非线性致动器系统和方法

专利名称：非线性致动器系统和方法
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IOOm2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。当前定日镜技术的另一个缺点是在多数情况下它依赖于外部动力源。当前致动器需要提供电力或液压动力以定向应用对象。这在安装时产生寄生动力消耗，并且针对它们的操作还需要使用电缆或软管的复杂且昂贵的电力或液压动力分配系统。就它们的性质而言，定日镜阵列常常覆盖数平方公里，并因此在大型装置上，通过电缆给数千个定日镜的阵列提供外动力增加了较大资金和维护费用。当前致动器未能实现在最小的功率要求下提供多轴太阳跟踪的低成本装置。因此，需要有一种供小规模到大规模应用之用的成本和功率有效的单轴和多轴致动器。在诸如美国专利3，053，528和美国专利4，378，935的多个专利中描述了当前致动器的液压弹簧的使用以及活塞和柔性构件的结合，当活塞在操作中往复运动时该柔性构件形成卷叶。呈联接至活塞的柔性膜形式的这些装置当它们膨胀时产生大量原动力。虽然这些装置可以用作致动器，但是它们主要用作重型机械和车辆上的减震器或弹簧，并且主要由升举能力或者压缩和拉伸能力测定。这些装置具有非常有限的运动或活动范围并且非常有限地用于需要精确度的运动控制。这些装置不被设计成用于受控的非线性运动、旋转运动或弓形运动，并且即使有用于这种旋转运动的能力或用于控制这种运动的能力也很少表现出来。因此，需要一种改进的单轴和多轴致动器。

发明内容
用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式包括流体以及一个或更多个流体可膨胀容器，所述一个或更多个流体可膨胀容器布置成将流体压力传输到柱塞，使得所述流体可膨胀容器的柔性壁响应于体积的变化而形成卷叶，该卷叶被封闭在圆筒形罩壳或滚筒内；轴，该轴轴向穿过所述滚筒的中心并且通过轴承联接至所述滚筒使得所述滚筒和所述轴可相对于彼此自由移动；一个或更多个叶片，所述一个或更多个叶片从所述轴向轴纵向延伸并径向延伸到所述滚筒的内表面；以及一个或更多个叶片，所述一个或更多个叶片从所述滚筒的内表面纵向延伸并径向延伸到所述轴的表面。待移动的物体可以被直接或间接地连接至所述轴或所述滚筒。所述流体可膨胀容器围绕所述轴布置在所述滚筒内的整个或部分环形环中，使得每个容器均在固定至所述滚筒的叶片和固定至所述轴的叶片之间施加膨胀力。一定体积的流体被放置在所述一个或更多个流体可膨胀容器中。所述系统还包括流体移动件，该流体移动件以可操作方式连接至所述一个或更多个流体可膨胀容器以将所述流体移至所述一个或更多个容器中。所述系统还包括用于控制所述一个或更多个容器中的流体的体积的流体体积控制器。通过改变所述一个或更多个容器中流体的体积来移动所述物体。在一实施方式中，使用弧形柱塞来帮助产生所述卷叶。在一实施方式中，待被定位的所述物体或应用对象可以是光伏板、太阳反光镜、圆盘式卫星电视天线、红外成像传感器、电磁辐射天线或发射器、望远镜、传感器阵列、探测器、武器或武器系统、热武器系统、可命中目标的武器、医疗卫生器材、医用机器人致动器、 诊断设备和机器人、外部或内部假体或假体性植入物、手术或显微操作工具或装置、广告材料、标志图样、施工设备、阀、流量控制装置、飞机用控制面、风车或风轮机叶片用偏航或俯仰控制装置、火箭推进器、船或飞机上的推进器、机床、水平调整装置或升降装置、车辆悬挂系统、遮阳伞、遮阳篷或者用于定位任何其它物体的装置或致动器。一个以上这种实施方式的组合允许物体或应用对象的多轴运动。描述非线性致动器。所述致动器可以用于物体的非线性可重复运动，所述致动器包括非线性柱塞，该非线性柱塞具有中间部分和两个端部，所述中间部分具有以可操作方式连接至待移动的所述物体的弓形外表面。所述致动器的一个实施方式还包括流体可膨胀容器，该流体可膨胀容器具有与所述柱塞接合的柔性膜，其中所述柔性膜卷绕在所述柱塞的所述弓形外表面之上，使得使所述流体可膨胀容器膨胀导致所述柔性膜的一部分从所述柱塞的所述弓形外表面展开，并且该膨胀还对所述柱塞施加力导致所述物体以非线性运动方式移动。所述致动器还包括相反的流体容器以及一个或更多个以可操作方式连接至所述流体可膨胀容器的控制阀。所述致动器包括电子压力传感器，该电子压力传感器连接至所述流体可膨胀容器；和电子致动器，该电子致动器用于所述一个或更多个控制阀以使所述流体可膨胀容器加压和减压。所述致动器包括用于确定物体的位置的电子位置传感器以及具有处理器和存储器的计算机，该计算机通过响应于从所述电子压力传感器和所述电子位置传感器收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动。所述计算机还可以记录所述电子压力传感器和所述电子位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置。电磁信号可以用于通讯。本文进一步描述了一种以可重复的弧形运动方式移动物体的弧形致动器，该弧形致动器包括连接至所述物体的可动部件；以可操作方式连接至所述可动部件的壳体；附接至所述可动部件并且具有沿纵轴线的弯曲中间部分的第一柱塞；以及第二柱塞。所述弧形致动器还包括第一流体可膨胀容器，该第一流体可膨胀容器由所述壳体约束，其中所述第一柱塞被所述第一流体可膨胀容器接合；和第二流体可膨胀容器，该第二流体可膨胀容器由所述壳体约束，其中所述第二柱塞被所述第二流体可膨胀容器接合。所述弧形致动器还包括以可操作方式连接至所述第一流体可膨胀容器的一个或更多个控制阀；以可操作方式连接至所述第二流体可膨胀容器的一个或更多个控制阀；连接至所述第一流体可膨胀容器的电子压力传感器；连接至所述第二流体可膨胀容器的电子压力传感器；以及用于所述一个或更多个控制阀以使所述流体可膨胀容器加压和减压的电子致动器。所述弧形致动器还包括用于确定所述物体的位置的电子位置传感器；以及具有处理器和存储器的计算机，该计算机通过响应于从所述电子压力传感器和所述电子位置传感器收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动，并且利用电磁信号传达所述电子压力传感器和所述电子位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置。所述第一流体可膨胀容器的膨胀导致所述第一柱塞和所述第二柱塞沿所述第二流体可膨胀容器的方向以非线性运动方式移动。本文进一步描述了一种以可重复的弧形运动方式移动物体的弧形致动器，该弧形致动器包括连接至所述物体的可动部件；以可操作方式连接至所述可动部件的壳体；附接至所述可动部件并且具有沿着纵轴线的弯曲中间部分的柱塞；以及以可操作方式连接至所述可动部件的诸如扭转弹簧或螺旋弹簧的弹性张紧装置。所述弧形致动器还包括流体可膨胀容器，该流体可膨胀容器由壳体约束，其中所述柱塞被所述流体可膨胀容器接合。所述弧形致动器还包括以可操作方式连接至所述流体可膨胀容器的一个或更多个控制阀；连接至所述流体可膨胀容器的电子压力传感器；以及用于所述一个或更多个控制阀以使所述流体可膨胀容器加压和减压的电子致动器。所述弧形致动器还包括用于确定所述物体的位置的电子位置传感器；以及具有处理器和存储器的计算机，该计算机通过响应于从所述电子压力传感器和所述电子位置传感器收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动，并且利用电磁信号传达所述电子压力传感器和所述电子位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置。所述流体可膨胀容器的膨胀导致所述柱塞沿所述弹性张紧装置的倾向相反的方向以非线性运动方式移动。公开了一种用于利用致动器和计算机以可重复的非线性运动方式移动物体的方法，该方法包括在计算机处接收电子信号以便以非线性运动方式移动物体；并且利用计算机以电子方式致动连接至第一流体容器的阀。所述方法还包括利用所述致动的阀使具有柔性部分的所述第一流体容器膨胀；将所述第一流体容器的所述柔性部分从第一弧形柱塞的外表面展开；对所述第一弧形柱塞施加力致使其远离所述流体容器并且朝向可动叶片移动，其中，所述柱塞沿非线性方向移动；移动所述可动叶片，从而沿非线性方向移动连接至所述可动叶片的物体。所述方法还包括利用电子传感器感测所述物体的运动并且将所述物体的运动从所述传感器传达到所述计算机。所述方法包括将第二流体容器的柔性部分卷绕在第二弧形柱塞的外表面上；在计算机控制下使所述第一流体容器缩小；并且将所述第一流体容器的所述柔性部分卷绕在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物体沿第二非线性方向移动，该第二非线性方向是与所述第一非线性方向相反的方向。公开了另一种用于利用致动器和计算机以可重复的非线性运动方式移动物体的方法，该方法包括在计算机处接收电子信号以便以非线性运动方式移动物体；并且利用计算机以电子方式致动连接至流体容器的阀。所述方法还包括利用所述致动的阀使具有柔性部分的所述流体容器膨胀；将所述第一流体容器的所述柔性部分从弧形柱塞的外表面展开；对所述弧形柱塞施加力致使其远离所述流体容器并且朝向可动叶片移动，其中，所述柱塞沿非线性方向移动；移动所述可动叶片，从而沿非线性方向移动连接至所述可动叶片的物体。所述方法还包括利用电子传感器感测所述物体的运动并且将所述物体的运动从所述传感器传达到所述计算机。所述方法包括将用来使所述流体容器膨胀的能量存储在以可操作方式连接至所述可动叶片的诸如螺旋弹簧或钟表弹簧的扭转弹簧中；在计算机控制下使所述流体容器缩小；并且将所述流体容器的所述柔性部分卷绕在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物体沿第二非线性方向移动，该第二非线性方向是与所述第一非线性方向相反的方向。


