便携式太阳能光伏供电系统外观与结构设计【含CAD图纸+三维SW+文档】

资源目录里展示的全都有，所见即所得。下载后全都有,请放心下载。原稿可自行编辑修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑问可加】 一种又轻又小的可调节硬件的新机械结构 在本文中，我们提出了轻量化、小型刚度可调器件的新结构。该结构利用滚珠丝杠机构调整关节旋转无穷小位移和线性弹簧之间的关系。然后，在接头刚度调整。不像许多其他的刚度可调的结构，弹性元件的弹性能量最大可用的拟议结构的刚度最大时。因此，这种结构的弹性元件可比其它结构更小、更轻。所提出的结构的另一个优点是，需要较少和较小的机械部分，因为该机制大多需要滚珠丝杠机构和线性弹簧。我们开发了一个实际的硬件测试所提出的结构。 指数条款可调刚度，新机制，重量轻，小 I 引言 A.刚度调整在科学和技术的领域 人类和动物巧妙地产生着运动。很多因素似乎有助于灵巧的动作。已经有研究了人类和动物的运动，他们的肌肉和肌腱的刚度调整，其中一个因素可能是利用刚度调整。因此，调整机械刚度是从科学的角度来看一个有趣的问题。 在机器人领域，具有很高的齿轮减速电机是产生运动的机器人的传统。研究人员还提出了机器人的电机驱动控制方法。电机和控制方法的进步，使得机器人的能力增强。然而，要让电动执行器的能力似乎几乎达到极限，以及执行能力很快的进步不可能短期实现。此外，最近的一些执行任务的机器人，由于高减速齿轮的机器人的关节很僵硬似乎不适用于现有的机器人[ 1 ]。因此，研究人员最近试图调查出替代方式来生成机器人的运动。一个重要的途径是利用机械弹性元件。 从能源效率的角度出发，利用弹性元件也有效，因为机械系统共振可以节省能源而产生的周期性运动的机器人。 B.共振为基础的控制方法 我们提出了共振为基础的控制方法，利用机械弹性元件安装在多关节机器人各关节的刚度[ 2 ]在线调整，[ 3 ]，[ 4 ]，[ 5 ]，[ 6 ]。该控制器可以产生多关节机器人的周期性运动，而通过调整刚度减少执行机构的扭矩。我们试图延长共振的概念引入到多关节机器人[ 2 ]，[ 3 ]。所设计的控制器可以保证控制系统的全局稳定性[ 2 ]。此外，不仅刚度调整，而且运动模式调整减少执行机构的扭矩[ 3 ]，[ 4 ]。这种控制器能减少步行运动[ 5 ] 90 % 以上的致动器转矩。该控制方法的应用是人类行走的支持系统[ 6 ]，用于节能的工业机器人和步行/跑步机器人。现在，我们正在开发的硬件有腿机器人如图1所示。机器人的目的是利用共振的运行控制方法。因此，需要在机器人各关节的刚度设可调装置的装备。 然而，如果我们使用一些结构刚度可调装置，它就可以为机器人运行引起刚度可调的设备重量大增。因此，我们需要刚度可调装置具有重量轻，体积小，可安装在多关节机器人的关节。 C.刚度调整工作 为了开发刚度可调装置，有不少研究人员提出了机械结构[ 7 ]，[ 8 ]，[ 9 ]，[ 10 ]，[ 11 ]，[ 12 ]，[ 13 ]，[ 14 ]。 对于刚度调整的一个简单的方法是用不同的弹性元件的有效长度来实现。例如，钢板弹簧的有效长度可以移动滑块调整线性[ 7 ]。 另一种方法是利用两个非线性弹性元件[ 8 ]，[ 9 ]。两个非线性弹性元件安装在一个共同对抗性结构处，然后，将两个弹性元件装在接头进行刚度调整。 图1 开发步行机器人 这种结构是相似于人类，但是人类可以通过拮抗肌有限收缩调整关节僵硬。对于这种结构，如何使弹性元件的非线性成为一个关键问题。K.小金泽发明出实现非线性的旋转弹簧和锥度[ 8 ]。旋转的弹簧，使弹簧缠绕圆锥。然后，弹簧的刚度取决于旋转角的大小。