專利名稱：非線性致動器系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
技術(shù)領(lǐng)域涉及用于沿一個(gè)軸線支撐和移動物體的方法和系統(tǒng)。當(dāng)被配置為用于沿一個(gè)軸線支撐和移動物體的系統(tǒng)的一部分時(shí)，非線性且卷葉(rolling lobe)致動器系統(tǒng)和方法可以完全替代較老技術(shù)、機(jī)構(gòu)以及方法而應(yīng)用于各種領(lǐng)域中的任何一個(gè)領(lǐng)域，用于以單軸取向或當(dāng)配置為一對致動器時(shí)以多軸定位移動、驅(qū)動、定位或致動物體或負(fù)載，諸如除諸多大規(guī)模應(yīng)用或小規(guī)模應(yīng)用以外，還用于定位定日鏡、太陽和衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)、電磁輻射天線、紅外光傳感器、廣告材料、卷揚(yáng)機(jī)和起重機(jī)、武器以及用于維護(hù)和修理的機(jī)器和設(shè)備，并且用于操縱遠(yuǎn)程工具或手術(shù)器具。
背景技術(shù)：
在諸如太陽能、天文學(xué)、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)、熱成像、建造、武器部署以及廣告業(yè)的各種領(lǐng)域中，當(dāng)前致動器沿單軸和多軸操縱和定位物體的取向、高度以及方位角。相對于大型設(shè)備或重型設(shè)備應(yīng)用，當(dāng)前致動器采用齒輪驅(qū)動裝置、行星齒輪、液壓活塞、氣動活塞、螺旋驅(qū)動以及各種發(fā)條式機(jī)構(gòu)以圍繞固定安裝件定位大型且重型物體。由于它們依靠電機(jī)和各種液壓裝置來移動大型且重型物體，因此當(dāng)前致動器需要大量精密設(shè)計(jì)的部件和相當(dāng)大的電源。當(dāng)前致動器還需要結(jié)構(gòu)部件和致動器之間的多個(gè)重型連接以支撐并定位重型且大型物體。液壓驅(qū)動和電力驅(qū)動需要昂貴的軟管和布線以傳輸動力。當(dāng)前致動器的沉重且精密的金屬-金屬傳動裝置和機(jī)械部分指示正常的金屬疲勞問題、操作磨損和外應(yīng)力問題、灰塵問題、污染物問題、外物問題、潤滑問題，并且即使微小的操作者失誤和疏忽也產(chǎn)生顯著的與使用相關(guān)的損害、顫動、空轉(zhuǎn)以及由此所導(dǎo)致的精確性和耐久性的退化。還被稱為“發(fā)條式”致動器的這種致動器使檢查、維護(hù)、修理以及更換精密加工部件的高成本以及由此所導(dǎo)致的由生產(chǎn)作業(yè)的停工期成為必需。通常，發(fā)條式致動器不提供平滑跟蹤運(yùn)動，而是提供與機(jī)動系統(tǒng)所共有的周期性步進(jìn)運(yùn)動。致動器用于收集太陽能?？梢酝ㄟ^借助瞄準(zhǔn)鏡陣列使得它們將陽光反射到單個(gè)固定的接收器以產(chǎn)生用于生產(chǎn)蒸汽的集中熱來集中陽光從而收集太陽能。這種動力設(shè)備的實(shí)例參見美國專利6，957，536。地球自傳及在軌道中圍繞太陽的運(yùn)動使具有以下功能的結(jié)構(gòu)成為必需用于使鏡或面板在太陽每天移動跨越天空時(shí)相對于太陽且在每個(gè)季節(jié)相對于地平線對準(zhǔn)一位置，以使得太陽能被連續(xù)反射在接收器上。美國專利4，135，493和美國專利申請2008/0128017公開了提供單軸跟蹤的太陽能收集器的實(shí)例。其它太陽能收集器沿多個(gè)軸跟蹤太陽的運(yùn)動。實(shí)際上，恒定地使收集器或鏡朝向太陽取向的設(shè)備必須提供用于連續(xù)地調(diào)節(jié)方位角(圍繞地平線的旋轉(zhuǎn))和高度(從地平線到正上方的位置旋轉(zhuǎn))以連續(xù)地跟蹤太陽穿過天空的明顯運(yùn)動的裝置。當(dāng)前太陽能收集器包括沿單軸和多軸旋轉(zhuǎn)以在全天和全年維持太陽能電池的面板和太陽能集熱器或鏡的期望取向的裝置。這些裝置被稱為“跟蹤器”、“定日鏡”或者“定位系統(tǒng)”。迄今為止，當(dāng)前定位系統(tǒng)是復(fù)雜且昂貴的。具體地因?yàn)閱蝹€(gè)跟蹤器上的鏡和光伏板的尺寸增大到IOOm2以上，所以操縱和穩(wěn)定面板(特別是在疾風(fēng)的情況下)所需的復(fù)雜精密的齒輪驅(qū)動裝置和強(qiáng)力馬達(dá)已經(jīng)成為追求大規(guī)模太陽能發(fā)電時(shí)最大的單一成本障礙。這些時(shí)鐘機(jī)構(gòu)是精密的并且在正常和異常的操作條件下易于發(fā)生機(jī)械故障或退化。當(dāng)前定日鏡技術(shù)的這些和其它限制是使通過太陽熱能或集中的太陽能發(fā)電的成本降低到等于或低于燃煤和天燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備的發(fā)電成本的主要障礙之一。當(dāng)前定日鏡技術(shù)的其它典型實(shí)例包括美國專利No. 3，070, 643，該美國專利公開了一種用于通過感測太陽的位置并且選擇性地繞一對軸線中的一個(gè)或另一個(gè)驅(qū)動太陽能電池支撐件來將太陽能電池連續(xù)地直接指向太陽的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。該專利公開了一種復(fù)雜的傳動裝置系統(tǒng)，該傳動裝置系統(tǒng)具有單個(gè)驅(qū)動馬達(dá)和以允許選擇性的雙軸線驅(qū)動的電動離合器。美國專利3，998，206和3，996，917所公開的另一個(gè)系統(tǒng)采用單獨(dú)的驅(qū)動馬達(dá)以實(shí)現(xiàn)雙軸線運(yùn)動。使用馬達(dá)驅(qū)動裝置和齒輪減速裝置顯著地增加了太陽跟蹤裝置的初始安裝和維護(hù)成本。另外，驅(qū)動強(qiáng)力馬達(dá)所需的動力對太陽能動力設(shè)備的操作產(chǎn)生寄生動力消耗。齒輪和馬達(dá)驅(qū)動裝置的使用是如通過實(shí)例在美國專利6，440，019所公開的當(dāng)前致動器的典型特征。當(dāng)前定日鏡技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是在多數(shù)情況下它依賴于外部動力源。當(dāng)前致動器需要提供電力或液壓動力以定向應(yīng)用對象。這在安裝時(shí)產(chǎn)生寄生動力消耗，并且針對它們的操作還需要使用電纜或軟管的復(fù)雜且昂貴的電力或液壓動力分配系統(tǒng)。就它們的性質(zhì)而言，定日鏡陣列常常覆蓋數(shù)平方公里，并因此在大型裝置上，通過電纜給數(shù)千個(gè)定日鏡的陣列提供外動力增加了較大資金和維護(hù)費(fèi)用。當(dāng)前致動器未能實(shí)現(xiàn)在最小的功率要求下提供多軸太陽跟蹤的低成本裝置。因此，需要有一種供小規(guī)模到大規(guī)模應(yīng)用之用的成本和功率有效的單軸和多軸致動器。在諸如美國專利3，053，528和美國專利4，378，935的多個(gè)專利中描述了當(dāng)前致動器的液壓彈簧的使用以及活塞和柔性構(gòu)件的結(jié)合，當(dāng)活塞在操作中往復(fù)運(yùn)動時(shí)該柔性構(gòu)件形成卷葉。呈聯(lián)接至活塞的柔性膜形式的這些裝置當(dāng)它們膨脹時(shí)產(chǎn)生大量原動力。雖然這些裝置可以用作致動器，但是它們主要用作重型機(jī)械和車輛上的減震器或彈簧，并且主要由升舉能力或者壓縮和拉伸能力測定。這些裝置具有非常有限的運(yùn)動或活動范圍并且非常有限地用于需要精確度的運(yùn)動控制。這些裝置不被設(shè)計(jì)成用于受控的非線性運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或弓形運(yùn)動，并且即使有用于這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的能力或用于控制這種運(yùn)動的能力也很少表現(xiàn)出來。因此，需要一種改進(jìn)的單軸和多軸致動器。

發(fā)明內(nèi)容
用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式包括流體以及一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器，所述一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器布置成將流體壓力傳輸?shù)街?，使得所述流體可膨脹容器的柔性壁響應(yīng)于體積的變化而形成卷葉，該卷葉被封閉在圓筒形罩殼或滾筒內(nèi)；軸，該軸軸向穿過所述滾筒的中心并且通過軸承聯(lián)接至所述滾筒使得所述滾筒和所述軸可相對于彼此自由移動；一個(gè)或更多個(gè)葉片，所述一個(gè)或更多個(gè)葉片從所述軸向軸縱向延伸并徑向延伸到所述滾筒的內(nèi)表面；以及一個(gè)或更多個(gè)葉片，所述一個(gè)或更多個(gè)葉片從所述滾筒的內(nèi)表面縱向延伸并徑向延伸到所述軸的表面。待移動的物體可以被直接或間接地連接至所述軸或所述滾筒。所述流體可膨脹容器圍繞所述軸布置在所述滾筒內(nèi)的整個(gè)或部分環(huán)形環(huán)中，使得每個(gè)容器均在固定至所述滾筒的葉片和固定至所述軸的葉片之間施加膨脹力。一定體積的流體被放置在所述一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器中。所述系統(tǒng)還包括流體移動件，該流體移動件以可操作方式連接至所述一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器以將所述流體移至所述一個(gè)或更多個(gè)容器中。所述系統(tǒng)還包括用于控制所述一個(gè)或更多個(gè)容器中的流體的體積的流體體積控制器。通過改變所述一個(gè)或更多個(gè)容器中流體的體積來移動所述物體。在一實(shí)施方式中，使用弧形柱塞來幫助產(chǎn)生所述卷葉。在一實(shí)施方式中，待被定位的所述物體或應(yīng)用對象可以是光伏板、太陽反光鏡、圓盤式衛(wèi)星電視天線、紅外成像傳感器、電磁輻射天線或發(fā)射器、望遠(yuǎn)鏡、傳感器陣列、探測器、武器或武器系統(tǒng)、熱武器系統(tǒng)、可命中目標(biāo)的武器、醫(yī)療衛(wèi)生器材、醫(yī)用機(jī)器人致動器、 診斷設(shè)備和機(jī)器人、外部或內(nèi)部假體或假體性植入物、手術(shù)或顯微操作工具或裝置、廣告材料、標(biāo)志圖樣、施工設(shè)備、閥、流量控制裝置、飛機(jī)用控制面、風(fēng)車或風(fēng)輪機(jī)葉片用偏航或俯仰控制裝置、火箭推進(jìn)器、船或飛機(jī)上的推進(jìn)器、機(jī)床、水平調(diào)整裝置或升降裝置、車輛懸掛系統(tǒng)、遮陽傘、遮陽篷或者用于定位任何其它物體的裝置或致動器。一個(gè)以上這種實(shí)施方式的組合允許物體或應(yīng)用對象的多軸運(yùn)動。描述非線性致動器。所述致動器可以用于物體的非線性可重復(fù)運(yùn)動，所述致動器包括非線性柱塞，該非線性柱塞具有中間部分和兩個(gè)端部，所述中間部分具有以可操作方式連接至待移動的所述物體的弓形外表面。所述致動器的一個(gè)實(shí)施方式還包括流體可膨脹容器，該流體可膨脹容器具有與所述柱塞接合的柔性膜，其中所述柔性膜卷繞在所述柱塞的所述弓形外表面之上，使得使所述流體可膨脹容器膨脹導(dǎo)致所述柔性膜的一部分從所述柱塞的所述弓形外表面展開，并且該膨脹還對所述柱塞施加力導(dǎo)致所述物體以非線性運(yùn)動方式移動。