图1示出了位于上死点位置并且使所有部件都就位的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的剖视图；图2示出了旋转到大约90度逆时针方向位置并且未示出卷叶部分的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的视图；图3A示出了包括两个滚筒的用于沿一个轴线移动物体的两个串联的系统的立体图；图;3B示出了利用单个滚筒的用于沿一个轴线移动物体的两个串联的系统的立体图；图4示出了作为以可重复的弧形运动方式移动物体的弧形致动器的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的剖视图；图5示出了柱塞的多种可能的构造的三种形式，所述柱塞当它们穿过滚筒内的弓形路径时迫使流体可膨胀容器形成卷叶；图6示出了其中一个流体可膨胀容器的下部刚性部分；图7示出了其中一个流体可膨胀容器的卷绕套筒部分；图8示出了系统的剖视图，示出了单个连续隔间和与隔间不流体连通的迫使形成卷叶的柱塞；图9A示出了包括扭转弹簧的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的侧视图；图9B示出了包括钟表弹簧的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的侧视图；图9C示出了包括钟表弹簧的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的端视图；图10示出了具有减小的运动范围的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的截面图；图11示出了包括布置成提供多轴跟踪的三个滚筒的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的立体图；图12示出了包括布置成提供多轴跟踪的两个滚筒同时物体安装在轴上的用于沿一个轴线移动物体的系统的三个实施方式的立体图；图13A至1 分别示出了供用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式使用的示例性旋转组件的侧视图和主视图14示出了布置成提供多轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统的三个实施方式的立体图，其中物体移至垂直于地面的全范围仰角位置；图15示出了布置成提供多轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统的三个实施方式的侧视图，其中示出了所有的辅助命令和控制系统；图16示出了布置成为抛物线形太阳能收集槽提供单轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的立体图；图17示出了布置成为太阳能光伏板提供单轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的立体图；图18示出了布置成为菲涅耳太阳能收集槽提供单轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统的三个实施方式的立体图；图19示出了用于非线性致动物体的方法的流程图；图20示出了用于利用电子传感器和处理器可重复地非线性致动物体的方法的流程图。在详细地描述用于沿一个轴线移动物体的系统的一个或更多个实施方式之前，本领域技术人员将理解，用于沿一个轴线移动物体的系统在应用上不限于下列详细描述中所阐明的或附图所示出的结构的细节、部件的布置以及步骤的排列。用于沿一个轴线移动物体的系统能够是其它实施方式并且能够以各种方式实现或实施。而且，应当理解，本文所有的用语和术语是为了说明而不应被认为是限制。
具体实施例方式在共同转让的2008年5月23日提交的申请号为PCT/US2008/006660的PCT申请和2009年2月18日提交的申请号为PCT/US2009/000825的PCT申请中充分讨论了利用流体可膨胀容器以产生高扭矩、高精度的单轴和双轴定位的旋转致动器的使用和优点，上述 PCT申请以全文引用的方式完全并入本文中。在某些应用中，除由滑动和/或可收缩的流体可膨胀容器的运动产生的静摩擦或动摩擦以外，可能希望将单轴驱动系统和方法(Single-Axis Drive Systems andMethods) 的内部部件的摩擦减小到滚动摩擦的水平。本文所公开的实施方式通过改变流体可膨胀容器以当该流体可膨胀容器改变体积时形成卷叶来减小或允许消除系统内的几乎所有的滑
动摩擦。参看图1，用于沿一个轴线移动物体的系统100的实施方式包括固定有叶片120的轴116，该轴以可操作方式联接至滚筒104并且纵向地贯穿滚筒104的中心。轴承(未示出)将轴116保持在滚筒104内的中心轴向位置。待移动的物体可以联接至滚筒104或轴 106。柱塞124' ,124"或活塞124' ,124"安装至叶片120的每一侧并且可以通过螺栓或其它紧固件固定。由刚性部分或“保护罩” 136' ,136"以及柔性部分或“套筒” 112'、 112"组成的流体可膨胀容器140' ,140"布置成使得其与柱塞124' ,124"的和叶片120 相对的端部接触。当通过可定位于保护罩中的填充端口引入空气时，套筒112部分膨胀并且通过沿着叶片120的表面卷绕而移至叶片120的表面和滚筒104之间的间隙中。膨胀致使套筒112部分对柱塞124' ,124"施加力并且迫使柱塞124' ,124"抵靠叶片120，从而致使轴116在滚筒104中旋转。当一个流体可膨胀容器140'、140〃膨胀时，柱塞124'、124"移至相对的容器并且被迫进入保护罩136' ,136"中，从而迫使套筒112本身反转并且当套筒112滚离滚筒104的壁时形成卷叶。可以通过改变两个流体可膨胀容器140'、 140"内的相对压力和容积而以非常大的精度和力将叶片120并因此将轴116移至一位置范围中。在本实施方式中，保护罩136' ,136"被用螺栓固定至滚筒104。在替代实施方式中，保护罩136' ,136"可以被用螺栓相互固定或者装配到滚筒104内而不用螺栓相互固定或固定至滚筒104。另选地，当保护罩136' ,136"由刚性或半刚性材料制成时，叶片148 可以由相互接触的保护罩136' ,136"的两个表面形成。在本实施方式中，示出系统100定位于上死点位置处。卷叶套筒112并不需要沿着滚筒104的壁滑动，并且这允许系统100以极小或几乎无内部摩擦操作。流体可膨胀容器140可以完全由与柔性套筒112部分相同的材料形成。容器140 中也可以形成有其它特征，诸如具有将容器140连接至柱塞IM和/或叶片120的机械附接特征。系统100的弓形运动可以是极限的，因为流体可膨胀容器140' ,140"不需要抵抗将在不受约束的流体膨胀容器中增大的大应力。柱塞124' ,124"通过轴116的旋转被引导于弓形路径中，使得在流体可膨胀容器140' ,140"内将产生极小的内部摩擦或不产生内部摩擦。现在参看图2，示出了用于沿一个轴线移动物体的系统100的实施方式。当卷叶套筒112(未示出)从在一侧几乎完全伸出移至在另一侧几乎完全收回时，可以使物体 810(未示出)旋转经过至少160度的运动范围。可使系统100的各种实施方式旋转经过 180度的运动范围。