H. noborisaka等人实现了利用线性弹簧控制非线性线[ 9 ]。 在另一种方法中，是用不同的预紧力和弹性元件的刚度调整预紧力来实现的。这种结构不需要两个弹性元件，所以关节只有一个弹性元件。B. vanderborght等人提出了一种简单的结构称为MACCEPA，就是基于这种机制[ 10 ]。美国Wolf等人还提出了这种结构称为与关节[ 11 ]。 然而，在上述结构的情况下，当刚度最大时，弹性元件的可用弹性能量最小。然后，我们需要较大和较重的弹性元件，因为存储的弹性能量和重量与弹性元件的大小成正比，而弹性元件的变形位移和可存储的弹性能量的平方成正比。因此，如果我们解决了这个问题，我们可以开发更小、更轻的刚度可调装置。 用不同关系的联合旋转和弹性元件的无穷小位移之间可以解决这个问题，因为这种结构的弹性能量甚至可以在最大刚度的情况下达到最大。例如，改变弹簧力矩臂长度来调整无穷小与周围关节僵硬的关系，。然后，无负载作用时达到弹簧刚度最大的要求。联合国N. Takesue提出了一个可调刚度结构，利用这种机制结构变化的线性弹簧一侧的位置的关系来调整无穷小。然后，线性弹簧的弹性能量就可以在最大刚度的情况下达到最大。然而，这种结构是设为平移接头，因此，我们不能直接使用这个结构，我们的腿式机器人应该用旋转接头。另外，不同的线性弹簧一侧的位置似乎需要更大的工作空间。V. Duindam等人提出了一个理想的刚度可调的结构，利用无穷小的关系来调整。这种结构是由一个灵活的凸轮和线性弹簧组成。在这种情况下，无穷小的关系是通过改变凸轮的形状来调整。然而，这种灵活的凸轮是很大的，所以要求工作空间较大。此外，这种结构目前只是一个概念。因此，没有详细的讨论和具体的分析，就还不能用于实际的硬件设备。 因此，如果我们能做出更小的设备，运用不同的无穷小的关系，就可以开发出具有重量轻，体积小，刚度可调装置。 D. 本次研究 在本文中，我们提出了一个新的机械结构，运用各关节旋转的无穷小位移和采用滚珠丝杠机构线性弹簧之间的关系。然后，当刚度的联合最大时弹簧的弹性能量最大可用。 因此，所提出的结构的弹性元件可轻和而小。另一个优点是，滚珠丝杠机构不需要很多的机械部件和很大的工作空间。此外，所提出的结构的刚度可以调整从0到最大的一个理论值。因此，刚度可调范围很大。 本文分析了该结构的一些特点。我们开发利用了所提出的实际硬件结构，并进行了一个实验来测试开发的硬件。 II 提出的结构 本节将介绍机械结构的细节。 A.结构 该结构采用滚珠丝杠机构和一个线性弹簧如图2所示。滚珠丝杠机构刚性地连接到旋转轴，它固定在接头的基础环节。弹簧的一侧连接到前面的链接。弹簧的另一端连接到滚珠丝杠螺母。从接头的弹簧一侧的长度应大于从接头的长度L > R.螺母的位置可以通过旋转的滚珠螺杆机构调整螺杆。电机转动螺丝。 B.刚度调节原理 刚度调整的原则如下。当我们调整长度从接头螺母R通过移动螺母的位置时，运用关节的旋转Q无穷小位移关系的方法，在节点转动刚度调整。 图2 提出机制 C.数学分析 在这里，我们分析了关节结构的刚度以得出其刚度调节的定量特征，首先，我们计算了弹簧长度 其中L是从接头连接到前连接弹簧的一侧的长度。 弹性能量的线性弹簧是由 是线性弹簧的刚度，ls0是弹簧的自然长度。 在接头的弹簧扭矩通过对弹性能量U相对于关节角度计算： 关节周围KQ刚度通过对转矩的相对于关节角度计算： 因此，刚度可以通过不同长度的R在方程（4）所示调整。刚度是一个非线性函数R。然而，如果在方程（4）右边的式子通过不同长度的R有很大程度上的变化，刚度是由不同长度钢筋刚度的线性来调整的，也是角刚度非线性的KQ，在第四节所示用一个具体的例子说明，一个非线性函数。 D.