便攜式太陽能光伏供電系統(tǒng)外觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙+三維SW+文檔】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 一種又輕又小的可調(diào)節(jié)硬件的新機械結(jié)構(gòu) 在本文中，我們提出了輕量化、小型剛度可調(diào)器件的新結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用滾珠絲杠機構(gòu)調(diào)整關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)無窮小位移和線性彈簧之間的關(guān)系。然后，在接頭剛度調(diào)整。不像許多其他的剛度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，彈性元件的彈性能量最大可用的擬議結(jié)構(gòu)的剛度最大時。因此，這種結(jié)構(gòu)的彈性元件可比其它結(jié)構(gòu)更小、更輕。所提出的結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是，需要較少和較小的機械部分，因為該機制大多需要滾珠絲杠機構(gòu)和線性彈簧。我們開發(fā)了一個實際的硬件測試所提出的結(jié)構(gòu)。 指數(shù)條款可調(diào)剛度，新機制，重量輕，小 I 引言 A.剛度調(diào)整在科學和技術(shù)的領(lǐng)域 人類和動物巧妙地產(chǎn)生著運動。很多因素似乎有助于靈巧的動作。已經(jīng)有研究了人類和動物的運動，他們的肌肉和肌腱的剛度調(diào)整，其中一個因素可能是利用剛度調(diào)整。因此，調(diào)整機械剛度是從科學的角度來看一個有趣的問題。 在機器人領(lǐng)域，具有很高的齒輪減速電機是產(chǎn)生運動的機器人的傳統(tǒng)。研究人員還提出了機器人的電機驅(qū)動控制方法。電機和控制方法的進步，使得機器人的能力增強。然而，要讓電動執(zhí)行器的能力似乎幾乎達到極限，以及執(zhí)行能力很快的進步不可能短期實現(xiàn)。此外，最近的一些執(zhí)行任務(wù)的機器人，由于高減速齒輪的機器人的關(guān)節(jié)很僵硬似乎不適用于現(xiàn)有的機器人[ 1 ]。因此，研究人員最近試圖調(diào)查出替代方式來生成機器人的運動。一個重要的途徑是利用機械彈性元件。 從能源效率的角度出發(fā)，利用彈性元件也有效，因為機械系統(tǒng)共振可以節(jié)省能源而產(chǎn)生的周期性運動的機器人。 B.共振為基礎(chǔ)的控制方法 我們提出了共振為基礎(chǔ)的控制方法，利用機械彈性元件安裝在多關(guān)節(jié)機器人各關(guān)節(jié)的剛度[ 2 ]在線調(diào)整，[ 3 ]，[ 4 ]，[ 5 ]，[ 6 ]。該控制器可以產(chǎn)生多關(guān)節(jié)機器人的周期性運動，而通過調(diào)整剛度減少執(zhí)行機構(gòu)的扭矩。我們試圖延長共振的概念引入到多關(guān)節(jié)機器人[ 2 ]，[ 3 ]。所設(shè)計的控制器可以保證控制系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性[ 2 ]。此外，不僅剛度調(diào)整，而且運動模式調(diào)整減少執(zhí)行機構(gòu)的扭矩[ 3 ]，[ 4 ]。這種控制器能減少步行運動[ 5 ] 90 % 以上的致動器轉(zhuǎn)矩。該控制方法的應(yīng)用是人類行走的支持系統(tǒng)[ 6 ]，用于節(jié)能的工業(yè)機器人和步行/跑步機器人?，F(xiàn)在，我們正在開發(fā)的硬件有腿機器人如圖1所示。機器人的目的是利用共振的運行控制方法。因此，需要在機器人各關(guān)節(jié)的剛度設(shè)可調(diào)裝置的裝備。 然而，如果我們使用一些結(jié)構(gòu)剛度可調(diào)裝置，它就可以為機器人運行引起剛度可調(diào)的設(shè)備重量大增。因此，我們需要剛度可調(diào)裝置具有重量輕，體積小，可安裝在多關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)。 C.