉片5固定至軸部件3並且兩個葉片5固 定至外殼2。系統100示出了從軸部件3伸出來、與滾筒2隔開而不與滾筒2接觸的一個 葉片5。葉片5和軸部件3之間或葉片5和滾筒2之間的間隙足夠小以防止流體可膨脹 容器6在運轉中移動到葉片5之下。通常，該間隙將略小於流體可膨脹容器6的單個壁 厚。葉片5可以由在使驅動器的運動元件旋轉所需的最大力下防止變形所需的厚度的鋼 構成。例如，如果使驅動器的運動元件旋轉需要大量力矩，則葉片5將不會變形。葉片 5的幾何形狀可以是焊接在滾筒2或軸部件3上的板，或者它可以是用例如角撐板或肋或 其他加強和加固結構加固的板。可以使用各種材料(諸如鋼或塑料)。在另一個實施方 式中，滾筒2從固定至該滾筒2的葉片5的接觸點環繞地延伸到固定至軸部件3的葉片5 不接觸滾筒的點。繼續參照圖1A,流體可膨脹容器6被顯示為定位在滾筒2的內表面和軸部件3 的外表面之間以及葉片5中的固定至滾筒2的一個葉片和葉片5中的固定至軸部件3的一 個葉片之間。在系統100的實施方式中，滾筒2或軸部件3中任一個可以是固定的而另 一個是旋轉的。外殼或滾筒2可以是用於容納流體可膨脹容器的任何裝置並且可以由各 種形狀和材料形成。外殼2的形狀不限於圓筒。例如外殼2可以是三角形。外殼2還 可以具有用於通向外殼內的可拆卸端蓋或其他可拆卸部分。該端蓋具有用於允許軸部件3 通過它們的孔。管、軸部件或其他固定結構可以用作關於系統100的基準3。流體容器 6進一步裝滿變化量的不揮發氣體或流體。在一個實施方式中，流體可以是處於環境溫度 下的空氣、水、氣體、油、高密度流體、電反應性流體、高粘性流體或固體。例如，當 需要移動物體1或應用物時，固態流體可以由加熱裝置加熱而被轉化成液體。在物體或 應用物就位之後，液體可以被冷卻至環境溫度而轉化回固態流體。現在參照圖1B，示出了用於沿一個軸移動物體的系統100的單個實施方式的立 體圖。在本實施方式中，兩個葉片5被顯示為沿軸部件3縱向地延伸。在所示的實施方 式中使所有的流體可膨脹容器6加壓以平衡壓力和體積將使物體1在水平位置(也被稱 為中立或「收起(stow)」位置)中定向。如果使用一個或更多個手動或機電致動的衝 銷(driftpin)8，則用於將物體1和軸部件3或滾筒2連接的連接器44(未示出)在安裝、 維護或拆卸期間也可以被鎖定在該中立或收起位置中。衝銷8將滾筒2和軸部件3鎖定 在固定位置中。衝銷8允許系統100能夠不依賴於流體可膨脹容器6而穩定並且允許物 體1能夠被收起或鎖定在安全結構中，諸如在安裝的時候或在維修工作周期期間會需要 該安全結構，該安裝或維修工作可以包括縮小和修理或更換流體可膨脹容器6或應用物 的其他部件。在易受與天氣有關的應力影響的太陽能發電廠或天線陣或其他戶外應用的 區域中，對於包括颶風的惡劣天氣的延長時間，系統100可以被鎖定在小外型風載狀態(low-profile wind stow positiion)。流體可膨脹容器6優選地布置在滾筒2內，並且在一個實施方式中，沿滾筒2的 全長軸向地延伸。滾筒壁容納並且引導由流體可膨脹容器6的膨脹或加壓產生的力。當 利用流體進行加壓時，流體可膨脹容器6試圖擴大容積，從而以巨大的均均分散的機械 力而膨脹，該機械力等於和葉片5接觸的流體可膨脹容器6的表面積乘以引入的壓力。通過利用在操作上連接至每個可膨脹容器6的壓力控制閥(多個壓力控制閥)10 使流體可膨脹容器6系統地加壓和減壓，可以實現將連接器44(未示出)移動至至少 180°的仰角範圍內的任何位置。當改變位置時，與運動方向相反定位的流體可膨脹容器 (多個流體可膨脹容器)6被減壓以允許與運動方向相反的流體可膨脹容器6的壓力能夠迫 使物體進入到希望的位置中。當物體1處於希望的位置時，所有的流體可膨脹容器6將 被加壓以施加相等的壓力並且將物體1嚴格地保持在適當位置中。希望的運動速度受壓 力變化速度的控制。在一個實施方式中，流體可膨脹容器6作用於另一個流體可膨脹容器6和/或作 用於彈簧(諸如扭轉彈簧)施加力。在一個實施方式中，一個或更多個流體可膨脹容器 6佔據小於滾筒2的整個內部容積的容積，並且附接至滾筒2的內表面的固定的葉片5之 間的區域允許更小的流體可膨脹容器6。流體可膨脹容器6可以彼此連接和/或連接至具 有通過流體的管的流體移動器。在另一個實施方式中，化學反應可以用來在儲槽中或流 體可膨脹容器6內產生氣體或壓力。