提出结构的优势 所提出的结构具有以下优点。 重量和线性弹簧尺寸：最重要的优势是，我们可以在该结构使用更小、更轻的线性弹簧。首先，我们考虑的线性弹簧的弹性能量Uava 可储存的弹性能，Umax的弹簧可以最大限度的设为没有塑性变形。线性弹簧的最大长度取决于存储的弹性能量 在方程（2）所示，弹簧的弹簧变形势能U的增加而增大。如果可用的弹性能量Uava较小，弹簧的塑性变形会附加较小的变形。因此，如何保证弹性能量Uava大而且有效是非常重要的。然而，增加储存的弹性能量会线性影响体重和线性弹簧尺寸。另一方面，所提出的结构的刚度在最大的长度r时，这种情况下，平衡角q = 0的弹簧长度Ls最小，在方程（1）所示，弹簧U最小时，在方程中所示的弹性能量最小。 所以，所提出结构的有效弹性能量Uava最大时可用刚度最大，在许多其他结构中，弹性元件的弹性能量最小时可用刚度最大。例如，在有效长度调整[ 7 ]的情况下，增加的刚度可使弹性能量减小，因为刚度增加了弹性元件的有效长度会缩短。在其他一些结构[ 8 ]，[ 9 ]，[ 10 ]，[ 11 ]中，可用弹性能量也是最低时，刚度最大，因为刚度提高，增加作用在弹性元件上的载荷。因此，该结构的优点是线性弹簧可以更小、更轻，对于以上结构来说。 我们不需要担心低刚度的情况下会由于关节的旋转Q的线性弹簧LS的变形刚度低的情况下变得更小。因此，即使可用的弹性能量Uava在低刚度的情况下，也减少了，我们不需要使用大弹簧。 2）机械结构简单：所提出的另一个重要的优点是机械结构简单。所提出的结构是由几乎只有球螺旋机构和线性弹簧。滚珠丝杠机构可以不那么大，不需要太多的机械零件。因此，拟议的结构可以施工方便和更小。 3）可调刚度范围：在方程（4）所示，所提出的结构的刚度可以调整从0到最大的不同长度的R。因此，对该结构的刚度可调范围很大。如果我们不同的长度从实验，我们可以实现甚至负刚度。这种特征可能会得到一些有利的应用。 4）低操纵灵活性：低操纵灵活性的滚珠丝杠机构在某些情况下是有利的，因为保持恒定的刚度只消耗能量小的刚度调整装置的致动器。它是已知的，滚珠丝杠机构可以具有低的操纵灵活性。 5）低摩擦：当我们保持一个恒定的刚度，所提出的结构几乎没有滑动部分。因此，低摩擦也是所提出结构的优点。 6）工作空间：该结构不需要那么大的工作空间，因为滚珠丝杠机构和弹簧运动空间很小。这也是所提出的结构的优点。 III 开发的硬件 我们开发了一个硬件如图3所示，来验证所提出的结构的有效性。 图3 开发硬件 A. 机械部分 所开发的硬件的机械部件，如图4所示。我们采用航空铝框架作为基础环节和前链接。我们使用了一个数控机床工具切出的基部和螺母丝杠机构，和轴承保持器和从铝块的关节轴架。旋转轴，线性弹簧，螺钉，轴承，丝和弹簧后的商品化的产品。滚珠丝杠机构连接到旋转轴刚性。旋转轴连接到刚性基础环节。 B.的尺寸和重量 机械零件的尺寸如下。铝框架的高度和宽度分别为2 [厘米]，底座的链路长度为15 [厘米]，前面的链路长度为18 [厘米]。弹簧的钢丝直径为2.5 [毫米]，弹簧的线圈的总数是23，线圈的平均粒径为16 [毫米]，和弹簧包括钩长度为9 [厘米]。滚珠丝杠副的基部的宽度和长度是14 [毫米]，51 [毫米]。 机械部分的重量如下。与接头的连接重量为223 [克]。弹簧的重量为51 [克]。对滚珠丝杠机构包括螺钉和螺母重量为37 [克]。所有部件的总重量是311 [克]。 开发的刚度可调装置比用接头的连接更小、更轻。因此，该装置可安装在多关节机器人或步行机器人各关节。 C.规格弹簧 弹簧可延长52 [毫米]没有塑性变形。因此，我们可在最大刚度的情况下旋转关节超过半径。在较低的刚度的情况下，我们还可以旋转关节超过一圈。