剛度調(diào)整工作 為了開發(fā)剛度可調(diào)裝置，有不少研究人員提出了機械結(jié)構(gòu)[ 7 ]，[ 8 ]，[ 9 ]，[ 10 ]，[ 11 ]，[ 12 ]，[ 13 ]，[ 14 ]。 對于剛度調(diào)整的一個簡單的方法是用不同的彈性元件的有效長度來實現(xiàn)。例如，鋼板彈簧的有效長度可以移動滑塊調(diào)整線性[ 7 ]。 另一種方法是利用兩個非線性彈性元件[ 8 ]，[ 9 ]。兩個非線性彈性元件安裝在一個共同對抗性結(jié)構(gòu)處，然后，將兩個彈性元件裝在接頭進行剛度調(diào)整。 圖1 開發(fā)步行機器人 這種結(jié)構(gòu)是相似于人類，但是人類可以通過拮抗肌有限收縮調(diào)整關(guān)節(jié)僵硬。對于這種結(jié)構(gòu)，如何使彈性元件的非線性成為一個關(guān)鍵問題。K.小金澤發(fā)明出實現(xiàn)非線性的旋轉(zhuǎn)彈簧和錐度[ 8 ]。旋轉(zhuǎn)的彈簧，使彈簧纏繞圓錐。然后，彈簧的剛度取決于旋轉(zhuǎn)角的大小。H. noborisaka等人實現(xiàn)了利用線性彈簧控制非線性線[ 9 ]。 在另一種方法中，是用不同的預(yù)緊力和彈性元件的剛度調(diào)整預(yù)緊力來實現(xiàn)的。這種結(jié)構(gòu)不需要兩個彈性元件，所以關(guān)節(jié)只有一個彈性元件。B. vanderborght等人提出了一種簡單的結(jié)構(gòu)稱為MACCEPA，就是基于這種機制[ 10 ]。美國Wolf等人還提出了這種結(jié)構(gòu)稱為與關(guān)節(jié)[ 11 ]。 然而，在上述結(jié)構(gòu)的情況下，當剛度最大時，彈性元件的可用彈性能量最小。然后，我們需要較大和較重的彈性元件，因為存儲的彈性能量和重量與彈性元件的大小成正比，而彈性元件的變形位移和可存儲的彈性能量的平方成正比。因此，如果我們解決了這個問題，我們可以開發(fā)更小、更輕的剛度可調(diào)裝置。 用不同關(guān)系的聯(lián)合旋轉(zhuǎn)和彈性元件的無窮小位移之間可以解決這個問題，因為這種結(jié)構(gòu)的彈性能量甚至可以在最大剛度的情況下達到最大。例如，改變彈簧力矩臂長度來調(diào)整無窮小與周圍關(guān)節(jié)僵硬的關(guān)系，。然后，無負載作用時達到彈簧剛度最大的要求。聯(lián)合國N. Takesue提出了一個可調(diào)剛度結(jié)構(gòu)，利用這種機制結(jié)構(gòu)變化的線性彈簧一側(cè)的位置的關(guān)系來調(diào)整無窮小。然后，線性彈簧的彈性能量就可以在最大剛度的情況下達到最大。然而，這種結(jié)構(gòu)是設(shè)為平移接頭，因此，我們不能直接使用這個結(jié)構(gòu)，我們的腿式機器人應(yīng)該用旋轉(zhuǎn)接頭。另外，不同的線性彈簧一側(cè)的位置似乎需要更大的工作空間。V. Duindam等人提出了一個理想的剛度可調(diào)的結(jié)構(gòu)，利用無窮小的關(guān)系來調(diào)整。這種結(jié)構(gòu)是由一個靈活的凸輪和線性彈簧組成。在這種情況下，無窮小的關(guān)系是通過改變凸輪的形狀來調(diào)整。然而，這種靈活的凸輪是很大的，所以要求工作空間較大。此外，這種結(jié)構(gòu)目前只是一個概念。因此，沒有詳細的討論和具體的分析，就還不能用于實際的硬件設(shè)備。 因此，如果我們能做出更小的設(shè)備，運用不同的無窮小的關(guān)系，就可以開發(fā)出具有重量輕，體積小，剛度可調(diào)裝置。 D. 本次研究 在本文中，我們提出了一個新的機械結(jié)構(gòu)，運用各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的無窮小位移和采用滾珠絲杠機構(gòu)線性彈簧之間的關(guān)系。然后，當剛度的聯(lián)合最大時彈簧的彈性能量最大可用。 因此，所提出的結(jié)構(gòu)的彈性元件可輕和而小。另一個優(yōu)點是，滾珠絲杠機構(gòu)不需要很多的機械部件和很大的工作空間。此外，所提出的結(jié)構(gòu)的剛度可以調(diào)整從0到最大的一個理論值。因此，剛度可調(diào)范圍很大。 本文分析了該結(jié)構(gòu)的一些特點。我們開發(fā)利用了所提出的實際硬件結(jié)構(gòu)，并進行了一個實驗來測試開發(fā)的硬件。 