可以较小地制成刚性部分或保护罩136' ,136"以容纳大于180度的运动范围。在一实施方式中，不需要刚性部分或保护罩136' ,136"。整个流体可膨胀容器 140由完全具有相同性质的相同材料制成。图3A至;3B示出了用于沿一个轴线移动物体的两个串联的系统100'和100〃或致动器的立体图。图3A至;3B所示的串联的实施方式使用通过公共轴116组件(如图3A 中)或公共滚筒104组件(如图;3B中)连接在一起的两个系统100'和100"，以产生为单个驱动装置(系统100)所允许的范围的两倍的运动范围。例如，在图3A至;3B所示的两个实施方式中，具有180度运动范围能力的一个系统100 ‘连接至也具有180度运动范围能力的第二个系统100"，从而允许360度的旋转。当在一个系统100中轴旋转而滚筒静止且在另一个系统100中滚筒旋转而轴静止时，使360度旋转范围成为可能。继续参照图3A，在一实施方式中，两个滚筒104'和104"连接成作为单个单元旋转。每个滚筒104'、104"分别具有允许轴116在滚筒内自由旋转的轴承804以及柱塞 124' ,124"，以允许180度的运动。滚筒104' ,104"被定位成使得运动范围彼此相反。 当一个系统100'旋转至其运动的全范围时，可以使第二系统100"旋转以允许第二系统的全范围运动。在该实施方式中，基准件840通过凸缘190连接至一个系统100"的滚筒， 而待移动的应用对象连接至第二系统100'的滚筒。在该实施方式中，第一系统100'和第二系统100〃通过公共轴116连接。现在参看图:3B，基准件840连接至一个系统100"的滚筒，而待移动的应用对象 (未示出)连接至第二系统100'的滚筒。在该实施方式中，第一系统100'和第二系统 100〃通过公共滚筒104连接。
现在参看图4，示出了旋转至大约90度位置的用于沿一个轴线移动物体的系统 100的实施方式的局部剖视图，示出了柱塞124"定位在保护罩内并且没有示出卷叶部分。 所示的系统100或弧形致动器以可重复的弧形运动方式移动物体。在该实施方式中，示出了两个柱塞124'、1M〃。柱塞124' ,124"成形为允许该柱塞124' ,124"完全滑入流体可膨胀容器140'、140〃的保护罩136' ,136"部分，而不冲击壁且不压缩保护罩136‘、 136"。在其它实施方式中，柱塞IM可以嵌套在另一个柱塞内。再次参看图5，示出了柱塞124的各种可能形状的实施例。示出了这些柱塞12 至12 向左弯曲。柱塞12 至12 可以类似地向右弯曲。柱塞12 至12 成形为在滚筒104(未示出)的壁和柱塞12 至12 的侧壁之间提供足以允许在流体可膨胀容器 140' ,140"的膜中形成卷叶(未示出)的空间。示出了柱塞12 具有可以填充诸如混凝土的高密度材料的弧形中空壳体。柱塞124b是替代实心柱塞形状，其中一个表面是直的 150并且其中一个侧面是弯曲的152。柱塞12 被示出为具有两个弧形侧154、156的实心柱塞。柱塞12 至12如的底面与流体可膨胀容器140' ,140"接触。柱塞124的长度有助于确定柱塞124' ,124"的运动范围。在一实施方式中，卷叶112可以联接至柱塞124' ,124"的底面。柱塞124'、 124"可以由钢、铝、塑料或任何其它足够强的刚性或半刚性材料构成。柱塞可以在内部包括加强肋以对抗由流体可膨胀容器140'、140"传输的压力所施加的力。柱塞124'、 124"略微成锥形以允许该柱塞124' ,124"平滑地移位并移动流体可膨胀容器140 ‘、 140"的壁。柱塞124' ,124"应具有平滑的外壁和成圆角的角部以避免对流体可膨胀容器140' ,140"的损坏。柱塞124' ,124"的尺寸大小应使得滚筒104的壁与柱塞124'、 124"之间的间隙在系统的工作压力下不会超过构成流体可膨胀容器140' ,140"的材料的最大无支撑半径。现在参看图6，在一个实施方式中，流体可膨胀容器140' ,140"由可以是刚性模制的塑料、弹性体或金属的下部或保护罩136'、136"构成。该部分可以和形成卷叶的套筒112或柔性部分连续地模制在一起。另选地，它可以形成为类似于具有可锻造或以其它方式联接至套筒112的胎圈的轮胎。保护罩136' ,136"部分仅需在操作上足够刚硬以抵抗变形，并且确保卷叶套筒112仅是基本上响应于流体压力和容积的变化而变形的流体可膨胀容器140' ,140"的部分。在许多应用中，流体容器的内部压力将足以消除对于不同的保护罩部分的需要。保护罩136'、136〃可以结合金属板以将其连接至滚筒104中的叶片 120。保护罩136' ,136"以可操作方式联接至卷叶套筒112。保护罩通常填充滚筒104的四分之一圆，例如下部四分之一圆。现在参看图7，在一个实施方式中，流体可膨胀容器140' ,140 “还由卷叶套筒 112组成，该卷叶套筒112可以小于当其被加压时它将膨胀以充满的体积。叶套筒112在一端联接至保护罩136' ,136"并且在另一端联接至柱塞124' ,124"的底部。一旦所有的部件都被联接，则流体可膨胀容器140'、140"就被完成。因此本实施方式提供保护罩 136'、136〃、套筒112以及柱塞124' ,124"之间的流体连通。现在参看图8，在一个实施方式中，流体可膨胀容器140' ,140"是简单单元，该简单单元仅由具有单个填充端口的诸如热封的、涂布氨基甲酸酯的尼龙织物制成的柔性膜组成。流体可膨胀容器140' ,140"也可以由弹性体、涂层织物、多层复合材料或者任何可
16以柔性地容纳流体的材料制成。在一个实施方式中，流体可膨胀容器140' ,140"成形为填充稍微多于完全膨胀下滚筒104的一半。流体可膨胀容器140'、140"可以具有允许将流体可膨胀容器140' ,140"的顶面机械附接至柱塞124' ,124"的底部的特征，诸如维可牢尼龙搭扣(Velcro)衬垫、金属扣眼、或金属带环。机械附接提供流体可膨胀容器140'、 140"将保持在外壳中的适当位置的更大的确定性。柱塞124' ,124"的与流体可膨胀容器 140' ,140"的内部压力结合的运动迫使流体可膨胀容器140' ,140"的壁在柱塞124'、 124"沿其弓形路径行进时形成抵靠滚筒104的壁的卷叶。柱塞124' ,124"可以通过诸如注射成形、冲压成形(drawing)、将切割部分组装成焊件的多个典型工业过程中的任何一个过程或通过浇铸和加工构造而成。柱塞124'、 124"可以具有平滑侧并且在从叶片120到底部的壁中具有锥形形状。在一些应用中，制造可以用作待移动的物体的配重的极重的柱塞124' ,124"是有用的，柱塞124' ,124" 还可以填充诸如液体、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"生产成本低，因为柱塞124'、1M"的壳体可以由较易运送的较廉价的轻质材料制成。然后用混凝土或其它高密度材料填充轻质壳体。填充过程可以现场进行。在一实施方式中，柱塞124' ,124"具有用于稳定和加强的诸如框架或肋的内部结构。柱塞124'、124〃上的公差可以是大的，约1/4〃或更大，因为柱塞124' ,124" 是非精密部件。柱塞124'、1M"可以具有平滑的外表面以避免对流体可膨胀容器140'、 140"的损坏并且是锥形的以允许平滑运动。柱塞124'、1M"在它将力从流体可膨胀容器 140'、140〃传输到叶片120时经受大力，因此假如柱塞124' ,124"在侧面和底部上能经受大量的力而没有显著或永久的变形则其是优选的。柱塞124'、1M"上的力将与流体可膨胀容器140' ,140"中的压力以及流体可膨胀容器140' ,140"的和柱塞124' ,124" 接触的表面积直接相关。通过用单个“双头式”柱塞代替两个柱塞124' ,124"可以制造单柱塞叶片组件。双头式柱塞可以是单个组件并且可以包括叶片120并且直接连接至轴116。由本发明的实施方式产生的弓形运动不限于如附图所示的圆形路径。只要柱塞 124' ,124"的运动被引导通过类似于围绕流体可膨胀容器140' ,140"的外壳的曲率的弓形路径，就可以移动物体。该移动和外壳的曲率的形状可以类似。物体的移动基于轴116、 可动部件或致动器的非定子部分的移动。各种非线性物体运动可以包括月牙形、椭圆形、环形、弧形和其它不规则图案。非线性运动可以通过致动器系统反向并重复。流体可膨胀容器 140' ,140"可以装有变化量的非挥发性气体或流体。在一实施方式中，流体可以是空气、 水、气体、油、高密度流体、高压液压流体、电反应流体、高粘度流体或环境温度下的固体。例如，当物体或应用对象需要移动时，可以通过加热装置加热固态流体并且将其转换成液体。 在物体或应用对象就位之后，液体可以被冷却到环境温度并且转换回固体流体。