从接头到弹簧的一侧的长度是19 [厘米]。线性弹簧的刚度为4.570 N KL / [毫米]。弹簧的ls0自然长度为9 [厘米]。 图4 机械零件 弹簧可以被动地对接头施加超过7 [N*m]的扭矩。 D.滚珠螺杆机构 滚珠丝杠机构可以通过旋转螺杆调节螺母的位置。然后，长度可以从34调整到0 mm。 我们可以计算出需要的扭矩 R，这是需要转动螺杆，利用虚功原理。 螺丝的一个旋转角，螺母移动0.8 [毫米]通过旋转螺旋2圈。然后Ls和Qr满足。弹簧最大限度地能对螺母发挥234 [N]的力。因此，螺杆转动最大需要0.030 [nm]的力矩。 E.直流电动机刚度调节 我们让以下的变速箱直流电机的滚珠丝杠副螺杆旋转。直流电机的产品名称是“re16“麦克森公司开发。直流电动机的规格如下。 额定功率为4.5 W，额定角速度是1466 [弧度/秒]，额定扭矩0.00442 [N*m]的，和最大扭矩0.035 [N*m]。变速箱的产品名称为“GP 16“。变速箱的减速比为1。然后，我们可以通过与变速箱的直流电动机产生0.13 [N*m]的额定转矩和1 [N*m]最大转矩的螺丝。因此，齿轮箱电机转动螺钉满足条件。 图5 直流电机滚珠螺杆机构 在直流电机的额定角速度的情况下，螺杆的角速度为8转/秒。然后，螺母移动的速度为6.4毫米/秒。因此，调整刚度从最小到最大要求在额定角速度的情况下，约5转/秒。在电机中假设有一个光学编码器作为角传感器。变速器和编码器的运动半径为16 [毫米]，他们的总长度是68 [毫米]，它们的重量是80 [克]。因此，我们可以将电机与变速箱的滚珠螺杆机构设计如图5所示。 刚度可调装置，重量包括电机一共是168 [克]。这个重量合适于图1的步行/跑步机器人。 F.调整平衡角 这取决于应用程序，我们需要调整联合均衡角。在这种情况下，我们可以通过球关节周围的旋转来调整螺杆机构平衡角。然后，平衡角的旋转角度对滚珠丝杠机构进行线性调整，并且转动丝杠机构需要一个执行器。 四、实验 我们进行了一个实验来测试开发的硬件。 A.条件 我们测量了已生产产品的刚度可调装置的扭矩。由于该结构是对称的，关节的一侧旋转扭矩和另一侧相同。因此，我们只测量一侧的旋转扭矩（q＞0）。从接头螺母调整的长度为R = 34，23，17，11，8，4，0 [毫米]。我们测量扭矩角Q范围是 到。比较测得的转矩和理论，并带入计算方程（4）。 图6 实验结果 我们还测量转动的滚珠丝杠副螺旋的扭矩，并检查低操纵灵活性的滚珠丝杠机构。 B.结果 实验结果与理论比较如图6显示，可以通过改变螺母R来调节刚度.测量转矩基本与理论位置调整一样。我们可以通过改进实验条件，提高实验的准确性，因为我们是手动测量扭矩。由刚度的非线性函数R在方程（4）所示，在R = 34 [毫米]时，一些区域的刚度比其他情况下小。然而，在R = 34 [毫米]时的刚度是大于其他情况下的。在其他情况下，刚度是由不同的R决定的。尽管刚度也是用非线性函数来线性调整，非线性的实验测量位置并没有那么准确。在R = 0时，我们测量的转矩甚至理论值为0，原因可能是螺杆与螺母之间的物理干扰。 旋转的滚珠丝杠机构所需的最大扭矩wie0.15 [N*m]。由于在第iii-d处理论值为0.030 [N*m]，所以测得的转矩比理论更大。产生这种差异的原因可能是滚珠丝杠副的摩擦。由于弹簧力对滚珠丝杠副螺母扭矩较大，使得螺母与螺杆之间的摩擦大大增加。所以，执行器在III-E部分只可以最大限度地发挥1 [N*m]的扭矩。因此，我们可以通过旋转，假定滚珠丝杠机构制动器在第iii-e部分。 螺母固定时，几乎所有的弹簧转矩和滚珠丝杠机构都有很低的操纵灵活性。 