所述致動器還包括相反的流體容器以及一個(gè)或更多個(gè)以可操作方式連接至所述流體可膨脹容器的控制閥。所述致動器包括電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器連接至所述流體可膨脹容器；和電子致動器，該電子致動器用于所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述流體可膨脹容器加壓和減壓。所述致動器包括用于確定物體的位置的電子位置傳感器以及具有處理器和存儲器的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動。所述計(jì)算機(jī)還可以記錄所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置。電磁信號可以用于通訊。本文進(jìn)一步描述了一種以可重復(fù)的弧形運(yùn)動方式移動物體的弧形致動器，該弧形致動器包括連接至所述物體的可動部件；以可操作方式連接至所述可動部件的殼體；附接至所述可動部件并且具有沿縱軸線的彎曲中間部分的第一柱塞；以及第二柱塞。所述弧形致動器還包括第一流體可膨脹容器，該第一流體可膨脹容器由所述殼體約束，其中所述第一柱塞被所述第一流體可膨脹容器接合；和第二流體可膨脹容器，該第二流體可膨脹容器由所述殼體約束，其中所述第二柱塞被所述第二流體可膨脹容器接合。所述弧形致動器還包括以可操作方式連接至所述第一流體可膨脹容器的一個(gè)或更多個(gè)控制閥；以可操作方式連接至所述第二流體可膨脹容器的一個(gè)或更多個(gè)控制閥；連接至所述第一流體可膨脹容器的電子壓力傳感器；連接至所述第二流體可膨脹容器的電子壓力傳感器；以及用于所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述流體可膨脹容器加壓和減壓的電子致動器。所述弧形致動器還包括用于確定所述物體的位置的電子位置傳感器；以及具有處理器和存儲器的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動，并且利用電磁信號傳達(dá)所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置。所述第一流體可膨脹容器的膨脹導(dǎo)致所述第一柱塞和所述第二柱塞沿所述第二流體可膨脹容器的方向以非線性運(yùn)動方式移動。本文進(jìn)一步描述了一種以可重復(fù)的弧形運(yùn)動方式移動物體的弧形致動器，該弧形致動器包括連接至所述物體的可動部件；以可操作方式連接至所述可動部件的殼體；附接至所述可動部件并且具有沿著縱軸線的彎曲中間部分的柱塞；以及以可操作方式連接至所述可動部件的諸如扭轉(zhuǎn)彈簧或螺旋彈簧的彈性張緊裝置。所述弧形致動器還包括流體可膨脹容器，該流體可膨脹容器由殼體約束，其中所述柱塞被所述流體可膨脹容器接合。所述弧形致動器還包括以可操作方式連接至所述流體可膨脹容器的一個(gè)或更多個(gè)控制閥；連接至所述流體可膨脹容器的電子壓力傳感器；以及用于所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述流體可膨脹容器加壓和減壓的電子致動器。所述弧形致動器還包括用于確定所述物體的位置的電子位置傳感器；以及具有處理器和存儲器的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動，并且利用電磁信號傳達(dá)所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置。所述流體可膨脹容器的膨脹導(dǎo)致所述柱塞沿所述彈性張緊裝置的傾向相反的方向以非線性運(yùn)動方式移動。公開了一種用于利用致動器和計(jì)算機(jī)以可重復(fù)的非線性運(yùn)動方式移動物體的方法，該方法包括在計(jì)算機(jī)處接收電子信號以便以非線性運(yùn)動方式移動物體；并且利用計(jì)算機(jī)以電子方式致動連接至第一流體容器的閥。所述方法還包括利用所述致動的閥使具有柔性部分的所述第一流體容器膨脹；將所述第一流體容器的所述柔性部分從第一弧形柱塞的外表面展開；對所述第一弧形柱塞施加力致使其遠(yuǎn)離所述流體容器并且朝向可動葉片移動，其中，所述柱塞沿非線性方向移動；移動所述可動葉片，從而沿非線性方向移動連接至所述可動葉片的物體。所述方法還包括利用電子傳感器感測所述物體的運(yùn)動并且將所述物體的運(yùn)動從所述傳感器傳達(dá)到所述計(jì)算機(jī)。所述方法包括將第二流體容器的柔性部分卷繞在第二弧形柱塞的外表面上；在計(jì)算機(jī)控制下使所述第一流體容器縮?。徊⑶覍⑺龅谝涣黧w容器的所述柔性部分卷繞在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物體沿第二非線性方向移動，該第二非線性方向是與所述第一非線性方向相反的方向。公開了另一種用于利用致動器和計(jì)算機(jī)以可重復(fù)的非線性運(yùn)動方式移動物體的方法，該方法包括在計(jì)算機(jī)處接收電子信號以便以非線性運(yùn)動方式移動物體；并且利用計(jì)算機(jī)以電子方式致動連接至流體容器的閥。所述方法還包括利用所述致動的閥使具有柔性部分的所述流體容器膨脹；將所述第一流體容器的所述柔性部分從弧形柱塞的外表面展開；對所述弧形柱塞施加力致使其遠(yuǎn)離所述流體容器并且朝向可動葉片移動，其中，所述柱塞沿非線性方向移動；移動所述可動葉片，從而沿非線性方向移動連接至所述可動葉片的物體。所述方法還包括利用電子傳感器感測所述物體的運(yùn)動并且將所述物體的運(yùn)動從所述傳感器傳達(dá)到所述計(jì)算機(jī)。所述方法包括將用來使所述流體容器膨脹的能量存儲在以可操作方式連接至所述可動葉片的諸如螺旋彈簧或鐘表彈簧的扭轉(zhuǎn)彈簧中；在計(jì)算機(jī)控制下使所述流體容器縮??；并且將所述流體容器的所述柔性部分卷繞在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物體沿第二非線性方向移動，該第二非線性方向是與所述第一非線性方向相反的方向。


圖1示出了位于上死點(diǎn)位置并且使所有部件都就位的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的剖視圖；圖2示出了旋轉(zhuǎn)到大約90度逆時(shí)針方向位置并且未示出卷葉部分的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的視圖；圖3A示出了包括兩個(gè)滾筒的用于沿一個(gè)軸線移動物體的兩個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)的立體圖；圖;3B示出了利用單個(gè)滾筒的用于沿一個(gè)軸線移動物體的兩個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)的立體圖；圖4示出了作為以可重復(fù)的弧形運(yùn)動方式移動物體的弧形致動器的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的剖視圖；圖5示出了柱塞的多種可能的構(gòu)造的三種形式，所述柱塞當(dāng)它們穿過滾筒內(nèi)的弓形路徑時(shí)迫使流體可膨脹容器形成卷葉；圖6示出了其中一個(gè)流體可膨脹容器的下部剛性部分；圖7示出了其中一個(gè)流體可膨脹容器的卷繞套筒部分；圖8示出了系統(tǒng)的剖視圖，示出了單個(gè)連續(xù)隔間和與隔間不流體連通的迫使形成卷葉的柱塞；圖9A示出了包括扭轉(zhuǎn)彈簧的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的側(cè)視圖；圖9B示出了包括鐘表彈簧的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的側(cè)視圖；圖9C示出了包括鐘表彈簧的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的端視圖；圖10示出了具有減小的運(yùn)動范圍的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的截面圖；圖11示出了包括布置成提供多軸跟蹤的三個(gè)滾筒的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的立體圖；圖12示出了包括布置成提供多軸跟蹤的兩個(gè)滾筒同時(shí)物體安裝在軸上的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施方式的立體圖；圖13A至1 分別示出了供用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式使用的示例性旋轉(zhuǎn)組件的側(cè)視圖和主視圖14示出了布置成提供多軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施方式的立體圖，其中物體移至垂直于地面的全范圍仰角位置；圖15示出了布置成提供多軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施方式的側(cè)視圖，其中示出了所有的輔助命令和控制系統(tǒng)；圖16示出了布置成為拋物線形太陽能收集槽提供單軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的立體圖；圖17示出了布置成為太陽能光伏板提供單軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的立體圖；圖18示出了布置成為菲涅耳太陽能收集槽提供單軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施方式的立體圖；圖19示出了用于非線性致動物體的方法的流程圖；圖20示出了用于利用電子傳感器和處理器可重復(fù)地非線性致動物體的方法的流程圖。在詳細(xì)地描述用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式之前，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)在應(yīng)用上不限于下列詳細(xì)描述中所闡明的或附圖所示出的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)、部件的布置以及步驟的排列。用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)能夠是其它實(shí)施方式并且能夠以各種方式實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤?。而且，?yīng)當(dāng)理解，本文所有的用語和術(shù)語是為了說明而不應(yīng)被認(rèn)為是限制。
具體實(shí)施例方式在共同轉(zhuǎn)讓的2008年5月23日提交的申請?zhí)枮镻CT/US2008/006660的PCT申請和2009年2月18日提交的申請?zhí)枮镻CT/US2009/000825的PCT申請中充分討論了利用流體可膨脹容器以產(chǎn)生高扭矩、高精度的單軸和雙軸定位的旋轉(zhuǎn)致動器的使用和優(yōu)點(diǎn)，上述 PCT申請以全文引用的方式完全并入本文中。在某些應(yīng)用中，除由滑動和/或可收縮的流體可膨脹容器的運(yùn)動產(chǎn)生的靜摩擦或動摩擦以外，可能希望將單軸驅(qū)動系統(tǒng)和方法(Single-Axis Drive Systems andMethods) 的內(nèi)部部件的摩擦減小到滾動摩擦的水平。本文所公開的實(shí)施方式通過改變流體可膨脹容器以當(dāng)該流體可膨脹容器改變體積時(shí)形成卷葉來減小或允許消除系統(tǒng)內(nèi)的幾乎所有的滑