在一实施方式中，可以使用化学反应来在储槽中或第三容器内产生气体或产生压力。在一实施方式中，可以用来自管道的调节的流体流来填装流体可膨胀容器140'、 140"，该管道的流动进而由系统致动的大型阀调节。例如，来自管道的气体可以被调节至低于适合操作系统100的压力，系统100进而用来致动大型直角回转球阀，该大型直角回转球阀控制通过所述管道的流动。在一实施方式中，流体可膨胀容器140'对另一个流体可膨胀容器140"和/或对诸如扭转弹簧的弹簧施加力。在一实施方式中，一个或更多个流体可膨胀容器140'、140"占据的体积小于滚筒104的整个内部体积，并且附接至滚筒104的内表面的固定叶片 120之间的敞开区域占据滚筒104的内部体积的一部分，从而允许较小的流体可膨胀容器 140'、140 “。流体可膨胀容器140'、140"可以相互连接和/或通过管连接至流体移动件以传送流体。致动器不受在操作期间施加于物体或应用对象的正常及异常的外部应力、振动或摇动影响。致动器内部的力或压力由致动器在其上对叶片120施加力以移动物体或应用对象的表面积而放大，并且该分布力允许它们容易地吸收由物体或应用对象本身(其可以非常重且巨大，远远大于当前致动器)产生或者由作用于物体或应用对象的外部事物施加的惯量或动量。现在参看图9A，示出了包括弹性张紧装置或诸如扭转弹簧700'和700"的装置的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的侧视图。在本实施方式中，示出了螺旋扭转弹簧700'和700"在一端720' ,720"连接至轴116，并且螺旋扭转弹簧700'和700〃 的另一端连接至滚筒104的端板704'和704"。在另一个实施方式中仅使用一个螺旋扭转弹簧。流体可膨胀容器140的膨胀致使柱塞124(未示出)沿与弹性张紧装置(在本实施例中为螺旋扭转弹簧700'和700")的倾向相反的方向以非线性运动方式移动。现在参看图9B-9C，分别示出了包括诸如钟表弹簧710'和710"的扭转弹簧的用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式的侧视图和端视图。参看图9C，在本实施方式中， 示出了钟表弹簧710'和710"在一端730' ,730"连接至轴116，并且钟表弹簧710‘和 710"的另一端连接至滚筒104的端板704'和704"。本实施方式中的扭转弹簧的布置允许系统100保持在装载位置，直到系统100在流体可膨胀容器140膨胀时开始移动为止。扭转弹簧相对于滚筒104的位置在系统100的其它实施方式中可以改变。扭转弹簧710'和 710"不需要连接至滚筒104，例如扭转弹簧可以连接至待移动的物体810。当诸如螺旋扭转弹簧和钟表弹簧的扭转弹簧用于系统100的实施方式中时，可以使用单个柱塞IM和流体可膨胀容器140。与使用诸如液压蓄能器或压力容器的加压流体容器相反，使用弹性张紧装置允许系统将能量存储在机械装置中。这具有允许系统在外部动力很小或无外部动力的情况下将待移动的物体810自动返回到装载位置的附加益处。例如，可以使用断电时打开的阀。如果发生动力故障，则流体可膨胀容器140开始在流体流过打开阀时缩小，并且弹性张紧装置将待移动的物体810返回到装载位置。通过适当确定该阀的大小，待移动的物体 810将可预测地且平滑地返回到装载位置而无需操作员或机器干预。现在参看图10，示出了具有减小的运动范围的用于沿一个轴线移动物体的系统 100的实施方式的截面图。在本实施方式中，滚筒104的一部分是由叶片164'和164"所描绘的死空间160。在本实施方式中，由于死空间160，因此滚筒104中可供用于柱塞124'、 124"、流体可膨胀容器140' ,140"以及保护罩136' ,136"的区域较少，从而提供缩短的运动范围。因为柱塞124' ,124"小于滚筒104中没有死空间160的实施方式(诸如图 1的实施方式)中的那些柱塞，所以在所示的实施方式中减小了运动范围。这种系统100由于其重量较轻而在减小的运动范围是适当的应用中是所希望的。此外，系统100的该较轻的实施方式将易于操纵和运输。假如希望填满的死空间160，则死空间160可以填充有诸如混凝土的填充物。参看图11，示出了包括三个滚筒104、104'以及104〃的用于沿多个轴线移动物体的系统800的实施方式的立体图，其中三个滚筒布置成通过沿水平轴线旋转物体810而提供多轴跟踪，物体810示出为定日镜应用。用于沿一个轴线移动物体的系统100的实施方式包括待操作或定位的物体(“应用对象”)810，该物体以可操作方式联接至纵向贯穿滚筒104'和104"的中心的轴或管116。在本实施方式中，轴116保持固定并且物体810通过连接件844安装在滚筒104'和104〃上。旋转组件804 (未具体描绘)将轴116保持在滚筒104'和104"内的中心轴向位置中。在本实施方式中，轴116通过旋转组件804(未示出)(其可以是推力轴承或其它类型的轴承)和第二轴承(未示出)连接至滚筒104'和 104"，其中第二轴承可以是平面接触轴承、滚珠轴承或者其它适合承载重量和由应用对象上加载的风产生的力的轴承。叶片120(未示出)可以布置在滚筒104中以提供略微大于 180度的运动范围，使得当联接至仰角驱动装置时，定日镜提供全多轴运动以使应用对象指向任何选定点。在本实施方式中，轴116固定至中心支撑结构或底座840。轴116可以通过滚筒104'和104"沿一个轴线旋转，同时通过充当方位角驱动装置的另一个滚筒104沿另一个轴线旋转。在本实施方式中，滚筒104'和104" —起可以充当升降机驱动装置。其它外壳可以代替滚筒104、104' ,104"来使用。各种形状都可以用于外壳，包括椭圆形罐。继续参照图11，系统100的滚筒104的比例非常灵活，但是通常遵循一组经验法则。例如，可能合理地期望直径为36英寸、具有12英寸的轴116、具有500psi的流体动力源的驱动装置针对每英寸长度产生大约4200英尺磅的扭矩。因此，具有17英寸长度的这些比例的系统100将产生大约68，000英尺磅的扭矩。通过将压力增加至750psi，系统100 的输出应增加至大约107，100英尺磅。通常，由于增大滚筒直径将移动力的中心进一步远离旋转轴线的事实，因此滚筒104的直径增大提供大于扭矩的线性增加。从而，可合理地期望直径为M英寸、具有6英寸的轴和750psi的流体动力源的滚筒104产生大约3，540英尺磅的扭矩。因此，需要30英寸长的滚筒产生与17英寸长且直径为36英寸的滚筒相同量的扭矩。本领域技术人员应当理解，滚筒104壁和端板(未示出)的结构应该足够强以安全地忍受由流体的压力产生的力通过流体可膨胀容器传输至滚筒和端板。因此通过充分加强的滚筒和端板的成本可与任何其它因素一样程度地决定给定驱动装置的几何形状。操作系统100的压力取决于许多因素的最佳化以满足使用者的需要。这些因素包括可以用来操作系统100的物理罩壳(即滚筒104)；可利用的希望的流体和流体控制部件；应用的成本参数；用于制造流体可膨胀容器140的可用材料；完成的系统的希望的重量；以及可以用来生产系统部件的制造过程。一般而言，由诸如油和水基流体的不可压缩流体提供动力的系统100可以在较高压力下操作并且从而允许针对给定的扭矩输出能力的更紧凑的系统100。相反地，通常，诸如空气或其它气体的可压缩的流体针对给定的扭矩输出能力产生较大的系统100。本领域技术人员应当理解，利用不可压缩流体的系统100的更多刚性的结构特征可以更适于某些应用。现在参看图12，示出了包括布置成提供多轴跟踪的两个滚筒104和104'的用于沿多个轴线移动物体的系统900的立体图。在图12所示的布置中，物体810可以安装至轴或管116，而滚筒104保持固定。在其它实施方式中，物体810可以安装至诸如连接件844 的连接结构，示出该连接件844将物体810连接至轴116。在本实施方式中，滚筒104固定在底座840上，但是其可固定在任何结构上，包括地面。滚筒104在底座840上旋转。此外，在本实施方式中，滚筒104可以充当连接至另一个滚筒(充当升降机驱动装置的滚筒104')的方位角驱动装置。在一些实施方式中，连接件844形成滚筒104或轴116的一体部分。在系统100的一实施方式中，连接件可以是将物体810连接至轴116或滚筒104的螺栓。在系统100的另一个实施方式中，连接件844可以是用于物体810的支撑结构。现在参看图13A至13B，分别示出了供用于沿一个轴线移动物体的系统的实施方式使用的示例性旋转组件804的侧视图和正视图。旋转组件804是可以用于系统100中的轴承的部件的实施例。参看图13B，示出了三个或更多个脚轮440，所述三个或更多个脚轮安装在滚筒(未具体绘出)上并且布置成使得轴116被支撑并且可在滚筒104的中心自由旋转。