現在參照圖2，示出了具有兩個流體可膨脹容器6的系統100的實施方式。一 個流體可膨脹容器6被顯示為完全收縮或縮小，並且另一個被顯示為完全伸展或膨脹。 一個或更多個葉片5被顯示為沿滾筒的內表面縱向延伸並且徑向向內延伸到軸部件的表 面。一個或更多個葉片5也沿軸部件3的外表面縱向延伸並且徑向向內延伸到滾筒的內 表面。至少一個，或在本實施例中兩個流體容器6形成圍繞軸部件的環並且撞擊從滾筒 2徑向伸出的葉片5和從軸部件3徑向伸出的葉片5。完全膨脹的流體可膨脹容器6被顯 示為使滾筒從其中立位置(圖1A-1B中所示)旋轉90°。參照圖3，示出了包括三個滾筒2、2』以及2」的用於沿一個軸移動物體的系 統100的實施方式的立體圖，該滾筒布置成通過使物體1(顯示為定日鏡應用)沿水平軸 旋轉來提供多軸跟蹤。用於沿一個軸移動物體的系統100的實施方式包括待操作或定位 的物體(「應用物」)1，該物體1在操作上聯接至縱向延伸經過滾筒2』和2」的中心 的軸部件或管3。在一個實施方式中，物體1由連接器44安裝在滾筒2』和2」上。旋 轉組件4將軸部件3保持在滾筒2』和2」內的中心軸位置中。在本實施方式中，軸部 件3由旋轉組件4 (未示出)和第二軸承(未示出)連接至滾筒2』和2」，其中旋轉組件 4可以是推力軸承或其他類型的軸承，第二軸承可以是滑動接觸軸承、滾珠軸承或適合承 載由應用物上的風載荷產生的重量和力的其他軸承。葉片5可以布置在滾筒2中以提供 略微大於180°的運動範圍，使得當被聯接至仰角驅動器時，定日鏡提供完全多軸運動以 將應用物指向任何選定的點。在本實施方式中，軸部件3被固定至中央支承結構或底座 40。軸部件3可以通過滾筒2』和2」沿一個軸旋轉，同時通過充當方位角驅動器的另 一個滾筒2沿另一個軸旋轉。在本實施方式中，滾筒2』和2」可以共同用作升降驅動 器。其他外殼可以代替滾筒2、2』以及2」使用。
現在參照圖4，示出了包括布置成提供多軸跟蹤的兩個滾筒2和2』的用於沿一 個軸移動物體的系統100的立體圖。在圖4所示的布置中，物體1可以安裝至軸部件或 管3而滾筒2保持固定。在其他實施方式中，物體1可以被安裝至連接結構(諸如所示 的連接物體1和基準或軸部件3的連接器)44。在本實施方式中，滾筒2被固定在底座 40之上，但是可以被固定在包括地面的任何結構之上。滾筒2在底座40之上旋轉。此 外，在本實施方式中，滾筒2可以充當聯接另一個滾筒2的方位角驅動器，滾筒2』充當 升降驅動器。在一些實施方式中，連接器44形成滾筒2或軸部件3的一體部分。在系 統100的實施方式中，該連接器可以是連接物體1和軸部件3或滾筒2的螺栓。在系統 100的另一個實施方式中，該連接器44可以是用於物體1的支承結構。圖1和2示出了 一個以上的滾筒2可以被組合以形成用於太陽的多軸跟蹤的定日鏡，其中仰角驅動器與 方位角驅動器彼此呈直角地相連。設置第二仰角驅動器確保了完全備用的系統，以用於 在單個仰角驅動器發生故障時獲得風載。第二仰角驅動器是可選擇的並且可以被去除。現在參照圖5，示出了充當方位角驅動器的系統100的立體圖，採用該方位角驅 動器使定日反射鏡應用物31沿水平軸旋轉。物體1被顯示為移至與地面垂直的全範圍仰 角位置。在本實施方式中，系統100被固定至底座40而軸部件3在滾筒2內自由地旋 轉。物體1被聯接至軸部件3，該軸部件3沿著軸向延伸穿過滾筒2的中心並且由一個或 更多個旋轉組件4保持在適當位置中。電源24被顯示為位於物體1上。現在參照圖6，示出了充當方位角驅動器的系統100的側視圖，採用該方位角驅 動器使定日反射鏡應用物31沿水平軸旋轉。在本實施方式中，內軸部件3被固定至底 座40並且由旋轉組件4(未示出)連接至滾筒2。旋轉組件4可以是推力軸承或旋轉樞 軸軸承，並且第二軸承可以是滑動接觸軸承、滾珠軸承或適合支承由應用物或物體1上 的風載荷產生的重量和力的其他類型的軸承。葉片5可以被布置在滾筒2中以提供略微 大於180°的運動範圍，使得當被聯接至仰角驅動器時，定日鏡提供完全的多軸運動以將 應用物指向任何選定的點。在用於每個流體可膨脹容器6的實施方式中，聯接器可以被 提供給一個或更多個機動的或計算機控制的閥致動器11和控制閥10以允許對應用物的位 置進行機器人控制。用於沿一個軸移動物體的系統還包括止動件7或其他減震表面或裝 置以防止損壞滾筒內的未加壓的流體可膨脹容器6或葉片5。