動摩擦。參看圖1，用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的實(shí)施方式包括固定有葉片120的軸116，該軸以可操作方式聯(lián)接至滾筒104并且縱向地貫穿滾筒104的中心。軸承(未示出)將軸116保持在滾筒104內(nèi)的中心軸向位置。待移動的物體可以聯(lián)接至滾筒104或軸 106。柱塞124' ,124"或活塞124' ,124"安裝至葉片120的每一側(cè)并且可以通過螺栓或其它緊固件固定。由剛性部分或“保護(hù)罩” 136' ,136"以及柔性部分或“套筒” 112'、 112"組成的流體可膨脹容器140' ,140"布置成使得其與柱塞124' ,124"的和葉片120 相對的端部接觸。當(dāng)通過可定位于保護(hù)罩中的填充端口引入空氣時(shí)，套筒112部分膨脹并且通過沿著葉片120的表面卷繞而移至葉片120的表面和滾筒104之間的間隙中。膨脹致使套筒112部分對柱塞124' ,124"施加力并且迫使柱塞124' ,124"抵靠葉片120，從而致使軸116在滾筒104中旋轉(zhuǎn)。當(dāng)一個(gè)流體可膨脹容器140'、140〃膨脹時(shí)，柱塞124'、124"移至相對的容器并且被迫進(jìn)入保護(hù)罩136' ,136"中，從而迫使套筒112本身反轉(zhuǎn)并且當(dāng)套筒112滾離滾筒104的壁時(shí)形成卷葉?？梢酝ㄟ^改變兩個(gè)流體可膨脹容器140'、 140"內(nèi)的相對壓力和容積而以非常大的精度和力將葉片120并因此將軸116移至一位置范圍中。在本實(shí)施方式中，保護(hù)罩136' ,136"被用螺栓固定至滾筒104。在替代實(shí)施方式中，保護(hù)罩136' ,136"可以被用螺栓相互固定或者裝配到滾筒104內(nèi)而不用螺栓相互固定或固定至滾筒104。另選地，當(dāng)保護(hù)罩136' ,136"由剛性或半剛性材料制成時(shí)，葉片148 可以由相互接觸的保護(hù)罩136' ,136"的兩個(gè)表面形成。在本實(shí)施方式中，示出系統(tǒng)100定位于上死點(diǎn)位置處。卷葉套筒112并不需要沿著滾筒104的壁滑動，并且這允許系統(tǒng)100以極小或幾乎無內(nèi)部摩擦操作。流體可膨脹容器140可以完全由與柔性套筒112部分相同的材料形成。容器140 中也可以形成有其它特征，諸如具有將容器140連接至柱塞IM和/或葉片120的機(jī)械附接特征。系統(tǒng)100的弓形運(yùn)動可以是極限的，因?yàn)榱黧w可膨脹容器140' ,140"不需要抵抗將在不受約束的流體膨脹容器中增大的大應(yīng)力。柱塞124' ,124"通過軸116的旋轉(zhuǎn)被引導(dǎo)于弓形路徑中，使得在流體可膨脹容器140' ,140"內(nèi)將產(chǎn)生極小的內(nèi)部摩擦或不產(chǎn)生內(nèi)部摩擦?，F(xiàn)在參看圖2，示出了用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的實(shí)施方式。當(dāng)卷葉套筒112(未示出)從在一側(cè)幾乎完全伸出移至在另一側(cè)幾乎完全收回時(shí)，可以使物體 810(未示出)旋轉(zhuǎn)經(jīng)過至少160度的運(yùn)動范圍?？墒瓜到y(tǒng)100的各種實(shí)施方式旋轉(zhuǎn)經(jīng)過 180度的運(yùn)動范圍?？梢暂^小地制成剛性部分或保護(hù)罩136' ,136"以容納大于180度的運(yùn)動范圍。在一實(shí)施方式中，不需要?jiǎng)傂圆糠只虮Ｗo(hù)罩136' ,136"。整個(gè)流體可膨脹容器 140由完全具有相同性質(zhì)的相同材料制成。圖3A至;3B示出了用于沿一個(gè)軸線移動物體的兩個(gè)串聯(lián)的系統(tǒng)100'和100〃或致動器的立體圖。圖3A至;3B所示的串聯(lián)的實(shí)施方式使用通過公共軸116組件(如圖3A 中)或公共滾筒104組件(如圖;3B中)連接在一起的兩個(gè)系統(tǒng)100'和100"，以產(chǎn)生為單個(gè)驅(qū)動裝置(系統(tǒng)100)所允許的范圍的兩倍的運(yùn)動范圍。例如，在圖3A至;3B所示的兩個(gè)實(shí)施方式中，具有180度運(yùn)動范圍能力的一個(gè)系統(tǒng)100 ‘連接至也具有180度運(yùn)動范圍能力的第二個(gè)系統(tǒng)100"，從而允許360度的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在一個(gè)系統(tǒng)100中軸旋轉(zhuǎn)而滾筒靜止且在另一個(gè)系統(tǒng)100中滾筒旋轉(zhuǎn)而軸靜止時(shí)，使360度旋轉(zhuǎn)范圍成為可能。繼續(xù)參照圖3A，在一實(shí)施方式中，兩個(gè)滾筒104'和104"連接成作為單個(gè)單元旋轉(zhuǎn)。每個(gè)滾筒104'、104"分別具有允許軸116在滾筒內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)的軸承804以及柱塞 124' ,124"，以允許180度的運(yùn)動。滾筒104' ,104"被定位成使得運(yùn)動范圍彼此相反。 當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)100'旋轉(zhuǎn)至其運(yùn)動的全范圍時(shí)，可以使第二系統(tǒng)100"旋轉(zhuǎn)以允許第二系統(tǒng)的全范圍運(yùn)動。在該實(shí)施方式中，基準(zhǔn)件840通過凸緣190連接至一個(gè)系統(tǒng)100"的滾筒， 而待移動的應(yīng)用對象連接至第二系統(tǒng)100'的滾筒。在該實(shí)施方式中，第一系統(tǒng)100'和第二系統(tǒng)100〃通過公共軸116連接?，F(xiàn)在參看圖:3B，基準(zhǔn)件840連接至一個(gè)系統(tǒng)100"的滾筒，而待移動的應(yīng)用對象 (未示出)連接至第二系統(tǒng)100'的滾筒。在該實(shí)施方式中，第一系統(tǒng)100'和第二系統(tǒng) 100〃通過公共滾筒104連接。
現(xiàn)在參看圖4，示出了旋轉(zhuǎn)至大約90度位置的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng) 100的實(shí)施方式的局部剖視圖，示出了柱塞124"定位在保護(hù)罩內(nèi)并且沒有示出卷葉部分。 所示的系統(tǒng)100或弧形致動器以可重復(fù)的弧形運(yùn)動方式移動物體。在該實(shí)施方式中，示出了兩個(gè)柱塞124'、1M〃。柱塞124' ,124"成形為允許該柱塞124' ,124"完全滑入流體可膨脹容器140'、140〃的保護(hù)罩136' ,136"部分，而不沖擊壁且不壓縮保護(hù)罩136‘、 136"。在其它實(shí)施方式中，柱塞IM可以嵌套在另一個(gè)柱塞內(nèi)。再次參看圖5，示出了柱塞124的各種可能形狀的實(shí)施例。示出了這些柱塞12 至12 向左彎曲。柱塞12 至12 可以類似地向右彎曲。柱塞12 至12 成形為在滾筒104(未示出)的壁和柱塞12 至12 的側(cè)壁之間提供足以允許在流體可膨脹容器 140' ,140"的膜中形成卷葉(未示出)的空間。示出了柱塞12 具有可以填充諸如混凝土的高密度材料的弧形中空殼體。柱塞124b是替代實(shí)心柱塞形狀，其中一個(gè)表面是直的 150并且其中一個(gè)側(cè)面是彎曲的152。柱塞12 被示出為具有兩個(gè)弧形側(cè)154、156的實(shí)心柱塞。柱塞12 至12如的底面與流體可膨脹容器140' ,140"接觸。柱塞124的長度有助于確定柱塞124' ,124"的運(yùn)動范圍。在一實(shí)施方式中，卷葉112可以聯(lián)接至柱塞124' ,124"的底面。柱塞124'、 124"可以由鋼、鋁、塑料或任何其它足夠強(qiáng)的剛性或半剛性材料構(gòu)成。柱塞可以在內(nèi)部包括加強(qiáng)肋以對抗由流體可膨脹容器140'、140"傳輸?shù)膲毫λ┘拥牧?。柱?24'、 124"略微成錐形以允許該柱塞124' ,124"平滑地移位并移動流體可膨脹容器140 ‘、 140"的壁。柱塞124' ,124"應(yīng)具有平滑的外壁和成圓角的角部以避免對流體可膨脹容器140' ,140"的損壞。柱塞124' ,124"的尺寸大小應(yīng)使得滾筒104的壁與柱塞124'、 124"之間的間隙在系統(tǒng)的工作壓力下不會超過構(gòu)成流體可膨脹容器140' ,140"的材料的最大無支撐半徑。現(xiàn)在參看圖6，在一個(gè)實(shí)施方式中，流體可膨脹容器140' ,140"由可以是剛性模制的塑料、彈性體或金屬的下部或保護(hù)罩136'、136"構(gòu)成。該部分可以和形成卷葉的套筒112或柔性部分連續(xù)地模制在一起。另選地，它可以形成為類似于具有可鍛造或以其它方式聯(lián)接至套筒112的胎圈的輪胎。保護(hù)罩136' ,136"部分僅需在操作上足夠剛硬以抵抗變形，并且確保卷葉套筒112僅是基本上響應(yīng)于流體壓力和容積的變化而變形的流體可膨脹容器140' ,140"的部分。在許多應(yīng)用中，流體容器的內(nèi)部壓力將足以消除對于不同的保護(hù)罩部分的需要。保護(hù)罩136'、136〃可以結(jié)合金屬板以將其連接至滾筒104中的葉片 120。保護(hù)罩136' ,136"以可操作方式聯(lián)接至卷葉套筒112。保護(hù)罩通常填充滾筒104的四分之一圓，例如下部四分之一圓?，F(xiàn)在參看圖7，在一個(gè)實(shí)施方式中，流體可膨脹容器140' ,140 “還由卷葉套筒 112組成，該卷葉套筒112可以小于當(dāng)其被加壓時(shí)它將膨脹以充滿的體積。葉套筒112在一端聯(lián)接至保護(hù)罩136' ,136"并且在另一端聯(lián)接至柱塞124' ,124"的底部。一旦所有的部件都被聯(lián)接，則流體可膨脹容器140'、140"就被完成。因此本實(shí)施方式提供保護(hù)罩 136'、136〃、套筒112以及柱塞124' ,124"之間的流體連通?，F(xiàn)在參看圖8，在一個(gè)實(shí)施方式中，流體可膨脹容器140' ,140"是簡單單元，該簡單單元僅由具有單個(gè)填充端口的諸如熱封的、涂布氨基甲酸酯的尼龍織物制成的柔性膜組成。流體可膨脹容器140' ,140"也可以由彈性體、涂層織物、多層復(fù)合材料或者任何可