脚轮440中的每一个均通过一个或更多个螺栓442附接至旋转组件804。脚轮440 中的每一个均直接或间接附接至滚筒104。旋转组件804可以在滚筒外部安装在诸如滚筒 104的端盖的外表面上。旋转组件804也可以在滚筒104内部安装在例如滚筒104的端盖的内部上。旋转组件804也可以通过将该旋转组件804保持就位的框架连接至滚筒104。 脚轮440可为现场维修而被容易地移除。脚轮440可在其不与轴116接触时被替换。在一个实施方式中，一个或更多个脚轮440可调整以使得它可离开轴以产生小容隙，在该小容隙内轴116可径向离开每个脚轮440。用这种方式，可以一次一个地替换脚轮440。在另一个实施方式中，轴116通过采用传统的液压起重器或机械式起重器而移动。一旦已替换脚轮440，并且一个或更多个可调整脚轮被张紧以稳固地将轴116保持就位，就可移除起重器。轴116通常径向贯穿滚筒104的中心轴线。在没有“卸下”或移除轴116并且没有移除其它脚轮440的情况下，可以替换脚轮440。现在参看图14，示出了充当被用于沿水平轴线旋转定日镜应用对象1031的方位角驱动装置的系统100的立体图。示出了物体810被移至垂直于地面的全范围仰角位置。 在本实施方式中，系统100固定至底座840，而轴116在滚筒104内自由旋转。物体810联接至轴116，该轴116轴向贯穿滚筒104的中心并且由一个或更多个旋转组件804保持就位。示出动力源IOM位于物体810上。现在参看图15，示出了充当被用于沿水平轴线旋转定日镜应用对象1031的方位角驱动装置的系统100的侧视图。一个以上的滚筒104可以结合以形成用于多轴跟踪太阳的定日镜，并且仰角驱动装置以彼此成直角的方式联接至方位角驱动装置。第二仰角驱动装置的设置确保了在单个仰角驱动装置发生故障时用于实现风装载(Windstow)的完全的备用系统。第二仰角驱动装置是任选的并且可以被移除。在本实施方式中，内轴116固定至底座840并且通过旋转组件804(未示出)连接至滚筒104。旋转组件804可以是推力轴承或旋转枢转轴承，并且第二轴承可以是平面接触轴承、滚珠轴承或者适合承载由加载在应用对象或物体810上的风产生的重量和力的其它类型的轴承。叶片120可以布置在滚筒104中以提供略大于180度的运动范围，使得当被联接至仰角驱动装置时定日镜提供全多轴运动以将应用对象指向任何选定点。在针对每个流体可膨胀容器140' ,140"的实施方式中，可以为一个或更多个机动或计算机控制的阀致动器1011和控制阀1010提供耦合以允许对应用对象的位置的机器人控制。示出了系统100的本实施方式具有锁定装置， 诸如手动或机动方式配置的冲销1008以及连接至控制阀1010用于使每个流体容器加压和减压的空气或流体管的歧管1035。系统100的本实施方式还包括用于启动控制阀1010 的电子阀致动器1011 ；压缩空气或其它流体的源(诸如压缩机1012)；将流体可膨胀容器 140' ,140"连接至控制阀1010、压缩机1012的软管1020 ；以及可选的用于加压流体的储罐1013。通过处理来自电子压力传感器1021、环境温度传感器1025、旋转位置编码器(未示出)和/或电子水平传感器10 的信息，计算机1014可以计算应用对象的当前位置，确定空气体积和压力变化，该空气体积和压力变化对于在每个流体可膨胀容器140' ,140" 内实现将物体810或应用对象致动、驱动或移动到希望位置以相对于目标维持最佳取向是必需的。然后计算机1014可致动阀致动器1011并且可致动压缩机1012或可加压流体存储系统1013以将压缩流体释放到附接至那些流体可膨胀容器140' ,140"的软管1020中。 计算机1014可以指导流体可膨胀容器140' ,140"的膨胀和缩小以便将物体810或应用对象致动、驱动或以其它方式移到希望的位置，而通过评价从电子水平传感器10 和/或旋转位置编码器(未示出)获得的反馈来同时比较并校正物体810的运动。在一些实施方式中，这些步骤或行动不会同时发生而是取决于工业应用以连续方式发生或者在可接受的时段内发生。图15所体现的用于沿一个轴线移动物体的系统100可以包括作为主要或次要导向系统或定位反馈系统的激光定位系统。本实施方式中所示的定位系统包括激光发射器 1015和激光接收器1019。物体810或应用对象装配有激光束发射器1015，该激光束发射器 1015相对于物体810或连接件(未示出)以已知角从物体810或应用对象表面发射激光束。激光束由示出定位在太阳能接收塔1016顶部的激光传感器1019感测。然后，通过处理以电子方式从激光传感器接收到的信息，计算机1014可以将连接件844和/或物体810 或应用对象定向在用于暴晒目标(在这种情况下为太阳热接收器1027)的最有利的位置。 还示出了诸如光伏电源IOM的电源以及用于压缩和控制系统10 的电缆。歧管10；35可以包括位于较大歧管35内的一个或更多个管以及电子压力传感器1021以监控流体容器及加压流体系统的其它部分内的压力。系统100还包括用于仰角的水平传感器1026(其可以安装在应用对象或连接件804内或安装在应用对象或连接件804上)、电子旋转位置编码器 (未示出)、环境温度传感器1025。另外，用于沿一个轴线移动物体的系统可以配置在太阳能动力设备中，在该太阳能动力设备中来自太阳1018的太阳辐射通过定日镜阵列聚焦在安装于太阳塔1016上的太阳能接收器1027上，其中每个定日镜均包含用于沿一个轴线移动物体的系统的多个实施方式。这些定日镜可以包括传感器和导向系统(诸如旋转位置编码器(未示出)以及用于指引致动器和如适于具体应用对象的运动的计算机硬件和软件1014)；安装在应用对象或太阳塔上的一个或更多个激光发射器1015和安装在太阳塔1016上的一个或更多个激光接收器1019 ；动力源，该动力源可以是光伏板或其它动力源以向加压流体系统、传感器以及导向系统提供动力；以及无线或有线中心阵列控制器1022。通过处理来自电子压力传感器1021、环境温度传感器1025、旋转位置编码器(未示出)和/或电子水平传感器10 的信息，计算机可以计算应用对象的当前位置，确定流体体积和压力变化，该流体体积和压力变化对于在每个流体可膨胀容器内实现将物体或应用对象致动、驱动或移动到希望位置以维持相对于目标的最佳取向是必需的。然后，计算机可致动阀致动器1011并且可致动压缩机1012或可加压流体存储系统1013以将压缩流体释放到附接至那些需要膨胀的流体可膨胀容器140' ,140"的软管中并且同时将流体从那些需要缩小的流体可膨胀容器中释放出，以便将物体或应用对象致动或驱动或以其它方式移动到希望的位置，同时通过评价从电子水平传感器10 和/或旋转位置编码器(未示出)获得的反馈同时比较并校正物体810的运动。在一些实施方式中，这些步骤或行动不会同时发生而是取决于工业应用以连续方式发生或者在可接受的时段内发生。通常，每个流体可膨胀容器140' ,140"或其中的密封的子室将存在一个流体软管源。一实施方式中的歧管1035通常将具有压力转换器端口、排气阀端口以及充气阀端口。单个三通阀可用一半阀提供膨胀和缩小(1个阀/容器)。可用于实施方式中的适当的阀的实施例是12伏电磁致动流体阀和三向伺服致动流体阀。可以使用闭合或打开的膨胀系统。实施方式可以基于在缩小后被放到大气中或者被从一个容器放到另一个容器或放到存储器中的过量流体。使用液体流体或用于高层大气、空间的应用以及水下应用可能需要在闭合系统中重新使用所有可用流体。用于沿一个轴线移动物体的系统100能够提供高度分散但受精确控制的机械力以通过流体可膨胀容器140' ,140"的差动系统加压和减压促使移动和精确定位。为执行它们的功能，流体可膨胀容器140' ,140"需要适度的压力，除其它因素以外，该适度压力取决于待移动的应用对象的大小、必须对抗的撞击在应用对象上的外力(诸如最大风负载)、流体可膨胀容器140' ,140"的数量以及滚筒104内的叶片120上的流体可膨胀容器 140' ,140"的表面接触面积。在许多应用或装置中，可以使用大约Spsi至150psi的压力范围。压缩机可以联接至加压流体存储容器1013，该加压流体存储容器1013允许减小压缩机的运行时间并且在外部动力断期间为以低功率操作提供加压流体的备用供应。流体可膨胀容器140' ,140"不受在操作期间施加于物体或应用对象的正常和异常的外部应力、振动或摇动影响。流体可膨胀容器140' ,140"内部的压力的力通过流体可膨胀容器140' ,140"在其上对叶片120施加力以移动物体810的表面积被放大，并且该分布力允许它们容易地吸收由物体本身(其可以是极重且巨大的，远远大于当前致动器)产生的或由作用于物体的外部因素所施加的惯量或动量。