系統100的本實施方式被 顯示為具有鎖定裝置(諸如手動或機電地配置的衝銷)8和空氣或流體管的歧管35，該歧 管35與用於使每個流體容器加壓和減壓的控制閥10相連接。系統100的本實施方式還 包括用於致動控制閥10的電子閥動器11，壓縮空氣或其他流體的源(諸如壓縮機)12， 連接流體可膨脹容器6和控制閥10、壓縮機12的軟管20，以及可選擇的用於加壓流體的 儲槽13。計算機14通過處理來自電子壓力傳感器21、環境溫度傳感器25、旋轉位置編 碼器9和/或電子水平傳感器26的信息，可以計算應用物的當前位置，確定空氣體積和 壓力變化，該空氣體積和壓力變化是在每個流體可膨脹容器6內實現將物體1或應用物致 動、驅動或移動到希望的位置以維持相對於目標的最優方位所必需的。計算機14然後可 以致動閥致動器11並且致動壓縮機12或加壓流體存儲系統13以將壓縮流體釋放到附接 至那些流體可膨脹容器6的軟管20內。計算機14可以控制流體可膨脹容器6的膨脹和 縮小，以便將物體1或應用物致動、驅動、或移動到希望的位置，而同時通過評價從電 子水平傳感器26和/或旋轉位置編碼器9獲得的反饋來比較和修正物體1的運動。在一些實施方式中，這些步驟或活動不會同時發生，而是根據工業應用連續地或在可接受的 期限內發生。圖6中實施的用於沿一個軸移動物體的系統100可以包括作為第一或第二導向系 統或定位反饋系統的雷射定位系統。本實施方式中示出的定位系統包括雷射發射器15和 雷射接收器19。物體1或應用物備有雷射束髮射器15，該雷射束髮射器15從物體1或應 用物表面以已知的角相對於物體1或連接器44(未示出)發射雷射束。雷射束由定位在 太陽能接收器塔16的頂部處的圖6所示的雷射傳感器19自動檢測。計算機14，通過處 理從雷射傳感器電子地收到信息，可以因此使連接器44和/或物體1或應用物在最有利 地位置中定向從而使目標(在該情況下太陽能蓄熱器)27暴曬。還示出了電源(諸如光 電電源)24和用於壓縮和控制系統23的電纜。歧管35可以包括在較大歧管35內的一個 或更多個管和監控流體容器和加壓流體系統的其他部分內的壓力的電子壓力傳感器21。 該系統100還包括用於仰角的水平傳感器26 (可以安裝在應用物或連接器44內或應用物 或連接器44上)、電子旋轉位置編碼器9、環境溫度傳感器25。另外，用於沿一個軸移動物體的系統可以被配置在太陽能發電廠中，在該太陽 能發電廠中來自太陽18的太陽輻射通過每個均包含用於沿一個軸移動物體的系統的多個 實施方式的定日鏡陣列被聚集在安裝在太陽塔16上的太陽能接收器27上。這些定日鏡可 以包括傳感器和導向系統(諸如旋轉位置編碼器)9;計算機硬體和軟體14，該計算機 硬體和軟體14針對具體應用適當地控制致動器和運動；安裝在應用物或太陽塔上的一個 或更多個雷射發射器15;安裝在太陽塔16上的一個或更多個雷射接收器19 ；電源24， 該電源24可以是光伏板或其他電源以將電力供應給加壓流體系統、傳感器和導向系統； 以及無線或有線的中央陣列控制器22。計算機14，通過處理來自電子壓力傳感器21、環境溫度傳感器25、旋轉位置 編碼器9和/或電子水平傳感器26的信息，可以計算應用物的當前位置，確定空氣體積 和壓力變化，該空氣體積和壓力變化是在每個流體可膨脹容器內實現將物體或應用物致 動、驅動或移動到希望的位置以維持相對於目標的最優方位所必需的。計算機然後可以 致動閥致動器11並且致動壓縮機12或加壓流體存儲系統13，以將壓縮流體釋放到附接至 那些需要膨脹的流體可膨脹容器6的軟管內，並且同時將流體從那些需要縮小的流體可 膨脹容器中釋放出，以便將物體或應用物致動或驅動或移動到希望的位置，而同時通過 評價從電子水平傳感器26和/或旋轉位置編碼器9獲得的反饋來比較和修正物體1的運 動。在一些實施方式中，這些步驟或活動不會同時發生，但是根據工業應用連續地或在 可接受的期限內發生。通常，每個流體可膨脹容器6或其中的密封副室中將有一個膨脹軟管源。實施 方式中的歧管35通常將具有壓力變換器埠、排氣閥埠以及膨脹閥埠。單個三通 閥(three port valve)將通過一半的閥(1閥/容器)提供膨脹和收縮。可以用於實施方式 的適當閥的示例是12伏螺線管致動的氣閥(solenoid actuated gas valve)和三通伺服控制閥 (servo actuatedvalve)。可以使用封閉或開放的膨脹系統。實施方式可以基於在縮小時過 量流體被流入大氣或被從一個容器流入另一個容器或存儲槽。在高層大氣、空間中的應 用和水下應用可能需要重複使用封閉系統中所有可利用的流體。用於沿一個軸移動物體的系統100能提供高度分散但精確控制的機械力以通過