16以柔性地容納流體的材料制成。在一個(gè)實(shí)施方式中，流體可膨脹容器140' ,140"成形為填充稍微多于完全膨脹下滾筒104的一半。流體可膨脹容器140'、140"可以具有允許將流體可膨脹容器140' ,140"的頂面機(jī)械附接至柱塞124' ,124"的底部的特征，諸如維可牢尼龍搭扣(Velcro)襯墊、金屬扣眼、或金屬帶環(huán)。機(jī)械附接提供流體可膨脹容器140'、 140"將保持在外殼中的適當(dāng)位置的更大的確定性。柱塞124' ,124"的與流體可膨脹容器 140' ,140"的內(nèi)部壓力結(jié)合的運(yùn)動迫使流體可膨脹容器140' ,140"的壁在柱塞124'、 124"沿其弓形路徑行進(jìn)時(shí)形成抵靠滾筒104的壁的卷葉。柱塞124' ,124"可以通過諸如注射成形、沖壓成形(drawing)、將切割部分組裝成焊件的多個(gè)典型工業(yè)過程中的任何一個(gè)過程或通過澆鑄和加工構(gòu)造而成。柱塞124'、 124"可以具有平滑側(cè)并且在從葉片120到底部的壁中具有錐形形狀。在一些應(yīng)用中，制造可以用作待移動的物體的配重的極重的柱塞124' ,124"是有用的，柱塞124' ,124" 還可以填充諸如液體、混凝土或陶瓷的高密度材料以增加配重效果。填充有混凝土的柱塞 124' ,124"生產(chǎn)成本低，因?yàn)橹?24'、1M"的殼體可以由較易運(yùn)送的較廉價(jià)的輕質(zhì)材料制成。然后用混凝土或其它高密度材料填充輕質(zhì)殼體。填充過程可以現(xiàn)場進(jìn)行。在一實(shí)施方式中，柱塞124' ,124"具有用于穩(wěn)定和加強(qiáng)的諸如框架或肋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。柱塞124'、124〃上的公差可以是大的，約1/4〃或更大，因?yàn)橹?24' ,124" 是非精密部件。柱塞124'、1M"可以具有平滑的外表面以避免對流體可膨脹容器140'、 140"的損壞并且是錐形的以允許平滑運(yùn)動。柱塞124'、1M"在它將力從流體可膨脹容器 140'、140〃傳輸?shù)饺~片120時(shí)經(jīng)受大力，因此假如柱塞124' ,124"在側(cè)面和底部上能經(jīng)受大量的力而沒有顯著或永久的變形則其是優(yōu)選的。柱塞124'、1M"上的力將與流體可膨脹容器140' ,140"中的壓力以及流體可膨脹容器140' ,140"的和柱塞124' ,124" 接觸的表面積直接相關(guān)。通過用單個(gè)“雙頭式”柱塞代替兩個(gè)柱塞124' ,124"可以制造單柱塞葉片組件。雙頭式柱塞可以是單個(gè)組件并且可以包括葉片120并且直接連接至軸116。由本發(fā)明的實(shí)施方式產(chǎn)生的弓形運(yùn)動不限于如附圖所示的圓形路徑。只要柱塞 124' ,124"的運(yùn)動被引導(dǎo)通過類似于圍繞流體可膨脹容器140' ,140"的外殼的曲率的弓形路徑，就可以移動物體。該移動和外殼的曲率的形狀可以類似。物體的移動基于軸116、 可動部件或致動器的非定子部分的移動。各種非線性物體運(yùn)動可以包括月牙形、橢圓形、環(huán)形、弧形和其它不規(guī)則圖案。非線性運(yùn)動可以通過致動器系統(tǒng)反向并重復(fù)。流體可膨脹容器 140' ,140"可以裝有變化量的非揮發(fā)性氣體或流體。在一實(shí)施方式中，流體可以是空氣、 水、氣體、油、高密度流體、高壓液壓流體、電反應(yīng)流體、高粘度流體或環(huán)境溫度下的固體。例如，當(dāng)物體或應(yīng)用對象需要移動時(shí)，可以通過加熱裝置加熱固態(tài)流體并且將其轉(zhuǎn)換成液體。 在物體或應(yīng)用對象就位之后，液體可以被冷卻到環(huán)境溫度并且轉(zhuǎn)換回固體流體。在一實(shí)施方式中，可以使用化學(xué)反應(yīng)來在儲槽中或第三容器內(nèi)產(chǎn)生氣體或產(chǎn)生壓力。在一實(shí)施方式中，可以用來自管道的調(diào)節(jié)的流體流來填裝流體可膨脹容器140'、 140"，該管道的流動進(jìn)而由系統(tǒng)致動的大型閥調(diào)節(jié)。例如，來自管道的氣體可以被調(diào)節(jié)至低于適合操作系統(tǒng)100的壓力，系統(tǒng)100進(jìn)而用來致動大型直角回轉(zhuǎn)球閥，該大型直角回轉(zhuǎn)球閥控制通過所述管道的流動。在一實(shí)施方式中，流體可膨脹容器140'對另一個(gè)流體可膨脹容器140"和/或?qū)χT如扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧施加力。在一實(shí)施方式中，一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器140'、140"占據(jù)的體積小于滾筒104的整個(gè)內(nèi)部體積，并且附接至滾筒104的內(nèi)表面的固定葉片 120之間的敞開區(qū)域占據(jù)滾筒104的內(nèi)部體積的一部分，從而允許較小的流體可膨脹容器 140'、140 “。流體可膨脹容器140'、140"可以相互連接和/或通過管連接至流體移動件以傳送流體。致動器不受在操作期間施加于物體或應(yīng)用對象的正常及異常的外部應(yīng)力、振動或搖動影響。致動器內(nèi)部的力或壓力由致動器在其上對葉片120施加力以移動物體或應(yīng)用對象的表面積而放大，并且該分布力允許它們?nèi)菀椎匚沼晌矬w或應(yīng)用對象本身(其可以非常重且巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前致動器)產(chǎn)生或者由作用于物體或應(yīng)用對象的外部事物施加的慣量或動量?，F(xiàn)在參看圖9A，示出了包括彈性張緊裝置或諸如扭轉(zhuǎn)彈簧700'和700"的裝置的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的側(cè)視圖。在本實(shí)施方式中，示出了螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧700'和700"在一端720' ,720"連接至軸116，并且螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧700'和700〃 的另一端連接至滾筒104的端板704'和704"。在另一個(gè)實(shí)施方式中僅使用一個(gè)螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧。流體可膨脹容器140的膨脹致使柱塞124(未示出)沿與彈性張緊裝置(在本實(shí)施例中為螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧700'和700")的傾向相反的方向以非線性運(yùn)動方式移動?，F(xiàn)在參看圖9B-9C，分別示出了包括諸如鐘表彈簧710'和710"的扭轉(zhuǎn)彈簧的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式的側(cè)視圖和端視圖。參看圖9C，在本實(shí)施方式中， 示出了鐘表彈簧710'和710"在一端730' ,730"連接至軸116，并且鐘表彈簧710‘和 710"的另一端連接至滾筒104的端板704'和704"。本實(shí)施方式中的扭轉(zhuǎn)彈簧的布置允許系統(tǒng)100保持在裝載位置，直到系統(tǒng)100在流體可膨脹容器140膨脹時(shí)開始移動為止。扭轉(zhuǎn)彈簧相對于滾筒104的位置在系統(tǒng)100的其它實(shí)施方式中可以改變。扭轉(zhuǎn)彈簧710'和 710"不需要連接至滾筒104，例如扭轉(zhuǎn)彈簧可以連接至待移動的物體810。當(dāng)諸如螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧和鐘表彈簧的扭轉(zhuǎn)彈簧用于系統(tǒng)100的實(shí)施方式中時(shí)，可以使用單個(gè)柱塞IM和流體可膨脹容器140。與使用諸如液壓蓄能器或壓力容器的加壓流體容器相反，使用彈性張緊裝置允許系統(tǒng)將能量存儲在機(jī)械裝置中。這具有允許系統(tǒng)在外部動力很小或無外部動力的情況下將待移動的物體810自動返回到裝載位置的附加益處。例如，可以使用斷電時(shí)打開的閥。如果發(fā)生動力故障，則流體可膨脹容器140開始在流體流過打開閥時(shí)縮小，并且彈性張緊裝置將待移動的物體810返回到裝載位置。通過適當(dāng)確定該閥的大小，待移動的物體 810將可預(yù)測地且平滑地返回到裝載位置而無需操作員或機(jī)器干預(yù)?，F(xiàn)在參看圖10，示出了具有減小的運(yùn)動范圍的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng) 100的實(shí)施方式的截面圖。在本實(shí)施方式中，滾筒104的一部分是由葉片164'和164"所描繪的死空間160。在本實(shí)施方式中，由于死空間160，因此滾筒104中可供用于柱塞124'、 124"、流體可膨脹容器140' ,140"以及保護(hù)罩136' ,136"的區(qū)域較少，從而提供縮短的運(yùn)動范圍。因?yàn)橹?24' ,124"小于滾筒104中沒有死空間160的實(shí)施方式(諸如圖 1的實(shí)施方式)中的那些柱塞，所以在所示的實(shí)施方式中減小了運(yùn)動范圍。這種系統(tǒng)100由于其重量較輕而在減小的運(yùn)動范圍是適當(dāng)?shù)膽?yīng)用中是所希望的。此外，系統(tǒng)100的該較輕的實(shí)施方式將易于操縱和運(yùn)輸。假如希望填滿的死空間160，則死空間160可以填充有諸如混凝土的填充物。參看圖11，示出了包括三個(gè)滾筒104、104'以及104〃的用于沿多個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)800的實(shí)施方式的立體圖，其中三個(gè)滾筒布置成通過沿水平軸線旋轉(zhuǎn)物體810而提供多軸跟蹤，物體810示出為定日鏡應(yīng)用。用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的實(shí)施方式包括待操作或定位的物體(“應(yīng)用對象”)810，該物體以可操作方式聯(lián)接至縱向貫穿滾筒104'和104"的中心的軸或管116。在本實(shí)施方式中，軸116保持固定并且物體810通過連接件844安裝在滾筒104'和104〃上。旋轉(zhuǎn)組件804 (未具體描繪)將軸116保持在滾筒104'和104"內(nèi)的中心軸向位置中。在本實(shí)施方式中，軸116通過旋轉(zhuǎn)組件804(未示出)(其可以是推力軸承或其它類型的軸承)和第二軸承(未示出)連接至滾筒104'和 104"，其中第二軸承可以是平面接觸軸承、滾珠軸承或者其它適合承載重量和由應(yīng)用對象上加載的風(fēng)產(chǎn)生的力的軸承。葉片120(未示出)可以布置在滾筒104中以提供略微大于 180度的運(yùn)動范圍，使得當(dāng)聯(lián)接至仰角驅(qū)動裝置時(shí)，定日鏡提供全多軸運(yùn)動以使應(yīng)用對象指向任何選定點(diǎn)。在本實(shí)施方式中，軸116固定至中心支撐結(jié)構(gòu)或底座840。軸116可以通過滾筒104'和104"沿一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)，同時(shí)通過充當(dāng)方位角驅(qū)動裝置的另一個(gè)滾筒104沿另一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)。在本實(shí)施方式中，滾筒104'和104" —起可以充當(dāng)升降機(jī)驅(qū)動裝置。其它外殼可以代替滾筒104、104' ,104"來使用。各種形狀都可以用于外殼，包括橢圓形罐。繼續(xù)參照圖11，系統(tǒng)100的滾筒104的比例非常靈活，但是通常遵循一組經(jīng)驗(yàn)法則。例如，可能合理地期望直徑為36英寸、具有12英寸的軸116、具有500psi的流體動力源的驅(qū)動裝置針對每英寸長度產(chǎn)生大約4200英尺磅的扭矩。