流体可膨胀容器140'、140"可以由多种传统的可膨胀或不可膨胀的可充气材料中的几乎任何材料制成，从诸如橡胶或硅树脂的天然或合成弹性体到“Zodiac”浮筒船的特征的涂层尼龙织物，到通常在赛车、航空中用于燃料电池并且在船运中用于压舱物和衬板的涂层织物囊。在较高压力应用中，流体可膨胀容器140' ,140"可以由诸如涂胶机织芳香聚酰胺纤维的较高强度复合材料制成。在一实施方式中，正被移动的物体810由一重物平衡。该重物可以放置在滚筒104 和轴116上与物体810相反的侧面上。可以使用配重衡或重物来减小移动物体所需的力的量。最后，如果流体系统发生故障，则可以使用重物来将系统100或物体偏压到装载位置。继续参照图15，用于沿一个轴线移动物体的系统100可以借助于冲销1008稳定于装载位置或其它希望位置，在安装期间或当用于沿一个轴线移动物体的系统100的部分被移除或替换且物体810或不具有流体可膨胀容器140' ,140"控制其位置时的任何时期， 该冲销1008确实将系统锁定就位。在使用诸如螺旋扭转弹簧700' ,700"或者钟表弹簧 710' ,710"的弹性张紧装置的实施方式中，弹性张紧装置可以具有足够的预加载扭矩以将物体810保持就位而不需要冲销1008。系统100可以以定期而不断被迫停止(stop-and-go)的方式或以连续平滑运动的方式移动物体或应用对象。因此不同于电动步进马达，系统100可在不使用或不需步进功能的情况下操作。系统100可以容易地经受甚至更重的应用对象的突然停止和动量的变化，而不会损坏系统，这是因为机构自然地分散和吸收如弹性而非无弹性冲击或碰撞的震动。现在参看图16，示出了布置成通过在一天中跟踪横跨天空的太阳的视运动而为太阳能收集槽1600提供单轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的系统100的立体图。现在参看图17，示出了布置成通过在一天中跟踪横跨天空的太阳1018的视运动而为太阳能光伏板1700提供单轴跟踪以增加该板的效率的用于沿一个轴线移动物体的系统100的立体图。现在参看图18，示出了布置成为单个平面镜段1800提供单轴跟踪的用于沿一个轴线移动物体的三个系统100的立体图。太阳能集中在菲涅耳型槽太阳能收集器中的固定的接受管1810上。现在参看图19，示出了说明用于非线性移动物体的方法1200的流程图。通过将流体可膨胀容器140'、140"放置到足以忍受由流体可膨胀容器140'、140"的压力施加的力的罩壳中来实施所述方法1200(1204)。在一实施方式中，罩壳的曲率类似于所希望的非线性运动的曲率。所述方法1200还包括与待移动的物体和流体可膨胀容器140' ,140"接触地放置柱塞124' ,124" (1208)。柱塞124'、1M"具有类似于罩壳但小于罩壳的与流体可膨胀容器140' ,140"接触的锥形形状。通过在压力下将流体引入所述流体可膨胀容器140' ,140" (1212)来移动物体(1216)。附加的容器和柱塞124'、124"可以添加至Ij非线性致动器系统中。在大多数实施方式中，使用每个流体可膨胀容器140' ,140"彼此相对的偶数个流体可膨胀容器140' ,140"，例如2个、4个、6个、8个。在大多数实施方式中， 存在与每个流体可膨胀容器140'、140"对应的柱塞124'、1M"。如较早讨论的，可使用双连接柱塞。现在参看图20，示出了说明用于利用电子传感器和处理器来控制非线性致动器系统100而重复地非线性致动物体810的方法1220的流程图。在本实施方式中，可沿相反的非线性方向移动物体810。所述方法1220包括在计算机处接收电子信号以用非线性运动方式移动物体并且处理该信号(1224)。所述方法1220还包括利用计算机以电子方式致动连接至第一流体可膨胀容器140' ,140"的阀并且利用致动的阀使具有柔性部分的第一流体可膨胀容器140' ,140"膨胀(1228)。在第一弧形柱塞124' ,124"上施加力的步骤(123 致使第一弧形柱塞124' ,124"远离流体可膨胀容器140‘ ,140"并且朝向可动叶片120移动。柱塞124' ,124"沿非线性方向移动并且移动可动叶片120。连接至可动叶片120的物体沿第一非线性方向移动。所述方法1220包括将第一流体可膨胀容器 140' ,140"的柔性部分从第一弧形柱塞124' ,124"的外表面上展开。所述方法1220还包括利用电子传感器感测物体的运动(1 并且将该物体的运动从传感器传达到计算机 (1M6)。所述方法1220包括将第二流体可膨胀容器140' ,140"的柔性部分卷绕在第二弧形柱塞124' ,124"的外表面上(125幻。而且，所述方法包括反向并重复运动的步骤。所述方法包括在计算机控制下使第一流体可膨胀容器140' ,140"缩小的步骤(1256)。所述方法1220还包括将第一流体可膨胀容器140' ,140"的柔性部分卷绕在第一弧形柱塞 124' ,124"的外表面之上，从而使物体沿第二非线性方向移动。因此，物体可返回到其原始位置。用于重复地非线性致动物体810的方法(图20所示的方法1220)可以被修改以在包括扭转弹簧、一个流体可膨胀囊140以及一个柱塞124的系统100(如图9A至9C)中使用。在这些实施方式中，所述方法1220还包括将用于使流体容器膨胀的能量存储在以可操作方式连接至可动叶片120的诸如螺旋弹簧或钟表弹簧的扭转弹簧中。可以使用各种处理器、存储器、芯片组、软件以及计算机来控制和/或监控致动器和致动器系统。各种电子传感器和机械传感器也可以与致动器和致动器系统一起使用。 2008年5月23日提交的申请号为PCT/US2008/006660的PCT申请和2009年2月18日提交的申请号为PCT/US2009/000825的PCT申请中描述了这些装置，这两个申请是共同拥有的并且以全文引用方式完全并入本文。在具有多个非线性致动器的系统中各种计算机构造是可行的。在前述的详细描述中，参照具体的示例性实施方式描述了根据用于沿一个轴线移动物体的系统100的实施方式的系统和方法。因此，本说明书和图被认为是说明性而非限制性的。通过所附的有限的实施例并且通过它们的等同例进一步理解用于沿一个轴线移动物体的系统100的范围。此外，在描述各种实施方式中，本说明书可将方法和/或过程呈现为特定顺序的步骤。然而，就该方法或过程不依赖于本文所阐明的具体次序的步骤而言，该方法或过程不应限于所述的具体顺序的步骤。如本领域技术人员将理解的，其它顺序的步骤是可行的。因此，说明书中所阐明的具体次序的步骤不应被解释为对权利要求的限制。而且，可以跳过或绕过若干步骤。另外，涉及方法和/或过程的权利要求不应限于按所写次序执行它们的步骤，并且本领域技术人员可以容易地理解，顺序可以变化并且仍保持在各种实施方式的精神和范围内。
权利要求
1.一种供在物体的非线性可重复运动中使用的非线性致动器，该非线性致动器包括非线性柱塞，该非线性柱塞具有中间部分和两个端部，所述中间部分具有弓形外表面，该非线性柱塞以可操作方式连接至待移动的所述物体；流体可膨胀容器，该流体可膨胀容器具有与所述柱塞接合的柔性膜，其中该柔性膜卷绕在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流体可膨胀容器膨胀导致所述柔性膜的一部分从所述柱塞的所述弓形外表面展开并且该膨胀也对所述柱塞施加力，从而导致所述物体以非线性运动方式移动；相对的流体容器；一个或更多个控制阀，所述一个或更多个控制阀以可操作方式连接至所述流体可膨胀容器；电子压力传感器，该电子压力传感器连接至所述流体可膨胀容器；电子致动器，这些电子致动器用于所述一个或更多个控制阀以使所述流体可膨胀容器加压和减压；电子位置传感器，该电子位置传感器用于确定所述物体的位置；以及计算机，该计算机具有处理器和存储器，该计算机通过响应于从所述电子压力传感器和所述电子位置传感器接收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动，并且通过电磁信号记录所述电子压力传感器和所述电子位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置。
2.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，由所述柔性膜产生卷叶。
3.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述非线性柱塞的形状是弧形的，并且所述两个端部之间的弧在35度和85度之间。
4.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述非线性柱塞以圆周运动旋转超过30度。