12流體可膨脹容器6的有差別地系統加壓和減壓實現運動和精確定位。為執行它們的功 能，流體可膨脹容器6需要適度的壓力，該適度的壓力除了其他因素外取決於待移動的 應用物的尺寸、必須被克服的撞擊應用物的外力(諸如最大風力載荷)、流體可膨脹容器 6的數量以及滾筒2內葉片5上的流體可膨脹容器6表面接觸面積。在許多應用物或裝置 中，可以使用大約8psi到150psi的壓力範圍。壓縮機可以和加壓流體存儲容器13相聯 接，該加壓流體存儲容器13允許壓縮機的運行時間減少並且在外部供電中斷期間提供用 於小功率操作的加壓流體的備用電源。流體可膨脹容器6在操作期間不受施加於物體或應用物上的正常和反常外應 力、振動或搖動的影響。流體可膨脹容器6內的壓力被表面積放大，在該表面積方，流 體可膨脹容器6作用於葉片5施加力以移動物體1，並且這種分布力允許它們能夠容易地 吸收由物體本身(該物體可能是非常大而重的，遠比當前致動器更大且重)產生的或者由 對物體起作用的外部因素施加的慣量或動量。流體可膨脹容器6可以由從天然或合成彈 性體(諸如橡膠或矽樹脂)到塗層尼龍織物的幾乎任何一種多個傳統的可膨脹或不可膨脹 可膨脹材料製成，其中塗層尼龍織物是「黃道帶」平底船到塗層織物氣囊所特有的，該 塗層織物氣囊通常用於汽車競賽、航空中的燃料槽和航運中的壓艙物和墊艙物料。在一個實施方式中，被移動的物體由重物平衡。該重物可以被放置在滾筒2和 軸部件3的與物體1相反的一側。平衡物或重物可以用來減小移動物體所需的力的大小。 最後，如果流體系統發生故障，則重物可以用來將系統100或物體偏壓到收起位置。繼續參照圖6，用於沿一個軸移動物體的系統100通過衝銷8可以被穩定在收起 位置或其他希望的位置中，在安裝期間或者當用於沿一個軸移動物體的系統100的部件 被移除或替換並且物體1沒有控制其位置的流體可膨脹容器6時的任何時期，該衝銷將系 統確實地鎖定在適當的位置。不同於步進電動機，系統100可以以走走停停(stop-and-go)的方式或以連續的 平穩運動移動物體或應用物，而無步進功能。因為該機構自然地分散和吸收作為彈性而 不是非彈性碰撞或衝擊的震動，所以即使重的應用物的突然停止和動量改變也可以由用 於沿一個軸移動物體的系統100容易地承擔，而不會發生損壞。現在參照圖7，示出了用於沿一個軸移動物體的系統100的立體圖，該系統100 布置成通過在一天的過程期間跟蹤橫過天空的太陽的視動來提供用於太陽能收集槽28的 單軸跟蹤。現在參照圖8，示出用於沿一個軸移動物體的系統100的立體圖，該系統100布 置成通過在一天的過程期間跟蹤橫過天空的太陽18的視動來提供用於太陽光伏板29的單 軸跟蹤以提高光伏板的效率。現在參照圖9，示出了用於沿一個軸移動物體的系統100的立體圖，該系統100 可以布置成將單軸跟蹤提供給單個平面鏡段30。系統100因此將太陽能集中在菲涅耳式 槽太陽能收集器中的固定的接收管上。現在參照圖10A-10B，分別示出了在沿一個軸移動物體的系統的實施方式中使 用的示例性旋轉組件4的側視圖和正視圖。參照圖10B，示出了安裝在滾筒2上並且布 置成使得軸部件3在滾筒2的中心被支承並且可以自由地旋轉的三個或更多個腳輪40。 腳輪40中的每一個均通過一個或更多個螺栓42附接至旋轉組件4。腳輪40中的每一個均直接或間接地附接至滾筒2。旋轉組件4可以在滾筒2外安裝在外表面(諸如滾筒2的 端蓋)上。旋轉組件4也可以在滾筒2內安裝在例如滾筒2的端蓋內。旋轉組件4也可 以通過將該旋轉組件4保持在適當位置的框架與滾筒2相連接。為了現場維修腳輪40可 以被容易地移除。當腳輪40不與軸部件3接觸時，可以更換腳輪40。在一個實施方式 中，一個或更多個腳輪40是可調節的，使得它可以離開軸部件3而產生小容許間隙，軸 部件可以在該小容許間隙內徑向離開每個腳輪40。以這種方式，可以一次更換一個腳輪 40。在另一個實施方式中，通過採用傳統的液壓或機力千斤頂來移動軸部件3。一旦腳 輪40被更換並且一個或更多個可調節腳輪被拉緊以將軸部件3穩固地保持在適當位置， 就可以移除千斤頂。軸部件3通常通過滾筒2的中心軸徑向地延伸。