因此，具有17英寸長度的這些比例的系統(tǒng)100將產(chǎn)生大約68，000英尺磅的扭矩。通過將壓力增加至750psi，系統(tǒng)100 的輸出應(yīng)增加至大約107，100英尺磅。通常，由于增大滾筒直徑將移動力的中心進(jìn)一步遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸線的事實(shí)，因此滾筒104的直徑增大提供大于扭矩的線性增加。從而，可合理地期望直徑為M英寸、具有6英寸的軸和750psi的流體動力源的滾筒104產(chǎn)生大約3，540英尺磅的扭矩。因此，需要30英寸長的滾筒產(chǎn)生與17英寸長且直徑為36英寸的滾筒相同量的扭矩。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，滾筒104壁和端板(未示出)的結(jié)構(gòu)應(yīng)該足夠強(qiáng)以安全地忍受由流體的壓力產(chǎn)生的力通過流體可膨脹容器傳輸至滾筒和端板。因此通過充分加強(qiáng)的滾筒和端板的成本可與任何其它因素一樣程度地決定給定驅(qū)動裝置的幾何形狀。操作系統(tǒng)100的壓力取決于許多因素的最佳化以滿足使用者的需要。這些因素包括可以用來操作系統(tǒng)100的物理罩殼(即滾筒104)；可利用的希望的流體和流體控制部件；應(yīng)用的成本參數(shù)；用于制造流體可膨脹容器140的可用材料；完成的系統(tǒng)的希望的重量；以及可以用來生產(chǎn)系統(tǒng)部件的制造過程。一般而言，由諸如油和水基流體的不可壓縮流體提供動力的系統(tǒng)100可以在較高壓力下操作并且從而允許針對給定的扭矩輸出能力的更緊湊的系統(tǒng)100。相反地，通常，諸如空氣或其它氣體的可壓縮的流體針對給定的扭矩輸出能力產(chǎn)生較大的系統(tǒng)100。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，利用不可壓縮流體的系統(tǒng)100的更多剛性的結(jié)構(gòu)特征可以更適于某些應(yīng)用。現(xiàn)在參看圖12，示出了包括布置成提供多軸跟蹤的兩個(gè)滾筒104和104'的用于沿多個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)900的立體圖。在圖12所示的布置中，物體810可以安裝至軸或管116，而滾筒104保持固定。在其它實(shí)施方式中，物體810可以安裝至諸如連接件844 的連接結(jié)構(gòu)，示出該連接件844將物體810連接至軸116。在本實(shí)施方式中，滾筒104固定在底座840上，但是其可固定在任何結(jié)構(gòu)上，包括地面。滾筒104在底座840上旋轉(zhuǎn)。此外，在本實(shí)施方式中，滾筒104可以充當(dāng)連接至另一個(gè)滾筒(充當(dāng)升降機(jī)驅(qū)動裝置的滾筒104')的方位角驅(qū)動裝置。在一些實(shí)施方式中，連接件844形成滾筒104或軸116的一體部分。在系統(tǒng)100的一實(shí)施方式中，連接件可以是將物體810連接至軸116或滾筒104的螺栓。在系統(tǒng)100的另一個(gè)實(shí)施方式中，連接件844可以是用于物體810的支撐結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在參看圖13A至13B，分別示出了供用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的實(shí)施方式使用的示例性旋轉(zhuǎn)組件804的側(cè)視圖和正視圖。旋轉(zhuǎn)組件804是可以用于系統(tǒng)100中的軸承的部件的實(shí)施例。參看圖13B，示出了三個(gè)或更多個(gè)腳輪440，所述三個(gè)或更多個(gè)腳輪安裝在滾筒(未具體繪出)上并且布置成使得軸116被支撐并且可在滾筒104的中心自由旋轉(zhuǎn)。腳輪440中的每一個(gè)均通過一個(gè)或更多個(gè)螺栓442附接至旋轉(zhuǎn)組件804。腳輪440 中的每一個(gè)均直接或間接附接至滾筒104。旋轉(zhuǎn)組件804可以在滾筒外部安裝在諸如滾筒 104的端蓋的外表面上。旋轉(zhuǎn)組件804也可以在滾筒104內(nèi)部安裝在例如滾筒104的端蓋的內(nèi)部上。旋轉(zhuǎn)組件804也可以通過將該旋轉(zhuǎn)組件804保持就位的框架連接至滾筒104。 腳輪440可為現(xiàn)場維修而被容易地移除。腳輪440可在其不與軸116接觸時(shí)被替換。在一個(gè)實(shí)施方式中，一個(gè)或更多個(gè)腳輪440可調(diào)整以使得它可離開軸以產(chǎn)生小容隙，在該小容隙內(nèi)軸116可徑向離開每個(gè)腳輪440。用這種方式，可以一次一個(gè)地替換腳輪440。在另一個(gè)實(shí)施方式中，軸116通過采用傳統(tǒng)的液壓起重器或機(jī)械式起重器而移動。一旦已替換腳輪440，并且一個(gè)或更多個(gè)可調(diào)整腳輪被張緊以穩(wěn)固地將軸116保持就位，就可移除起重器。軸116通常徑向貫穿滾筒104的中心軸線。在沒有“卸下”或移除軸116并且沒有移除其它腳輪440的情況下，可以替換腳輪440?，F(xiàn)在參看圖14，示出了充當(dāng)被用于沿水平軸線旋轉(zhuǎn)定日鏡應(yīng)用對象1031的方位角驅(qū)動裝置的系統(tǒng)100的立體圖。示出了物體810被移至垂直于地面的全范圍仰角位置。 在本實(shí)施方式中，系統(tǒng)100固定至底座840，而軸116在滾筒104內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。物體810聯(lián)接至軸116，該軸116軸向貫穿滾筒104的中心并且由一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)組件804保持就位。示出動力源IOM位于物體810上。現(xiàn)在參看圖15，示出了充當(dāng)被用于沿水平軸線旋轉(zhuǎn)定日鏡應(yīng)用對象1031的方位角驅(qū)動裝置的系統(tǒng)100的側(cè)視圖。一個(gè)以上的滾筒104可以結(jié)合以形成用于多軸跟蹤太陽的定日鏡，并且仰角驅(qū)動裝置以彼此成直角的方式聯(lián)接至方位角驅(qū)動裝置。第二仰角驅(qū)動裝置的設(shè)置確保了在單個(gè)仰角驅(qū)動裝置發(fā)生故障時(shí)用于實(shí)現(xiàn)風(fēng)裝載(Windstow)的完全的備用系統(tǒng)。第二仰角驅(qū)動裝置是任選的并且可以被移除。在本實(shí)施方式中，內(nèi)軸116固定至底座840并且通過旋轉(zhuǎn)組件804(未示出)連接至滾筒104。旋轉(zhuǎn)組件804可以是推力軸承或旋轉(zhuǎn)樞轉(zhuǎn)軸承，并且第二軸承可以是平面接觸軸承、滾珠軸承或者適合承載由加載在應(yīng)用對象或物體810上的風(fēng)產(chǎn)生的重量和力的其它類型的軸承。葉片120可以布置在滾筒104中以提供略大于180度的運(yùn)動范圍，使得當(dāng)被聯(lián)接至仰角驅(qū)動裝置時(shí)定日鏡提供全多軸運(yùn)動以將應(yīng)用對象指向任何選定點(diǎn)。在針對每個(gè)流體可膨脹容器140' ,140"的實(shí)施方式中，可以為一個(gè)或更多個(gè)機(jī)動或計(jì)算機(jī)控制的閥致動器1011和控制閥1010提供耦合以允許對應(yīng)用對象的位置的機(jī)器人控制。示出了系統(tǒng)100的本實(shí)施方式具有鎖定裝置， 諸如手動或機(jī)動方式配置的沖銷1008以及連接至控制閥1010用于使每個(gè)流體容器加壓和減壓的空氣或流體管的歧管1035。系統(tǒng)100的本實(shí)施方式還包括用于啟動控制閥1010 的電子閥致動器1011 ；壓縮空氣或其它流體的源(諸如壓縮機(jī)1012)；將流體可膨脹容器 140' ,140"連接至控制閥1010、壓縮機(jī)1012的軟管1020 ；以及可選的用于加壓流體的儲罐1013。通過處理來自電子壓力傳感器1021、環(huán)境溫度傳感器1025、旋轉(zhuǎn)位置編碼器(未示出)和/或電子水平傳感器10 的信息，計(jì)算機(jī)1014可以計(jì)算應(yīng)用對象的當(dāng)前位置，確定空氣體積和壓力變化，該空氣體積和壓力變化對于在每個(gè)流體可膨脹容器140' ,140" 內(nèi)實(shí)現(xiàn)將物體810或應(yīng)用對象致動、驅(qū)動或移動到希望位置以相對于目標(biāo)維持最佳取向是必需的。然后計(jì)算機(jī)1014可致動閥致動器1011并且可致動壓縮機(jī)1012或可加壓流體存儲系統(tǒng)1013以將壓縮流體釋放到附接至那些流體可膨脹容器140' ,140"的軟管1020中。 計(jì)算機(jī)1014可以指導(dǎo)流體可膨脹容器140' ,140"的膨脹和縮小以便將物體810或應(yīng)用對象致動、驅(qū)動或以其它方式移到希望的位置，而通過評價(jià)從電子水平傳感器10 和/或旋轉(zhuǎn)位置編碼器(未示出)獲得的反饋來同時(shí)比較并校正物體810的運(yùn)動。在一些實(shí)施方式中，這些步驟或行動不會同時(shí)發(fā)生而是取決于工業(yè)應(yīng)用以連續(xù)方式發(fā)生或者在可接受的時(shí)段內(nèi)發(fā)生。圖15所體現(xiàn)的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100可以包括作為主要或次要導(dǎo)向系統(tǒng)或定位反饋系統(tǒng)的激光定位系統(tǒng)。本實(shí)施方式中所示的定位系統(tǒng)包括激光發(fā)射器 1015和激光接收器1019。物體810或應(yīng)用對象裝配有激光束發(fā)射器1015，該激光束發(fā)射器 1015相對于物體810或連接件(未示出)以已知角從物體810或應(yīng)用對象表面發(fā)射激光束。激光束由示出定位在太陽能接收塔1016頂部的激光傳感器1019感測。然后，通過處理以電子方式從激光傳感器接收到的信息，計(jì)算機(jī)1014可以將連接件844和/或物體810 或應(yīng)用對象定向在用于暴曬目標(biāo)(在這種情況下為太陽熱接收器1027)的最有利的位置。 還示出了諸如光伏電源IOM的電源以及用于壓縮和控制系統(tǒng)10 的電纜。歧管10；35可以包括位于較大歧管35內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)管以及電子壓力傳感器1021以監(jiān)控流體容器及加壓流體系統(tǒng)的其它部分內(nèi)的壓力。系統(tǒng)100還包括用于仰角的水平傳感器1026(其可以安裝在應(yīng)用對象或連接件804內(nèi)或安裝在應(yīng)用對象或連接件804上)、電子旋轉(zhuǎn)位置編碼器 (未示出)、環(huán)境溫度傳感器1025。另外，用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)可以配置在太陽能動力設(shè)備中，在該太陽能動力設(shè)備中來自太陽1018的太陽輻射通過定日鏡陣列聚焦在安裝于太陽塔1016上的太陽能接收器1027上，其中每個(gè)定日鏡均包含用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)施方式。