II 提出的結(jié)構(gòu) 本節(jié)將介紹機械結(jié)構(gòu)的細節(jié)。 A.結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)采用滾珠絲杠機構(gòu)和一個線性彈簧如圖2所示。滾珠絲杠機構(gòu)剛性地連接到旋轉(zhuǎn)軸，它固定在接頭的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。彈簧的一側(cè)連接到前面的鏈接。彈簧的另一端連接到滾珠絲杠螺母。從接頭的彈簧一側(cè)的長度應(yīng)大于從接頭的長度L > R.螺母的位置可以通過旋轉(zhuǎn)的滾珠螺桿機構(gòu)調(diào)整螺桿。電機轉(zhuǎn)動螺絲。 B.剛度調(diào)節(jié)原理 剛度調(diào)整的原則如下。當我們調(diào)整長度從接頭螺母R通過移動螺母的位置時，運用關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)Q無窮小位移關(guān)系的方法，在節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度調(diào)整。 圖2 提出機制 C.數(shù)學分析 在這里，我們分析了關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的剛度以得出其剛度調(diào)節(jié)的定量特征，首先，我們計算了彈簧長度 其中L是從接頭連接到前連接彈簧的一側(cè)的長度。 彈性能量的線性彈簧是由 是線性彈簧的剛度，ls0是彈簧的自然長度。 在接頭的彈簧扭矩通過對彈性能量U相對于關(guān)節(jié)角度計算： 關(guān)節(jié)周圍KQ剛度通過對轉(zhuǎn)矩的相對于關(guān)節(jié)角度計算： 因此，剛度可以通過不同長度的R在方程（4）所示調(diào)整。剛度是一個非線性函數(shù)R。然而，如果在方程（4）右邊的式子通過不同長度的R有很大程度上的變化，剛度是由不同長度鋼筋剛度的線性來調(diào)整的，也是角剛度非線性的KQ，在第四節(jié)所示用一個具體的例子說明，一個非線性函數(shù)。 D.提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 所提出的結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點。 重量和線性彈簧尺寸：最重要的優(yōu)勢是，我們可以在該結(jié)構(gòu)使用更小、更輕的線性彈簧。首先，我們考慮的線性彈簧的彈性能量Uava 可儲存的彈性能，Umax的彈簧可以最大限度的設(shè)為沒有塑性變形。線性彈簧的最大長度取決于存儲的彈性能量 在方程（2）所示，彈簧的彈簧變形勢能U的增加而增大。如果可用的彈性能量Uava較小，彈簧的塑性變形會附加較小的變形。因此，如何保證彈性能量Uava大而且有效是非常重要的。然而，增加儲存的彈性能量會線性影響體重和線性彈簧尺寸。另一方面，所提出的結(jié)構(gòu)的剛度在最大的長度r時，這種情況下，平衡角q = 0的彈簧長度Ls最小，在方程（1）所示，彈簧U最小時，在方程中所示的彈性能量最小。 所以，所提出結(jié)構(gòu)的有效彈性能量Uava最大時可用剛度最大，在許多其他結(jié)構(gòu)中，彈性元件的彈性能量最小時可用剛度最大。例如，在有效長度調(diào)整[ 7 ]的情況下，增加的剛度可使彈性能量減小，因為剛度增加了彈性元件的有效長度會縮短。在其他一些結(jié)構(gòu)[ 8 ]，[ 9 ]，[ 10 ]，[ 11 ]中，可用彈性能量也是最低時，剛度最大，因為剛度提高，增加作用在彈性元件上的載荷。因此，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是線性彈簧可以更小、更輕，對于以上結(jié)構(gòu)來說。 我們不需要擔心低剛度的情況下會由于關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)Q的線性彈簧LS的變形剛度低的情況下變得更小。因此，即使可用的彈性能量Uava在低剛度的情況下，也減少了，我們不需要使用大彈簧。 