腳輪40可以被更 換，而無需「折斷桅杆」或移除軸部件3並且無需移除其他腳輪40。注意，「上」、「下」、「上部」、「下部」以及「中央」全部是相對的並且 在一些應用中可以被不同地顛倒或定向或特徵化。實施方式的若干元件可以顯著地變化而不會改變用於沿一個軸移動物體的系統 的基本功能或作用機理。在系統100的一個實施方式中，用於移動物體的一個或更多個 彈簧加載的拉緊繩索或其他彈性拉緊裝置(諸如壓縮彈簧或扭轉彈簧)可以代替一個或更 多個流體可膨脹容器6，或者在安裝、維護、更換或操作期間和該容器6 —起使用以穩定 物體1或應用物。實施方式可以包括使用堆疊的、嵌套的、可摺疊地、褶狀的或者葉子 形或葉子結構的流體可膨脹致動器。彈簧可以加在流體可膨脹容器6內。彈簧可以在外 殼2內使用。流體可膨脹容器6的具體形狀可以廣泛地變化並且在操作期間可以改變， 使得它們像楔、圓錐體、圓筒、浮筒、弧或新月。扭轉彈簧或其他類型彈簧裝置也可以 用來將力施加在滾筒2或軸部件3上。用於封裝流體可膨脹容器6的外殼2的形狀可以 廣泛地變化並且可以像例如楔形、橢圓、圓錐體或圓筒。通常，軸部件3將穿過外殼2 但可以定位在外殼2外。對於可能需要多軸運動的某些應用，用於沿一個軸移動物體的系統100的多個 實施方式可以被附接在一起。在這種「兩軸結構」中，一個致動器組件的結構間接或直 接地附接至另一個致動器組件的結構，使得每個致動器均提供沿一個軸的運動。這種結 構在圖3-6中示出。最後，在許多用於沿一個軸移動物體的系統100的實施方式中，系統100的原動 力可以由一個或更多個小且效率高的空氣壓縮機提供。小的太陽電池板或電池可以提供 足夠的電力來定位整個表面，並且也可以給控制和通信單元提供電力。可替代性地，一 個或更多個大型工業壓縮機和儲槽可以設置並且被連接以將加壓流體提供給許多這種用 於沿一個軸移動物體的系統(拋物線槽太陽能收集器陣列或射電望遠鏡陣列)的裝置內的 許多流體可膨脹容器。所示的用於沿一個軸移動物體的各種系統100是新型的旋轉驅動機構。該系統 可以在包含需要大或小、輕或重的物體的單軸控制和定向的各種各樣的用途和應用中實 施。實施方式特別適於在外應力下操作大且重的物體，在操作大且重物體中，其他機構 太精密、易於發生故障和/或昂貴。該系統也可以用在小或甚至微觀尺度上，在小或甚 至微觀尺度中，其他機構將太複雜和昂貴，或者在其他方面將不適於應用。用於沿一個軸移動物體的系統100也通過利用由流體可膨脹容器的戰略布置和加壓產生的力和固定停泊的靜態力的平衡來在各種風況下穩定大且重的物體。這比當前 致動器有改進，因為處於平衡狀態的大壓力使系統在很大的風中保持穩定，從而允許在 其他方面非常困難或非常昂貴的情況下使用。通過將扭轉彈簧聯接至軸部件3和滾筒2 可以實現附加的動態調諧，從而將可預測的彈簧常數加到系統的動態特性中。用於沿一個軸移動物體的系統和方法可以用來構建多軸定位系統，該多軸定位 系統可以是遙控的而不需要外部控制電纜。用於沿一個軸移動物體的系統可以使用有線控制系統或無線控制系統，後者提 供一個或更多個單元的簡化的中央操作。可以使用各種無線控制系統。用於沿一個軸移動物體的系統100也可以被集成到雙軸跟蹤器中，該雙軸跟蹤 器可以支承包括天線、廣告牌、顯示屏、起重設備以及其他物品的各種物體。系統100 也可以被集成到雙軸定位系統中，該雙軸定位系統以安裝容易、結構簡單為特徵，並且 可以以適中的費用出售和安裝以及修理。現在參照圖11，示出了用於沿一個軸移動物體的方法200的實施方式。示例性 方法包括提供至少一個流體容器6，提供導向系統，該導向系統檢測對位置變化的需要 (步驟205)並且發送數據信號到控制系統或計算機(步驟210)。該導向系統可以包括 作為第一導向系統或第二導向系統的雷射定位系統。該雷射定位系統包括雷射束髮射器 15，該雷射束髮射器15從物體1的表面以已知的角度相對於物體1或連接器44發射雷射 束。雷射束由將數據信號發送至計算機4的雷射傳感器19 (例如位於太陽塔上)自動檢 測。在上面描述了導向系統(圖6)的其他部件。計算機14解釋數據信號並且將數據信 號轉換成用於壓力變化或流體體積變化的命令(步驟215)。計算機通過信號致動一個或 更多個泵以改變流體可膨脹容器6中的一個或更多個中的流體的體積和壓力(步驟220)。 流體容器6中的一個或更多個流體容器的體積變化移動物體255。結果，物體1根據指示 由導向系統移動。