這些定日鏡可以包括傳感器和導(dǎo)向系統(tǒng)(諸如旋轉(zhuǎn)位置編碼器(未示出)以及用于指引致動器和如適于具體應(yīng)用對象的運(yùn)動的計(jì)算機(jī)硬件和軟件1014)；安裝在應(yīng)用對象或太陽塔上的一個(gè)或更多個(gè)激光發(fā)射器1015和安裝在太陽塔1016上的一個(gè)或更多個(gè)激光接收器1019 ；動力源，該動力源可以是光伏板或其它動力源以向加壓流體系統(tǒng)、傳感器以及導(dǎo)向系統(tǒng)提供動力；以及無線或有線中心陣列控制器1022。通過處理來自電子壓力傳感器1021、環(huán)境溫度傳感器1025、旋轉(zhuǎn)位置編碼器(未示出)和/或電子水平傳感器10 的信息，計(jì)算機(jī)可以計(jì)算應(yīng)用對象的當(dāng)前位置，確定流體體積和壓力變化，該流體體積和壓力變化對于在每個(gè)流體可膨脹容器內(nèi)實(shí)現(xiàn)將物體或應(yīng)用對象致動、驅(qū)動或移動到希望位置以維持相對于目標(biāo)的最佳取向是必需的。然后，計(jì)算機(jī)可致動閥致動器1011并且可致動壓縮機(jī)1012或可加壓流體存儲系統(tǒng)1013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140' ,140"的軟管中并且同時(shí)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(yīng)用對象致動或驅(qū)動或以其它方式移動到希望的位置，同時(shí)通過評價(jià)從電子水平傳感器10 和/或旋轉(zhuǎn)位置編碼器(未示出)獲得的反饋同時(shí)比較并校正物體810的運(yùn)動。在一些實(shí)施方式中，這些步驟或行動不會同時(shí)發(fā)生而是取決于工業(yè)應(yīng)用以連續(xù)方式發(fā)生或者在可接受的時(shí)段內(nèi)發(fā)生。通常，每個(gè)流體可膨脹容器140' ,140"或其中的密封的子室將存在一個(gè)流體軟管源。一實(shí)施方式中的歧管1035通常將具有壓力轉(zhuǎn)換器端口、排氣閥端口以及充氣閥端口。單個(gè)三通閥可用一半閥提供膨脹和縮小(1個(gè)閥/容器)?？捎糜趯?shí)施方式中的適當(dāng)?shù)拈y的實(shí)施例是12伏電磁致動流體閥和三向伺服致動流體閥?？梢允褂瞄]合或打開的膨脹系統(tǒng)。實(shí)施方式可以基于在縮小后被放到大氣中或者被從一個(gè)容器放到另一個(gè)容器或放到存儲器中的過量流體。使用液體流體或用于高層大氣、空間的應(yīng)用以及水下應(yīng)用可能需要在閉合系統(tǒng)中重新使用所有可用流體。用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100能夠提供高度分散但受精確控制的機(jī)械力以通過流體可膨脹容器140' ,140"的差動系統(tǒng)加壓和減壓促使移動和精確定位。為執(zhí)行它們的功能，流體可膨脹容器140' ,140"需要適度的壓力，除其它因素以外，該適度壓力取決于待移動的應(yīng)用對象的大小、必須對抗的撞擊在應(yīng)用對象上的外力(諸如最大風(fēng)負(fù)載)、流體可膨脹容器140' ,140"的數(shù)量以及滾筒104內(nèi)的葉片120上的流體可膨脹容器 140' ,140"的表面接觸面積。在許多應(yīng)用或裝置中，可以使用大約Spsi至150psi的壓力范圍。壓縮機(jī)可以聯(lián)接至加壓流體存儲容器1013，該加壓流體存儲容器1013允許減小壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間并且在外部動力斷期間為以低功率操作提供加壓流體的備用供應(yīng)。流體可膨脹容器140' ,140"不受在操作期間施加于物體或應(yīng)用對象的正常和異常的外部應(yīng)力、振動或搖動影響。流體可膨脹容器140' ,140"內(nèi)部的壓力的力通過流體可膨脹容器140' ,140"在其上對葉片120施加力以移動物體810的表面積被放大，并且該分布力允許它們?nèi)菀椎匚沼晌矬w本身(其可以是極重且巨大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前致動器)產(chǎn)生的或由作用于物體的外部因素所施加的慣量或動量。流體可膨脹容器140'、140"可以由多種傳統(tǒng)的可膨脹或不可膨脹的可充氣材料中的幾乎任何材料制成，從諸如橡膠或硅樹脂的天然或合成彈性體到“Zodiac”浮筒船的特征的涂層尼龍織物，到通常在賽車、航空中用于燃料電池并且在船運(yùn)中用于壓艙物和襯板的涂層織物囊。在較高壓力應(yīng)用中，流體可膨脹容器140' ,140"可以由諸如涂膠機(jī)織芳香聚酰胺纖維的較高強(qiáng)度復(fù)合材料制成。在一實(shí)施方式中，正被移動的物體810由一重物平衡。該重物可以放置在滾筒104 和軸116上與物體810相反的側(cè)面上?？梢允褂门渲睾饣蛑匚飦頊p小移動物體所需的力的量。最后，如果流體系統(tǒng)發(fā)生故障，則可以使用重物來將系統(tǒng)100或物體偏壓到裝載位置。繼續(xù)參照圖15，用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100可以借助于沖銷1008穩(wěn)定于裝載位置或其它希望位置，在安裝期間或當(dāng)用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的部分被移除或替換且物體810或不具有流體可膨脹容器140' ,140"控制其位置時(shí)的任何時(shí)期， 該沖銷1008確實(shí)將系統(tǒng)鎖定就位。在使用諸如螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧700' ,700"或者鐘表彈簧 710' ,710"的彈性張緊裝置的實(shí)施方式中，彈性張緊裝置可以具有足夠的預(yù)加載扭矩以將物體810保持就位而不需要沖銷1008。系統(tǒng)100可以以定期而不斷被迫停止(stop-and-go)的方式或以連續(xù)平滑運(yùn)動的方式移動物體或應(yīng)用對象。因此不同于電動步進(jìn)馬達(dá)，系統(tǒng)100可在不使用或不需步進(jìn)功能的情況下操作。系統(tǒng)100可以容易地經(jīng)受甚至更重的應(yīng)用對象的突然停止和動量的變化，而不會損壞系統(tǒng)，這是因?yàn)闄C(jī)構(gòu)自然地分散和吸收如彈性而非無彈性沖擊或碰撞的震動。現(xiàn)在參看圖16，示出了布置成通過在一天中跟蹤橫跨天空的太陽的視運(yùn)動而為太陽能收集槽1600提供單軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的立體圖。現(xiàn)在參看圖17，示出了布置成通過在一天中跟蹤橫跨天空的太陽1018的視運(yùn)動而為太陽能光伏板1700提供單軸跟蹤以增加該板的效率的用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的立體圖。現(xiàn)在參看圖18，示出了布置成為單個(gè)平面鏡段1800提供單軸跟蹤的用于沿一個(gè)軸線移動物體的三個(gè)系統(tǒng)100的立體圖。太陽能集中在菲涅耳型槽太陽能收集器中的固定的接受管1810上?，F(xiàn)在參看圖19，示出了說明用于非線性移動物體的方法1200的流程圖。通過將流體可膨脹容器140'、140"放置到足以忍受由流體可膨脹容器140'、140"的壓力施加的力的罩殼中來實(shí)施所述方法1200(1204)。在一實(shí)施方式中，罩殼的曲率類似于所希望的非線性運(yùn)動的曲率。所述方法1200還包括與待移動的物體和流體可膨脹容器140' ,140"接觸地放置柱塞124' ,124" (1208)。柱塞124'、1M"具有類似于罩殼但小于罩殼的與流體可膨脹容器140' ,140"接觸的錐形形狀。通過在壓力下將流體引入所述流體可膨脹容器140' ,140" (1212)來移動物體(1216)。附加的容器和柱塞124'、124"可以添加至Ij非線性致動器系統(tǒng)中。在大多數(shù)實(shí)施方式中，使用每個(gè)流體可膨脹容器140' ,140"彼此相對的偶數(shù)個(gè)流體可膨脹容器140' ,140"，例如2個(gè)、4個(gè)、6個(gè)、8個(gè)。在大多數(shù)實(shí)施方式中， 存在與每個(gè)流體可膨脹容器140'、140"對應(yīng)的柱塞124'、1M"。如較早討論的，可使用雙連接柱塞?，F(xiàn)在參看圖20，示出了說明用于利用電子傳感器和處理器來控制非線性致動器系統(tǒng)100而重復(fù)地非線性致動物體810的方法1220的流程圖。在本實(shí)施方式中，可沿相反的非線性方向移動物體810。所述方法1220包括在計(jì)算機(jī)處接收電子信號以用非線性運(yùn)動方式移動物體并且處理該信號(1224)。所述方法1220還包括利用計(jì)算機(jī)以電子方式致動連接至第一流體可膨脹容器140' ,140"的閥并且利用致動的閥使具有柔性部分的第一流體可膨脹容器140' ,140"膨脹(1228)。在第一弧形柱塞124' ,124"上施加力的步驟(123 致使第一弧形柱塞124' ,124"遠(yuǎn)離流體可膨脹容器140‘ ,140"并且朝向可動葉片120移動。柱塞124' ,124"沿非線性方向移動并且移動可動葉片120。連接至可動葉片120的物體沿第一非線性方向移動。所述方法1220包括將第一流體可膨脹容器 140' ,140"的柔性部分從第一弧形柱塞124' ,124"的外表面上展開。所述方法1220還包括利用電子傳感器感測物體的運(yùn)動(1 并且將該物體的運(yùn)動從傳感器傳達(dá)到計(jì)算機(jī) (1M6)。所述方法1220包括將第二流體可膨脹容器140' ,140"的柔性部分卷繞在第二弧形柱塞124' ,124"的外表面上(125幻。而且，所述方法包括反向并重復(fù)運(yùn)動的步驟。所述方法包括在計(jì)算機(jī)控制下使第一流體可膨脹容器140' ,140"縮小的步驟(1256)。所述方法1220還包括將第一流體可膨脹容器140' ,140"的柔性部分卷繞在第一弧形柱塞 124' ,124"的外表面之上，從而使物體沿第二非線性方向移動。因此，物體可返回到其原始位置。用于重復(fù)地非線性致動物體810的方法(圖20所示的方法1220)可以被修改以在包括扭轉(zhuǎn)彈簧、一個(gè)流體可膨脹囊140以及一個(gè)柱塞124的系統(tǒng)100(如圖9A至9C)中使用。在這些實(shí)施方式中，所述方法1220還包括將用于使流體容器膨脹的能量存儲在以可操作方式連接至可動葉片120的諸如螺旋彈簧或鐘表彈簧的扭轉(zhuǎn)彈簧中?？梢允褂酶鞣N處理器、存儲器、芯片組、軟件以及計(jì)算機(jī)來控制和/或監(jiān)控致動器和致動器系統(tǒng)。各種電子傳感器和機(jī)械傳感器也可以與致動器和致動器系統(tǒng)一起使用。 2008年5月23日提交的申請?zhí)枮镻CT/US2008/006660的PCT申請和2009年2月18日提交的申請?zhí)枮镻CT/US2009/000825的PCT申請中描述了這些裝置，這兩個(gè)申請是共同擁有的并且以全文引用方式完全并入本文。在具有多個(gè)非線性致動器的系統(tǒng)中各種計(jì)算機(jī)構(gòu)造是可行的。在前述的詳細(xì)描述中，參照具體的示例性實(shí)施方式描述了根據(jù)用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的實(shí)施方式的系統(tǒng)和方法。因此，本說明書和圖被認(rèn)為是說明性而非限制性的。