[发明专利]非线性致动器系统和方法

说明书

相关申请

本申请以引用方式并入2009年6月23日提交的题为“Non-Linear Actuator SystemAnd Method(非线性致动器系统和方法)”的美国临时申请No.61/213,596和2009年2月10提交的题为“Single-Axis Drive System and Method(单轴驱动系统和方法)”的国际PCT申请No.PCT/US2009/000825，并且要求以上两申请的优先权。

技术领域

技术领域涉及用于沿一个轴线支撑和移动物体的方法和系统。当被配置为用于沿一个轴线支撑和移动物体的系统的一部分时，非线性且卷叶(rolling lobe)致动器系统和方法可以完全替代较老技术、机构以及方法而应用于各种领域中的任何一个领域，用于以单轴取向或当配置为一对致动器时以多轴定位移动、驱动、定位或致动物体或负载，诸如除诸多大规模应用或小规模应用以外，还用于定位定日镜、太阳和卫星跟踪系统、电磁辐射天线、红外光传感器、广告材料、卷扬机和起重机、武器以及用于维护和修理的机器和设备，并且用于操纵远程工具或手术器具。

背景技术

在诸如太阳能、天文学、卫星通讯、雷达、热成像、建造、武器部署以及广告业的各种领域中，当前致动器沿单轴和多轴操纵和定位物体的取向、高度以及方位角。相对于大型设备或重型设备应用，当前致动器采用齿轮驱动装置、行星齿轮、液压活塞、气动活塞、螺旋驱动以及各种发条式机构以围绕固定安装件定位大型且重型物体。由于它们依靠电机和各种液压装置来移动大型且重型物体，因此当前致动器需要大量精密设计的部件和相当大的电源。当前致动器还需要结构部件和致动器之间的多个重型连接以支撑并定位重型且大型物体。液压驱动和电力驱动需要昂贵的软管和布线以传输动力。当前致动器的沉重且精密的金属-金属传动装置和机械部分指示正常的金属疲劳问题、操作磨损和外应力问题、灰尘问题、污染物问题、外物问题、润滑问题，并且即使微小的操作者失误和疏忽也产生显著的与使用相关的损害、颤动、空转以及由此所导致的精确性和耐久性的退化。还被称为“发条式”致动器的这种致动器使检查、维护、修理以及更换精密加工部件的高成本以及由此所导致的由生产作业的停工期成为必需。通常，发条式致动器不提供平滑跟踪运动，而是提供与机动系统所共有的周期性步进运动。

致动器用于收集太阳能。可以通过借助瞄准镜阵列使得它们将阳光反射到单个固定的接收器以产生用于生产蒸汽的集中热来集中阳光从而收集太阳能。这种动力设备的实例参见美国专利6,957,536。地球自传及在轨道中围绕太阳的运动使具有以下功能的结构成为必需：用于使镜或面板在太阳每天移动跨越天空时相对于太阳且在每个季节相对于地平线对准一位置，以使得太阳能被连续反射在接收器上。美国专利4,135,493和美国专利申请2008/0128017公开了提供单轴跟踪的太阳能收集器的实例。其它太阳能收集器沿多个轴跟踪太阳的运动。实际上，恒定地使收集器或镜朝向太阳取向的设备必须提供用于连续地调节方位角(围绕地平线的旋转)和高度(从地平线到正上方的位置旋转)以连续地跟踪太阳穿过天空的明显运动的装置。

当前太阳能收集器包括沿单轴和多轴旋转以在全天和全年维持太阳能电池的面板和太阳能集热器或镜的期望取向的装置。这些装置被称为“跟踪器”、“定日镜”或者“定位系统”。迄今为止，当前定位系统是复杂且昂贵的。具体地因为单个跟踪器上的镜和光伏板的尺寸增大到100m²以上，所以操纵和稳定面板(特别是在疾风的情况下)所需的复杂精密的齿轮驱动装置和强力马达已经成为追求大规模太阳能发电时最大的单一成本障碍。这些时钟机构是精密的并且在正常和异常的操作条件下易于发生机械故障或退化。当前定日镜技术的这些和其它限制是使通过太阳热能或集中的太阳能发电的成本降低到等于或低于燃煤和天燃气发电设备的发电成本的主要障碍之一。

当前定日镜技术的其它典型实例包括美国专利No.3,070,643，该美国专利公开了一种用于通过感测太阳的位置并且选择性地绕一对轴线中的一个或另一个驱动太阳能电池支撑件来将太阳能电池连续地直接指向太阳的闭环伺服系统。该专利公开了一种复杂的传动装置系统，该传动装置系统具有单个驱动马达和以允许选择性的双轴线驱动的电动离合器。美国专利3,998,206和3,996,917所公开的另一个系统采用单独的驱动马达以实现双轴线运动。使用马达驱动装置和齿轮减速装置显著地增加了太阳跟踪装置的初始安装和维护成本。另外，驱动强力马达所需的动力对太阳能动力设备的操作产生寄生动力消耗。齿轮和马达驱动装置的使用是如通过实例在美国专利6,440,019所公开的当前致动器的典型特征。