應該注意到，用於沿一個軸移動物體的系統的實施方式不限於上述說明。從根 據附圖的下列詳述中將更加清楚用於沿一個軸移動物體的系統的目的、優點、特徵以及 用途。各種修改都屬於實施方式的範圍。在前面的詳述中，參照具體的示例性實施方式描述了根據用於沿一個軸移動物 體的系統的實施方式的系統和方法。因此，本說明書和附圖被認為是說明性的而不是限 制性的。通過附加在此的有限的實施例並且通過它們的等同實例進一步理解用於沿一個 軸移動物體的系統的範圍。此外，在描述各種實施方式中，說明書可以提出作為具體順序的步驟的方法和/ 或過程。然而，就方法或過程不依賴本文提出的具體次序的步驟來說，方法或過程不應 限於描述的具體順序的步驟。作為本領域技術人員應當理解，其他順序的步驟可以是可 能的。因此，說明書中提出的具體次序的步驟不應被解釋為對權利要求的限制。另外， 涉及方法和/或過程的權利要求不應限於在它們的書寫次序中的步驟的性能，並且本領 域技術人員可以容易地理解，可以改變這些順序，並且仍保持在各種實施方式的精神和 範圍內。
權利要求
1.一種用於相對於基準沿一個軸移動物體的系統，該系統包括 具有內部和外部的外殼，其中該外殼在操作上與所述基準相連接； 一個或更多個葉片，該一個或更多個葉片固定至所述外殼； 一個或更多個葉片，該一個或更多個葉片在操作上連接至所述基準；第一流體可膨脹容器，該第一流體可膨脹容器定位在所述外殼內，使得加壓的所述 第一流體可膨脹容器將力施加在固定至所述外殼的所述一個或更多個葉片中的至少一個 葉片上和連接至所述基準的所述一個或更多個葉片中的至少一個葉片上；流體移動器，該流體移動器以可操作的方式與所述流體容器相連接以將流體移入該 流體容器內，使得所述流體容器被加壓；以及流體壓力控制器，該流體壓力控制器用於控制所述流體容器中的流體的壓力，其中 通過改變所述流體容器中的所述流體的壓力，來相對於所述基準移動所述物體。
2.根據權利要求1所述的系統，該系統還包括 用於將所述物體連接至所述外殼的連接器。
3.根據權利要求1所述的系統，該系統還包括 用於將所述物體連接至所述基準的連接器。
4.根據權利要求3所述的系統，該系統還包括 在操作上固定至所述外殼的底部的中央支承結構。
5.根據權利要求1所述的系統，該系統還包括第二流體可膨脹容器，該第二流體可膨脹容器在操作上與一個或更多個控制閥相連 接，其中所述第二流體可膨脹容器由壓縮流體加壓；並且其中通過使所述第一流體可膨脹容器作用於所述葉片加壓而施加的力被由所述第二 流體可膨脹容器施加的壓縮力所反抗。
6.一種用於相對於基準沿一個軸移動物體的系統，該系統包括 用於所述物體的連接器；滾筒，該滾筒在操作上與所述基準相連接，其中所述滾筒具有內壁、樞轉軸以及外 表面；其中所述基準是一軸部件，該軸部件具有外表面，並且在軸向上經過所述滾筒的所 述樞轉軸定位；一個或更多個旋轉組件，該一個或更多個旋轉組件支承所述軸部件，使得該軸部件 能夠在所述滾筒內轉動；固定至所述軸部件的一個或更多個葉片，該一個或更多個葉片沿所述軸部件縱向地 延伸並且在徑向上延伸到所述滾筒的所述內壁；固定至所述滾筒的一個或更多個葉片，該一個或更多個葉片沿所述滾筒的所述內壁 縱向地延伸並且在徑向上延伸至所述軸部件的所述外表面；第一流體可膨脹容器，該第一流體可膨脹容器在所述滾筒內放置在固定至所述滾筒 的所述一個或更多個葉片中的一個葉片和固定至所述軸部件的所述一個或更多個葉片中 的一個葉片之間，使得所述第一流體可膨脹容器的膨脹同時在固定至所述滾筒的所述葉 片和固定至所述軸部件的所述葉片上施加力；一個或更多個控制閥，該一個或更多個控制閥在操作上與所述第一流體可膨脹容器相連接，以輔助所述第一流體可膨脹容器的加壓和減壓；以及壓縮流體的源，該壓縮流體的源在操作上與所述一個或更多個控制閥相連接以對所 述第一流體可膨脹容器加壓；其中所述用於沿一個軸移動物體的系統能通過對所述第一流體可膨脹容器系統地加 壓和減壓來使所述物體在各種位置定向。
7.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括第二流體可膨脹容器，該第二流體可膨脹容器在操作上與一個或更多個控制閥相連 接，其中所述第二流體可膨脹容器由所述壓縮流體加壓；並且其中通過使所述第一流體可膨脹容器作用於所述葉片加壓而施加的力被由所述第二 流體可膨脹容器施加的壓縮力所反抗。