通過所附的有限的實(shí)施例并且通過它們的等同例進(jìn)一步理解用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)100的范圍。此外，在描述各種實(shí)施方式中，本說明書可將方法和/或過程呈現(xiàn)為特定順序的步驟。然而，就該方法或過程不依賴于本文所闡明的具體次序的步驟而言，該方法或過程不應(yīng)限于所述的具體順序的步驟。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的，其它順序的步驟是可行的。因此，說明書中所闡明的具體次序的步驟不應(yīng)被解釋為對權(quán)利要求的限制。而且，可以跳過或繞過若干步驟。另外，涉及方法和/或過程的權(quán)利要求不應(yīng)限于按所寫次序執(zhí)行它們的步驟，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地理解，順序可以變化并且仍保持在各種實(shí)施方式的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種供在物體的非線性可重復(fù)運(yùn)動中使用的非線性致動器，該非線性致動器包括非線性柱塞，該非線性柱塞具有中間部分和兩個(gè)端部，所述中間部分具有弓形外表面，該非線性柱塞以可操作方式連接至待移動的所述物體；流體可膨脹容器，該流體可膨脹容器具有與所述柱塞接合的柔性膜，其中該柔性膜卷繞在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流體可膨脹容器膨脹導(dǎo)致所述柔性膜的一部分從所述柱塞的所述弓形外表面展開并且該膨脹也對所述柱塞施加力，從而導(dǎo)致所述物體以非線性運(yùn)動方式移動；相對的流體容器；一個(gè)或更多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述流體可膨脹容器；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器連接至所述流體可膨脹容器；電子致動器，這些電子致動器用于所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述流體可膨脹容器加壓和減壓；電子位置傳感器，該電子位置傳感器用于確定所述物體的位置；以及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有處理器和存儲器，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器接收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動，并且通過電磁信號記錄所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置。
2.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，由所述柔性膜產(chǎn)生卷葉。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述非線性柱塞的形狀是弧形的，并且所述兩個(gè)端部之間的弧在35度和85度之間。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述非線性柱塞以圓周運(yùn)動旋轉(zhuǎn)超過30度。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述柱塞具有流體接收端并且接收流體。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述柱塞具有鄰接的且閉合的外表面。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括用于約束所述流體可膨脹容器的約束件。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括圓筒形壁，其中所述流體可膨脹容器由所述圓筒形壁約束。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括圓筒形壁，其中該圓筒形壁包括死空間。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器還包括用于所述柔性膜的彎曲的導(dǎo)向件。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器還包括剛性部分。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器還包括保護(hù)罩。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器固定至所述柱塞。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器以可操作方式連接至所述柱塞。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器固定到基準(zhǔn)件。
16.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器還包括袋，該袋圍繞著接合所述柔性膜的所述柱塞的所述兩個(gè)端部中的一個(gè)而裝配。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，使所述流體可膨脹容器縮小導(dǎo)致所述柱塞插入所述流體可膨脹容器，并且使所述流體可膨脹容器膨脹導(dǎo)致所述柱塞被所述流體可膨脹容器排出。
18.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，通過改變所述流體可膨脹容器中流體的體積，所述物體被相對于所述基準(zhǔn)件移動。
19.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述柔性膜定位成對所述柱塞施加力，當(dāng)在所述流體可膨脹容器中添加流體時(shí)，所述物體被以弓形運(yùn)動方式移動。
20.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述相對的流體容器可膨脹。
21.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述柱塞與所述流體可膨脹容器和所述相對的流體可膨脹容器接合。
22.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括以可操作方式連接至所述物體的相對的柱塞。
23.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述相對的柱塞與所述相對的流體可膨脹容器接合。
24.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述相對的柱塞和所述柱塞相連接。
25.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述流體可膨脹容器填充有液壓流體并且所述相對的流體可膨脹容器填充有液壓流體。
26.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述柱塞包括混凝土、聚合物以及塑料中的一種。
27.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括光伏電源。
28.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括具有與所述物體的非線性可重復(fù)運(yùn)動正交的運(yùn)動的第二非線性致動器。
29.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括第二非線性致動器，其中，該第二非線性致動器是串聯(lián)的，以使得所述第二非線性致動器導(dǎo)致附加的非線性運(yùn)動。
30.一種供在物體的非線性可重復(fù)運(yùn)動中使用的非線性致動器，該非線性致動器包括非線性柱塞，該非線性柱塞具有中間部分和兩個(gè)端部，所述中間部分具有弓形外表面， 該非線性柱塞以可操作方式連接至待移動的所述物體；流體可膨脹容器，該流體可膨脹容器具有與所述柱塞接合的柔性膜，其中該柔性膜卷繞在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流體可膨脹容器膨脹導(dǎo)致所述柔性膜的一部分從所述柱塞的所述弓形外表面展開并且該膨脹也對所述柱塞施加力，從而導(dǎo)致所述物體以非線性運(yùn)動方式移動；扭轉(zhuǎn)彈簧，該扭轉(zhuǎn)彈簧對所述柱塞施加相反力；一個(gè)或更多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述流體可膨脹容器；壓力傳感器，該壓力傳感器連接至所述流體可膨脹容器；致動器，這些致動器用于所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述流體可膨脹容器加壓和減壓；位置傳感器，該位置傳感器用于確定所述物體的位置；以及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有處理器和存儲器，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述壓力傳感器和所述位置傳感器接收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動，并且通過電磁信號記錄所述壓力傳感器和所述位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置。
31.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，其中，所述扭轉(zhuǎn)彈簧是板簧或鐘表彈簧。
32.—種以可重復(fù)弧形運(yùn)動方式移動物體的弧形致動器，該弧形致動器包括 可動部件，該可動部件連接至所述物體；殼體，該殼體以可操作方式連接至所述可動部件；第一柱塞，該第一柱塞附接至所述可動部件并且具有沿著縱軸線的彎曲中間部分；第二柱塞；第一流體可膨脹容器，該第一流體可膨脹容器由所述殼體約束，其中所述第一柱塞由所述第一流體可膨脹容器接合；第二流體可膨脹容器，該第二流體可膨脹容器由所述殼體約束，其中所述第二柱塞由所述第二流體可膨脹容器接合；一個(gè)或更多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述第一流體可膨脹容器；一個(gè)或更多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述第二流體可膨脹容器；電子壓力傳感器，該電子壓力傳感器連接至所述第一流體可膨脹容器； 電子致動器，這些電子致動器用于連接至所述第一流體可膨脹容器的所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以使所述第一流體可膨脹容器加壓和減壓；電子位置傳感器，該電子位置傳感器用于確定所述物體的位置；以及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有處理器和存儲器，該計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器接收到的信號以電子方式致動所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥來控制所述物體的運(yùn)動，并且通過電磁信號傳達(dá)所述電子壓力傳感器和所述電子位置傳感器的輸出值以及所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥的位置；其中，所述第一流體可膨脹容器的膨脹致使所述第一柱塞和所述第二柱塞沿所述第二流體可膨脹容器的方向以非線性運(yùn)動方式移動。