因此，开发的硬件不需要消耗能量就能保持恒定的刚度。 五、结论 本文提出了一种新的更轻更小的机械结构刚度可调装置。所提出的结构是由滚珠螺旋机构和线性弹簧组成。然后，该结构不需要很多的机械零件。这种结构的优点是弹簧的弹性能量最大时可用刚度最大。因此，所提出结构的弹簧可以比许多其他结构更小、更轻。 我们有效性的验证了所提出结构的一个实际的硬件。 参考文献 [1] A. Bicchi, G. Tonietti, M. Bavaro, M. Piccigallo主编；“快速、安全的运动控制的变刚度致动器，对机器人的研究，第100-110国际研讨会，2003。 [2] M. Uemura, S. Kawamura主编：“基于共振多关节机器人的运动控制方法结合刚度适应迭代学习控制”，IEEE机器人与自动化国际会议（2009 icra2009），第1543-1548，2009。 [3] M. Uemura, S. Kawamura主编：“通过控制方法”共振的双足步行机器人的节能运动生成，第九届IFAC对机器人的控制，第607-612，2009。 [4] M. Uemura, G. Lu, S. Kawamura, S. Ma主编：“节能”的刚度和适应多关节机器人的DFC的被动周期运动，第2853-2858，2008。 [5] M. Uemura, K. Kimura, S. Kawamura主编：“通过控制方法”共振的双足步行机器人的节能运动生成，IEEE / RSJ智能机器人与系统国际会议，第2928-2933，2009。 [6] M. Uemura, K. Kanaoka, S. Kawamura主编：“由无源元件和阻抗控制的动力辅助系统的正弦运动”，IEEE机器人与自动化国际会议，第3935-3940，2006。 [7] T. Morita, S. Sugano主编：“机械手采用机械阻抗调节器”的发展，IEEE机器人与自动化国际会议1996，卷4，页2902-2907，1996。 [8] K. Koganezawa主编：“拮抗驱动关节的机械刚度控制”，IEEE / RSJ对智能机器人与系统国际会议，第1544-1551，2005。 [9] H. Noborisaka, H. Kokayashi主编：“一个腱驱动铰接手指机构及其刚度可调”的设计，JSME跨国家杂志。C系列，机械系统，机械零件和制造，卷43，3号，第638-644，2000。 [10] B. Vanderborght, N.G. Tsagarakis, C. Semini, R.V. Ham, D.G. Caldwell主编；“MACCEPA 2：与能源效率的跳跃”的加劲特性调柔性驱动器，IEEE机器人与自动化控制系统2009，第179-184.，2009。 [11] S. Wolf, G. Hirzinger主编；“一个新的变刚度设计的下一代的机器人”匹配的要求，IEEE国际会议，机器人与自动化2008，页1741-1746，2008。 [12] R. V. Ham, T. Sugar, B. Vanderborght, K. Hollander, D. Lefeber主编；“被动调合刚度可控的机器人应用“执行机构审查，IEEE机器人与自动化杂志，3号，第16卷，第81-94，2009。 [13] N. Takesue, R. Kosaka, H. Fujimoto主编；“采用线性弹簧力分量变刚度单元，日本机械学会会议上机器人，1a1-c01，2008。（日本） [14] V. Duindam, S. Stramigioli主编；“高效的双足行走”质量和刚度分布优化，IROS讲习班MOR结构，控制，被动动力学，2005。2369 - 12 -