8.根據權利要求6所述的系統，其中，所述滾筒在操作上與所述連接器相連接。
9.根據權利要求6所述的系統，其中，所述連接器在操作上與所述軸部件相連接。
10.根據權利要求1所述的系統，其中，所述旋轉組件包括三個或更多個腳輪，該三 個或更多個腳輪直接或間接地安裝在所述外殼上，以支承所述基準並且允許該基準在所 述滾筒內自由地旋轉。
11.根據權利要求1所述的系統，該系統還包括 用於防止對系統部件造成損壞的減震裝置；和 包括衝銷的鎖定裝置。
12.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括至少兩個滾筒。
13.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括中央支承結構，該中央支承結構位於所述物體下方； 電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接； 電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥以對所述第一流體可膨脹 容器加壓和減壓；電子水平傳感器或旋轉位置編碼器，該電子水平傳感器或旋轉位置編碼器用於確定 所述物體的高度、方位角以及縱傾；以及計算機，該計算機通過響應從所述電子壓力傳感器和所述電子水平傳感器接收到的 信號而電致動所述一個或更多個控制閥來控制所述物體的運動從而維持最優的太陽能收集。
14.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括一個或更多個扭轉彈簧，該一個或更多個扭轉彈簧構造成抵抗所述物體離開中立位 置的移動。
15.根據權利要求10所述的系統，其中，每個所述腳輪均是可調節的，以在所述腳輪 和所述軸部件之間產生容許間隙，並且每個所述腳輪利用一個或更多個螺栓安裝到旋轉 組件上。
16.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括 定位系統；壓縮機，該壓縮機安裝在所述定位系統上；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接；電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥以對所述第一流體可膨脹 容器加壓和減壓；電子水平傳感器，該電子水平傳感器用於確定所述物體的高度、方位角以及縱傾； 旋轉位置編碼器，該旋轉位置編碼器對所述滾筒或所述軸部件的旋轉位置進行編 碼；以及計算機，該計算機通過響應從所述電子壓力傳感器、所述旋轉位置編碼器以及所 述電子水平傳感器接收到的信號而電致動所述一個或更多個控制閥來控制所述物體的運 動，從而維持最優的太陽能收集。
17.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括 定位系統；壓縮機，該壓縮機安裝在所述定位系統上；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接； 電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥，以對所述第一流體可膨 脹容器進行加壓和減壓；電子水平傳感器，該電子水平傳感器用於確定所述物體的高度和方位角；以及 計算機，該計算機能夠通過電磁信號傳送所述電子壓力傳感器和所述電子水平傳感 器的輸出值和所述一個或更多個控制閥的位置。
18.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括 定位系統；壓縮機，該壓縮機安裝在所述定位系統上；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接； 電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥，以對所述第一流體可膨 脹容器進行加壓和減壓；電子水平傳感器，該電子水平傳感器用於確定所述物體的高度和方位角；以及 計算機，該計算機與所述連接器集成一體，所述計算機通過電磁信號傳送所述電子 壓力傳感器和所述電子水平傳感器的輸出值和所述一個或更多個控制閥的位置，所述計 算機通過電磁信號接收和執行命令以重新定位太陽能收集表面。