2）機械結(jié)構(gòu)簡單：所提出的另一個重要的優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)簡單。所提出的結(jié)構(gòu)是由幾乎只有球螺旋機構(gòu)和線性彈簧。滾珠絲杠機構(gòu)可以不那么大，不需要太多的機械零件。因此，擬議的結(jié)構(gòu)可以施工方便和更小。 3）可調(diào)剛度范圍：在方程（4）所示，所提出的結(jié)構(gòu)的剛度可以調(diào)整從0到最大的不同長度的R。因此，對該結(jié)構(gòu)的剛度可調(diào)范圍很大。如果我們不同的長度從實驗，我們可以實現(xiàn)甚至負剛度。這種特征可能會得到一些有利的應(yīng)用。 4）低操縱靈活性：低操縱靈活性的滾珠絲杠機構(gòu)在某些情況下是有利的，因為保持恒定的剛度只消耗能量小的剛度調(diào)整裝置的致動器。它是已知的，滾珠絲杠機構(gòu)可以具有低的操縱靈活性。 5）低摩擦：當我們保持一個恒定的剛度，所提出的結(jié)構(gòu)幾乎沒有滑動部分。因此，低摩擦也是所提出結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。 6）工作空間：該結(jié)構(gòu)不需要那么大的工作空間，因為滾珠絲杠機構(gòu)和彈簧運動空間很小。這也是所提出的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。 III 開發(fā)的硬件 我們開發(fā)了一個硬件如圖3所示，來驗證所提出的結(jié)構(gòu)的有效性。 圖3 開發(fā)硬件 A. 機械部分 所開發(fā)的硬件的機械部件，如圖4所示。我們采用航空鋁框架作為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)和前鏈接。我們使用了一個數(shù)控機床工具切出的基部和螺母絲杠機構(gòu)，和軸承保持器和從鋁塊的關(guān)節(jié)軸架。旋轉(zhuǎn)軸，線性彈簧，螺釘，軸承，絲和彈簧后的商品化的產(chǎn)品。滾珠絲杠機構(gòu)連接到旋轉(zhuǎn)軸剛性。旋轉(zhuǎn)軸連接到剛性基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。 B.的尺寸和重量 機械零件的尺寸如下。鋁框架的高度和寬度分別為2 [厘米]，底座的鏈路長度為15 [厘米]，前面的鏈路長度為18 [厘米]。彈簧的鋼絲直徑為2.5 [毫米]，彈簧的線圈的總數(shù)是23，線圈的平均粒徑為16 [毫米]，和彈簧包括鉤長度為9 [厘米]。滾珠絲杠副的基部的寬度和長度是14 [毫米]，51 [毫米]。 機械部分的重量如下。與接頭的連接重量為223 [克]。彈簧的重量為51 [克]。對滾珠絲杠機構(gòu)包括螺釘和螺母重量為37 [克]。所有部件的總重量是311 [克]。 開發(fā)的剛度可調(diào)裝置比用接頭的連接更小、更輕。因此，該裝置可安裝在多關(guān)節(jié)機器人或步行機器人各關(guān)節(jié)。 C.規(guī)格彈簧 彈簧可延長52 [毫米]沒有塑性變形。因此，我們可在最大剛度的情況下旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)超過半徑。在較低的剛度的情況下，我們還可以旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)超過一圈。從接頭到彈簧的一側(cè)的長度是19 [厘米]。線性彈簧的剛度為4.570 N KL / [毫米]。彈簧的ls0自然長度為9 [厘米]。 圖4 機械零件 彈簧可以被動地對接頭施加超過7 [N*m]的扭矩。 D.滾珠螺桿機構(gòu) 滾珠絲杠機構(gòu)可以通過旋轉(zhuǎn)螺桿調(diào)節(jié)螺母的位置。然后，長度可以從34調(diào)整到0 mm。 我們可以計算出需要的扭矩 R，這是需要轉(zhuǎn)動螺桿，利用虛功原理。 螺絲的一個旋轉(zhuǎn)角，螺母移動0.8 [毫米]通過旋轉(zhuǎn)螺旋2圈。然后Ls和Qr滿足。彈簧最大限度地能對螺母發(fā)揮234 [N]的力。因此，螺桿轉(zhuǎn)動最大需要0.030 [nm]的力矩。 E.直流電動機剛度調(diào)節(jié) 我們讓以下的變速箱直流電機的滾珠絲杠副螺桿旋轉(zhuǎn)。直流電機的產(chǎn)品名稱是“re16“麥克森公司開發(fā)。直流電動機的規(guī)格如下。 