33.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，由所述第一流體可膨脹容器產(chǎn)生卷葉。
34.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，由所述第二流體可膨脹容器產(chǎn)生卷葉。
35.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第一流體可膨脹容器的一部分卷繞在所述柱塞的外表面上。
36.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述可動部件是軸ο
37.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述殼體是滾筒。
38.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述殼體通過軸承或軌道中的一個(gè)以可操作方式連接至所述可動部件。
39.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述殼體通過腳輪組件以可操作方式連接至所述可動部件。
40.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第二柱塞的形狀是弧形的。
41.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第一柱塞和所述第二柱塞連接。
42.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第一流體可膨脹容器具有柔性部分。
43.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第二流體可膨脹容器具有柔性部分。
44.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第二柱塞具有彎曲外表面并且所述第二流體可膨脹容器卷繞在該彎曲外表面上。
45.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述第一柱塞具有彎曲外表面并且所述第一流體可膨脹容器卷繞在該彎曲外表面上。
46.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述流體可膨脹容器填充有液壓流體。
47.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的弧形致動器，其中，所述柱塞包括混凝土、聚合物以及塑料中的一種。
48.一種用于利用致動器和計(jì)算機(jī)使物體以可重復(fù)非線性運(yùn)動方式移動的方法，該方法包括利用計(jì)算機(jī)處理電子信號以使物體以非線性運(yùn)動方式移動； 利用所述計(jì)算機(jī)以電子方式啟動連接至第一流體容器的閥； 將所述第一流體容器的柔性部分從第一弧形柱塞的外表面展開； 利用所述已啟動的閥使具有柔性部分的所述第一流體容器膨脹；對所述第一弧形柱塞施加力，該力的方向遠(yuǎn)離所述第一流體容器并且朝向可動葉片， 其中所述柱塞沿非線性方向移動；移動所述可動葉片，其中連接至所述可動葉片的物體沿第一非線性方向移動；利用電子傳感器感測所述物體的移動；將所述物體的移動從所述電子傳感器傳達(dá)到所述計(jì)算機(jī)；將第二流體容器的柔性部分卷繞在第二弧形柱塞的外表面上；在計(jì)算機(jī)控制下使所述第一流體容器縮??；以及將所述第一流體容器的所述柔性部分卷繞在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物體沿第二非線性方向移動，該第二非線性方向是與所述第一非線性方向相反的方向。
49.一種用于利用致動器和計(jì)算機(jī)使物體以可重復(fù)非線性運(yùn)動方式移動的方法，該方法包括利用計(jì)算機(jī)處理電子信號以使物體以非線性運(yùn)動方式移動； 利用所述計(jì)算機(jī)以電子方式啟動連接至第一流體容器的閥； 利用所述已啟動的閥使具有柔性部分的所述第一流體容器膨脹； 將所述第一流體容器的所述柔性部分從第一弧形柱塞的外表面展開； 對所述第一弧形柱塞施加力，該力的方向遠(yuǎn)離所述第一流體容器并且朝向可動葉片， 其中所述柱塞沿非線性方向移動；移動所述可動葉片，其中連接至所述可動葉片的物體沿第一非線性方向移動； 利用電子傳感器感測所述物體的移動； 將所述物體的移動從所述電子傳感器傳達(dá)到所述計(jì)算機(jī)；將用來使所述流體容器膨脹的能量存儲在以可操作方式連接至所述可動葉片的扭轉(zhuǎn)彈簧中；在計(jì)算機(jī)控制下使所述第一流體容器縮小；以及將所述流體容器的所述柔性部分卷繞在所述弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物體沿與所述第一非線性方向相反的第二非線性方向移動。
50.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的用于移動物體的方法，其中，所述致動器抵抗所述物體的不受控制的移動，所述第一流體容器和所述第二流體容器對所述可動葉片施加壓力以抵抗移動。1
51.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的用于移動物體的方法，其中，所述計(jì)算機(jī)包括處理器、存儲器、傳感器輸入以及軟件程序。
52.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的用于移動物體的方法，其中，所述軟件程序處理來自下列傳感器的輸入位置傳感器以及來自所述第一流體容器和所述第二流體容器的壓力傳感器。
53.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的用于移動物體的方法，其中，所述軟件程序處理來自下列傳感器的輸入風(fēng)傳感器和溫度傳感器。
54.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的用于移動物體的方法，其中，所述計(jì)算機(jī)基于軟件程序處理輸入將啟動信號發(fā)送給所述閥。
55.一種用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于所述物體的支撐結(jié)構(gòu)；滾筒，該滾筒以可操作方式連接至所述支撐結(jié)構(gòu)；軸，該軸軸向穿過所述滾筒的中心；一個(gè)或更多個(gè)用于所述軸的支撐件，使得所述軸可在所述滾筒內(nèi)自由轉(zhuǎn)動； 軸葉片，該軸葉片固定至所述軸，所述軸葉片沿著所述軸縱向延伸并且徑向延伸到所述滾筒的內(nèi)壁；滾筒葉片，該滾筒葉片固定至所述滾筒，所述滾筒葉片沿著所述滾筒的所述內(nèi)壁縱向延伸并且朝向所述軸的外表面徑向延伸；兩個(gè)流體可膨脹容器，所述兩個(gè)流體可膨脹容器放置在所述滾筒內(nèi)部并且撞擊所述滾筒葉片和固定至所述滾筒的所述軸葉片，使得所述兩個(gè)流體可膨脹容器中的一個(gè)的膨脹同時(shí)對所述軸葉片和所述滾筒葉片施加力；兩個(gè)柱塞，所述兩個(gè)柱塞具有弧形外表面，所述兩個(gè)柱塞中的每一個(gè)均連接至所述滾筒葉片或所述軸葉片中的一個(gè)，其中，在所述柱塞的所述弧形外表面上由所述一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器形成一個(gè)或更多個(gè)卷葉；一個(gè)或更多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述一個(gè)或更多個(gè)流體可膨脹容器，用于使所述流體可膨脹容器中的每一個(gè)加壓；壓縮流體源，該壓縮流體源以可操作方式連接至所述一個(gè)或更多個(gè)控制閥中的每一個(gè)，用于使所述流體可膨脹容器中的每一個(gè)加壓；以及其中，所述軸葉片或所述滾筒葉片中的一個(gè)響應(yīng)于所施加的力沿徑向移動并且移動所述物體。
56.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述支撐件包括軸承，該軸承包括三個(gè)或更多個(gè)腳輪，所述腳輪直接或間接安裝在所述滾筒上，用于支撐所述軸并且允許所述軸在所述滾筒內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。
57.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，每個(gè)腳輪均可調(diào)整以在所述腳輪和所述軸之間產(chǎn)生容隙，并且每個(gè)腳輪均通過一個(gè)或更多個(gè)螺栓安裝至所述滾筒。
58.一種供在物體的非線性可重復(fù)運(yùn)動中使用的非線性致動器，該非線性致動器包括非線性柱塞，該非線性柱塞具有中間部分，該中間部分具有弓形外表面，其中所述非線性柱塞以可操作方式連接至待移動的所述物體；流體可膨脹容器，該流體可膨脹容器以可操作方式連接至所述柱塞，所述流體可膨脹容器具有柔性膜，其中該柔性膜被卷繞在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流體可膨脹容器膨脹致使所述柔性膜的一部分從所述柱塞的所述弓形外表面展開，并且該膨脹也對所述柱塞施加力從而導(dǎo)致所述物體以非線性運(yùn)動方式移動；致動器，其中該致動器使所述流體可膨脹容器加壓，以使得所述物體以非線性運(yùn)動方式移動。
59.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括對所述柱塞施加相反力的裝置；電子位置傳感器，該電子位置傳感器用于確定所述物體的位置；以及計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)具有處理器和存儲器，所述計(jì)算機(jī)通過響應(yīng)于從所述電子位置傳感器接收到的信號而向所述致動器發(fā)信號來控制所述物體的運(yùn)動。
60.根據(jù)上述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或更多項(xiàng)所述的非線性致動器，該非線性致動器還包括扭轉(zhuǎn)彈簧，其中該扭轉(zhuǎn)彈簧對所述柱塞施加相反力。
全文摘要
一種用于沿一個(gè)軸線移動物體的系統(tǒng)和方法的實(shí)施方式包括一個(gè)或多個(gè)流體可膨脹容器，所述一個(gè)或多個(gè)流體可膨脹容器布置成向柱塞傳輸流體壓力，使得所述流體可膨脹容器的柔性膜和所述柱塞接合并且響應(yīng)于體積的變化形成卷葉。所述流體可膨脹容器被封閉在罩殼或滾筒內(nèi)，并且軸軸向穿過所述罩殼的中心。所述系統(tǒng)還包括一個(gè)或多個(gè)控制閥，所述一個(gè)或多個(gè)控制閥以可操作方式連接至所述一個(gè)或多個(gè)流體可膨脹容器用于控制所述一個(gè)或多個(gè)容器中的流體的體積。通過改變所述一個(gè)或多個(gè)容器中的流體的體積來移動所述物體。在一個(gè)實(shí)施方式中，使用弧形柱塞來幫助產(chǎn)生所述卷葉。
文檔編號F15B13/042GK102405353SQ201080015599
公開日2012年4月4日 申請日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月10日
發(fā)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(huán)球控股公司