19.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括 定位系統；壓縮機，該壓縮機安裝在所述定位系統上；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接； 電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥以對所述第一流體可膨脹 容器進行加壓和減壓；電子水平傳感器，該電子水平傳感器與所述支承結構集成一體，用於確定所述物體 的高度和方位角；計算機，該計算機與所述連接器集成一體；以及光電電源，該光電電源給所述電子壓力傳感器、所述電子水平傳感器、所述壓縮 機、所述一個或更多個控制閥以及所述計算機提供電力。
20.根據權利要求6所述的系統，該系統還包括定位系統；壓縮機，該壓縮機安裝在所述定位系統上；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器與所述第一流體可膨脹容器相連接； 電子致動器，該電子致動器用於所述一個或更多個控制閥以對所述第一流體可膨脹 容器進行加壓和減壓；電子水平傳感器，該電子水平傳感器用於確定所述物體的高度和方位角； 計算機，該計算機具有無線通信能力，並與所述連接器集成一體；以及 光電電源，該光電電源給所述電子壓力傳感器、所述電子水平傳感器、所述壓縮 機、所述一個或更多個控制閥以及所述計算機提供電力，其中所述計算機將所述第一流 體可膨脹容器的狀態和所述電子壓力傳感器、所述電子致動器、所述電子水平傳感器以 及所述光電電源的輸出值有規律地傳輸至外部控制系統。
21.根據權利要求6所述的系統，其中，所述流體在環境溫度下為固態，並且能夠由 加熱裝置加熱而轉化成液體以移動所述物體，在所述物體就位之後，所述液體能夠被冷 卻到環境溫度而轉化回固態流體。
22.一種利用加壓流體沿一個軸移動物體的方法，該方法包括提供導向系統，該導向系統檢測對位置變化的需要並且產生數據信號； 提供控制系統，該控制系統接收來自所述導向系統的所述數據信號，解釋所述數據 信號，並且將所述數據信號轉換成壓力變化或流體體積變化；其中所述控制系統致動一個或更多個泵以改變第一流體容器中加壓流體的體積，其 中該第一流體可膨脹容器將力施加在固定至所述外殼的所述一個或更多個葉片中的至少 一個葉片上和連接至所述基準的所述一個或更多個葉片中的至少一個葉片上；以及 其中，所述加壓流體的體積變化使所述物體移動。
23.一種利用加壓流體沿一個軸移動物體的方法，該方法包括利用流體體積控制來改變第一流體可膨脹容器中的壓力，其中向所述第一流體可膨 脹容器加壓使得將力施加在固定至容納該第一流體可膨脹容器的外殼的一個或更多個葉 片中的至少一個葉片上和連接至基準的一個或更多個葉片中的至少一個葉片上；並且 其中所述加壓流體的體積變化使得與所述外殼直接或間接地相連接的物體移動。
24.根據權利要求22所述的方法，其中，所述外殼是滾筒，當壓力被改變時該滾筒旋轉。
25.根據權利要求22所述的方法，其中，所述基準是一軸部件，當壓力被改變時該軸 部件旋轉。
26.根據權利要求22所述的方法，其中，改變壓力的步驟改變兩個或更多個所述流體 可膨脹容器中的壓力。
全文摘要
公開了一種用於沿一個軸移動物體的系統，該系統形成高度分散的但精確控制的機械力以相對於固定目標或移動目標在精確的對準或定向中支承、操作以及維持物體、工具以及應用物。所述系統包括位於圓筒形外殼或滾筒內的一個或更多個流體容器和通過該滾筒的縱軸延伸的軸部件。所述軸部件通過旋轉組件與所述滾筒相聯接，使得所述滾筒可以繞所述軸部件旋轉或所述軸部件可以在所述滾筒內旋轉。所述流體可膨脹容器圍繞所述軸部件布置在所述滾筒內，使得每個所述容器在固定至所述滾筒的葉片和固定至所述軸部件的葉片之間施加膨脹力。可以通過控制系統將一定體積的流體放置在所述一個或更多個容器中。通過改變所述一個或更多個容器中的流體的體積，可以將力施加在所述葉片上並且可以移動所述物體。
文檔編號F16M11/42GK102016383SQ200980115306
公開日2011年4月13日 申請日期2009年2月10日 優先權日2008年2月29日
發明者喬納森·N·布利茨, 彼得·奇爾德斯, 羅納德·德雷珀, 詹姆斯·卡魯西 申請人:Cbe環球控股公司