5.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述柱塞具有流体接收端并且接收流体。
6.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述柱塞具有邻接的且闭合的外表面。
7.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括用于约束所述流体可膨胀容器的约束件。
8.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括圆筒形壁，其中所述流体可膨胀容器由所述圆筒形壁约束。
9.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括圆筒形壁，其中该圆筒形壁包括死空间。
10.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器还包括用于所述柔性膜的弯曲的导向件。
11.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器还包括刚性部分。
12.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器还包括保护罩。
13.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器固定至所述柱塞。
14.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器以可操作方式连接至所述柱塞。
15.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器固定到基准件。
16.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器还包括袋，该袋围绕着接合所述柔性膜的所述柱塞的所述两个端部中的一个而装配。
17.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，使所述流体可膨胀容器缩小导致所述柱塞插入所述流体可膨胀容器，并且使所述流体可膨胀容器膨胀导致所述柱塞被所述流体可膨胀容器排出。
18.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，通过改变所述流体可膨胀容器中流体的体积，所述物体被相对于所述基准件移动。
19.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述柔性膜定位成对所述柱塞施加力，当在所述流体可膨胀容器中添加流体时，所述物体被以弓形运动方式移动。
20.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述相对的流体容器可膨胀。
21.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述柱塞与所述流体可膨胀容器和所述相对的流体可膨胀容器接合。
22.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括以可操作方式连接至所述物体的相对的柱塞。
23.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述相对的柱塞与所述相对的流体可膨胀容器接合。
24.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述相对的柱塞和所述柱塞相连接。
25.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述流体可膨胀容器填充有液压流体并且所述相对的流体可膨胀容器填充有液压流体。
26.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述柱塞包括混凝土、聚合物以及塑料中的一种。
27.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括光伏电源。
28.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括具有与所述物体的非线性可重复运动正交的运动的第二非线性致动器。
29.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括第二非线性致动器，其中，该第二非线性致动器是串联的，以使得所述第二非线性致动器导致附加的非线性运动。
30.一种供在物体的非线性可重复运动中使用的非线性致动器，该非线性致动器包括非线性柱塞，该非线性柱塞具有中间部分和两个端部，所述中间部分具有弓形外表面， 该非线性柱塞以可操作方式连接至待移动的所述物体；流体可膨胀容器，该流体可膨胀容器具有与所述柱塞接合的柔性膜，其中该柔性膜卷绕在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流体可膨胀容器膨胀导致所述柔性膜的一部分从所述柱塞的所述弓形外表面展开并且该膨胀也对所述柱塞施加力，从而导致所述物体以非线性运动方式移动；扭转弹簧，该扭转弹簧对所述柱塞施加相反力；一个或更多个控制阀，所述一个或更多个控制阀以可操作方式连接至所述流体可膨胀容器；压力传感器，该压力传感器连接至所述流体可膨胀容器；致动器，这些致动器用于所述一个或更多个控制阀以使所述流体可膨胀容器加压和减压；位置传感器，该位置传感器用于确定所述物体的位置；以及计算机，该计算机具有处理器和存储器，该计算机通过响应于从所述压力传感器和所述位置传感器接收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动，并且通过电磁信号记录所述压力传感器和所述位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置。
31.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，其中，所述扭转弹簧是板簧或钟表弹簧。
32.—种以可重复弧形运动方式移动物体的弧形致动器，该弧形致动器包括 可动部件，该可动部件连接至所述物体；壳体，该壳体以可操作方式连接至所述可动部件；第一柱塞，该第一柱塞附接至所述可动部件并且具有沿着纵轴线的弯曲中间部分；第二柱塞；第一流体可膨胀容器，该第一流体可膨胀容器由所述壳体约束，其中所述第一柱塞由所述第一流体可膨胀容器接合；第二流体可膨胀容器，该第二流体可膨胀容器由所述壳体约束，其中所述第二柱塞由所述第二流体可膨胀容器接合；一个或更多个控制阀，所述一个或更多个控制阀以可操作方式连接至所述第一流体可膨胀容器；一个或更多个控制阀，所述一个或更多个控制阀以可操作方式连接至所述第二流体可膨胀容器；电子压力传感器，该电子压力传感器连接至所述第一流体可膨胀容器； 电子致动器，这些电子致动器用于连接至所述第一流体可膨胀容器的所述一个或更多个控制阀以使所述第一流体可膨胀容器加压和减压；电子位置传感器，该电子位置传感器用于确定所述物体的位置；以及计算机，该计算机具有处理器和存储器，该计算机通过响应于从所述电子压力传感器和所述电子位置传感器接收到的信号以电子方式致动所述一个或更多个控制阀来控制所述物体的运动，并且通过电磁信号传达所述电子压力传感器和所述电子位置传感器的输出值以及所述一个或更多个控制阀的位置；其中，所述第一流体可膨胀容器的膨胀致使所述第一柱塞和所述第二柱塞沿所述第二流体可膨胀容器的方向以非线性运动方式移动。
33.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，由所述第一流体可膨胀容器产生卷叶。
34.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，由所述第二流体可膨胀容器产生卷叶。
35.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第一流体可膨胀容器的一部分卷绕在所述柱塞的外表面上。
36.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述可动部件是轴ο
37.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述壳体是滚筒。