額定功率為4.5 W，額定角速度是1466 [弧度/秒]，額定扭矩0.00442 [N*m]的，和最大扭矩0.035 [N*m]。變速箱的產(chǎn)品名稱為“GP 16“。變速箱的減速比為1。然后，我們可以通過與變速箱的直流電動機產(chǎn)生0.13 [N*m]的額定轉(zhuǎn)矩和1 [N*m]最大轉(zhuǎn)矩的螺絲。因此，齒輪箱電機轉(zhuǎn)動螺釘滿足條件。 圖5 直流電機滾珠螺桿機構(gòu) 在直流電機的額定角速度的情況下，螺桿的角速度為8轉(zhuǎn)/秒。然后，螺母移動的速度為6.4毫米/秒。因此，調(diào)整剛度從最小到最大要求在額定角速度的情況下，約5轉(zhuǎn)/秒。在電機中假設(shè)有一個光學編碼器作為角傳感器。變速器和編碼器的運動半徑為16 [毫米]，他們的總長度是68 [毫米]，它們的重量是80 [克]。因此，我們可以將電機與變速箱的滾珠螺桿機構(gòu)設(shè)計如圖5所示。 剛度可調(diào)裝置，重量包括電機一共是168 [克]。這個重量合適于圖1的步行/跑步機器人。 F.調(diào)整平衡角 這取決于應(yīng)用程序，我們需要調(diào)整聯(lián)合均衡角。在這種情況下，我們可以通過球關(guān)節(jié)周圍的旋轉(zhuǎn)來調(diào)整螺桿機構(gòu)平衡角。然后，平衡角的旋轉(zhuǎn)角度對滾珠絲杠機構(gòu)進行線性調(diào)整，并且轉(zhuǎn)動絲杠機構(gòu)需要一個執(zhí)行器。 四、實驗 我們進行了一個實驗來測試開發(fā)的硬件。 A.條件 我們測量了已生產(chǎn)產(chǎn)品的剛度可調(diào)裝置的扭矩。由于該結(jié)構(gòu)是對稱的，關(guān)節(jié)的一側(cè)旋轉(zhuǎn)扭矩和另一側(cè)相同。因此，我們只測量一側(cè)的旋轉(zhuǎn)扭矩（q＞0）。從接頭螺母調(diào)整的長度為R = 34，23，17，11，8，4，0 [毫米]。我們測量扭矩角Q范圍是 到。比較測得的轉(zhuǎn)矩和理論，并帶入計算方程（4）。 圖6 實驗結(jié)果 我們還測量轉(zhuǎn)動的滾珠絲杠副螺旋的扭矩，并檢查低操縱靈活性的滾珠絲杠機構(gòu)。 B.結(jié)果 實驗結(jié)果與理論比較如圖6顯示，可以通過改變螺母R來調(diào)節(jié)剛度.測量轉(zhuǎn)矩基本與理論位置調(diào)整一樣。我們可以通過改進實驗條件，提高實驗的準確性，因為我們是手動測量扭矩。由剛度的非線性函數(shù)R在方程（4）所示，在R = 34 [毫米]時，一些區(qū)域的剛度比其他情況下小。然而，在R = 34 [毫米]時的剛度是大于其他情況下的。在其他情況下，剛度是由不同的R決定的。盡管剛度也是用非線性函數(shù)來線性調(diào)整，非線性的實驗測量位置并沒有那么準確。在R = 0時，我們測量的轉(zhuǎn)矩甚至理論值為0，原因可能是螺桿與螺母之間的物理干擾。 旋轉(zhuǎn)的滾珠絲杠機構(gòu)所需的最大扭矩wie0.15 [N*m]。由于在第iii-d處理論值為0.030 [N*m]，所以測得的轉(zhuǎn)矩比理論更大。產(chǎn)生這種差異的原因可能是滾珠絲杠副的摩擦。由于彈簧力對滾珠絲杠副螺母扭矩較大，使得螺母與螺桿之間的摩擦大大增加。所以，執(zhí)行器在III-E部分只可以最大限度地發(fā)揮1 [N*m]的扭矩。因此，我們可以通過旋轉(zhuǎn)，假定滾珠絲杠機構(gòu)制動器在第iii-e部分。 螺母固定時，幾乎所有的彈簧轉(zhuǎn)矩和滾珠絲杠機構(gòu)都有很低的操縱靈活性。 因此，開發(fā)的硬件不需要消耗能量就能保持恒定的剛度。 五、結(jié)論 本文提出了一種新的更輕更小的機械結(jié)構(gòu)剛度可調(diào)裝置。所提出的結(jié)構(gòu)是由滾珠螺旋機構(gòu)和線性彈簧組成。然后，該結(jié)構(gòu)不需要很多的機械零件。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是彈簧的彈性能量最大時可用剛度最大。因此，所提出結(jié)構(gòu)的彈簧可以比許多其他結(jié)構(gòu)更小、更輕。 我們有效性的驗證了所提出結(jié)構(gòu)的一個實際的硬件。 參考文獻 [1] A. 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