38.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述壳体通过轴承或轨道中的一个以可操作方式连接至所述可动部件。
39.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述壳体通过脚轮组件以可操作方式连接至所述可动部件。
40.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第二柱塞的形状是弧形的。
41.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第一柱塞和所述第二柱塞连接。
42.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第一流体可膨胀容器具有柔性部分。
43.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第二流体可膨胀容器具有柔性部分。
44.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第二柱塞具有弯曲外表面并且所述第二流体可膨胀容器卷绕在该弯曲外表面上。
45.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述第一柱塞具有弯曲外表面并且所述第一流体可膨胀容器卷绕在该弯曲外表面上。
46.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述流体可膨胀容器填充有液压流体。
47.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的弧形致动器，其中，所述柱塞包括混凝土、聚合物以及塑料中的一种。
48.一种用于利用致动器和计算机使物体以可重复非线性运动方式移动的方法，该方法包括利用计算机处理电子信号以使物体以非线性运动方式移动； 利用所述计算机以电子方式启动连接至第一流体容器的阀； 将所述第一流体容器的柔性部分从第一弧形柱塞的外表面展开； 利用所述已启动的阀使具有柔性部分的所述第一流体容器膨胀；对所述第一弧形柱塞施加力，该力的方向远离所述第一流体容器并且朝向可动叶片， 其中所述柱塞沿非线性方向移动；移动所述可动叶片，其中连接至所述可动叶片的物体沿第一非线性方向移动；利用电子传感器感测所述物体的移动；将所述物体的移动从所述电子传感器传达到所述计算机；将第二流体容器的柔性部分卷绕在第二弧形柱塞的外表面上；在计算机控制下使所述第一流体容器缩小；以及将所述第一流体容器的所述柔性部分卷绕在所述第一弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物体沿第二非线性方向移动，该第二非线性方向是与所述第一非线性方向相反的方向。
49.一种用于利用致动器和计算机使物体以可重复非线性运动方式移动的方法，该方法包括利用计算机处理电子信号以使物体以非线性运动方式移动； 利用所述计算机以电子方式启动连接至第一流体容器的阀； 利用所述已启动的阀使具有柔性部分的所述第一流体容器膨胀； 将所述第一流体容器的所述柔性部分从第一弧形柱塞的外表面展开； 对所述第一弧形柱塞施加力，该力的方向远离所述第一流体容器并且朝向可动叶片， 其中所述柱塞沿非线性方向移动；移动所述可动叶片，其中连接至所述可动叶片的物体沿第一非线性方向移动； 利用电子传感器感测所述物体的移动； 将所述物体的移动从所述电子传感器传达到所述计算机；将用来使所述流体容器膨胀的能量存储在以可操作方式连接至所述可动叶片的扭转弹簧中；在计算机控制下使所述第一流体容器缩小；以及将所述流体容器的所述柔性部分卷绕在所述弧形柱塞的所述外表面上，其中所述物体沿与所述第一非线性方向相反的第二非线性方向移动。
50.根据上述权利要求中的任一项所述的用于移动物体的方法，其中，所述致动器抵抗所述物体的不受控制的移动，所述第一流体容器和所述第二流体容器对所述可动叶片施加压力以抵抗移动。1
51.根据上述权利要求中的任一项所述的用于移动物体的方法，其中，所述计算机包括处理器、存储器、传感器输入以及软件程序。
52.根据上述权利要求中的任一项所述的用于移动物体的方法，其中，所述软件程序处理来自下列传感器的输入位置传感器以及来自所述第一流体容器和所述第二流体容器的压力传感器。
53.根据上述权利要求中的任一项所述的用于移动物体的方法，其中，所述软件程序处理来自下列传感器的输入风传感器和温度传感器。
54.根据上述权利要求中的任一项所述的用于移动物体的方法，其中，所述计算机基于软件程序处理输入将启动信号发送给所述阀。
55.一种用于沿一个轴线移动物体的系统，该系统包括用于所述物体的支撑结构；滚筒，该滚筒以可操作方式连接至所述支撑结构；轴，该轴轴向穿过所述滚筒的中心；一个或更多个用于所述轴的支撑件，使得所述轴可在所述滚筒内自由转动； 轴叶片，该轴叶片固定至所述轴，所述轴叶片沿着所述轴纵向延伸并且径向延伸到所述滚筒的内壁；滚筒叶片，该滚筒叶片固定至所述滚筒，所述滚筒叶片沿着所述滚筒的所述内壁纵向延伸并且朝向所述轴的外表面径向延伸；两个流体可膨胀容器，所述两个流体可膨胀容器放置在所述滚筒内部并且撞击所述滚筒叶片和固定至所述滚筒的所述轴叶片，使得所述两个流体可膨胀容器中的一个的膨胀同时对所述轴叶片和所述滚筒叶片施加力；两个柱塞，所述两个柱塞具有弧形外表面，所述两个柱塞中的每一个均连接至所述滚筒叶片或所述轴叶片中的一个，其中，在所述柱塞的所述弧形外表面上由所述一个或更多个流体可膨胀容器形成一个或更多个卷叶；一个或更多个控制阀，所述一个或更多个控制阀以可操作方式连接至所述一个或更多个流体可膨胀容器，用于使所述流体可膨胀容器中的每一个加压；压缩流体源，该压缩流体源以可操作方式连接至所述一个或更多个控制阀中的每一个，用于使所述流体可膨胀容器中的每一个加压；以及其中，所述轴叶片或所述滚筒叶片中的一个响应于所施加的力沿径向移动并且移动所述物体。
56.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的系统，其中，所述支撑件包括轴承，该轴承包括三个或更多个脚轮，所述脚轮直接或间接安装在所述滚筒上，用于支撑所述轴并且允许所述轴在所述滚筒内自由旋转。
57.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的系统，其中，每个脚轮均可调整以在所述脚轮和所述轴之间产生容隙，并且每个脚轮均通过一个或更多个螺栓安装至所述滚筒。
58.一种供在物体的非线性可重复运动中使用的非线性致动器，该非线性致动器包括非线性柱塞，该非线性柱塞具有中间部分，该中间部分具有弓形外表面，其中所述非线性柱塞以可操作方式连接至待移动的所述物体；流体可膨胀容器，该流体可膨胀容器以可操作方式连接至所述柱塞，所述流体可膨胀容器具有柔性膜，其中该柔性膜被卷绕在所述柱塞的所述弓形外表面上，使得使所述流体可膨胀容器膨胀致使所述柔性膜的一部分从所述柱塞的所述弓形外表面展开，并且该膨胀也对所述柱塞施加力从而导致所述物体以非线性运动方式移动；致动器，其中该致动器使所述流体可膨胀容器加压，以使得所述物体以非线性运动方式移动。
59.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括对所述柱塞施加相反力的装置；电子位置传感器，该电子位置传感器用于确定所述物体的位置；以及计算机，该计算机具有处理器和存储器，所述计算机通过响应于从所述电子位置传感器接收到的信号而向所述致动器发信号来控制所述物体的运动。
60.根据上述权利要求中的一项或更多项所述的非线性致动器，该非线性致动器还包括扭转弹簧，其中该扭转弹簧对所述柱塞施加相反力。
全文摘要
一种用于沿一个轴线移动物体的系统和方法的实施方式包括一个或多个流体可膨胀容器，所述一个或多个流体可膨胀容器布置成向柱塞传输流体压力，使得所述流体可膨胀容器的柔性膜和所述柱塞接合并且响应于体积的变化形成卷叶。所述流体可膨胀容器被封闭在罩壳或滚筒内，并且轴轴向穿过所述罩壳的中心。所述系统还包括一个或多个控制阀，所述一个或多个控制阀以可操作方式连接至所述一个或多个流体可膨胀容器用于控制所述一个或多个容器中的流体的体积。通过改变所述一个或多个容器中的流体的体积来移动所述物体。在一个实施方式中，使用弧形柱塞来帮助产生所述卷叶。
文档编号F15B13/042GK102405353SQ201080015599
公开日2012年4月4日 申请日期2010年1月27日 优先权日2009年2月10日
发明者乔纳森·N·布利茨, 彼得·奇尔德斯, 罗纳德·德雷珀, 詹姆斯·卡鲁西 申请人:Cbe环球控股公司