CN107020629B - 一种用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统，该软机器人包括：支撑装置、充气空腔、充气通道和顶部平台，支撑装置与外部支架连接，充气空腔设置在支撑装置的上表面，包括外部空腔壁和多个充气室，充气室的两端分别设置在顶部平台的下表面和支撑装置的上表面，在支撑装置的上表面与充气室连接处充气室内部设置带有通孔的充气室隔绝装置；充气通道设置在支撑装置底部，一端与气动系统连接，另一端通过该通孔与充气室连接；顶部平台设置在充气空腔的顶端与太阳能光伏板连接。该系统包括气动系统、传感器检测模块、控制处理模块和上述软机器人。本发明实施例中软机器人和系统减小了太阳能跟踪系统的体积和重量，提高了该系统的适用性。

Description

一种用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统

技术领域

本发明实施例涉及太阳能开发领域，具体涉及一种用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统。

背景技术

世界经济飞速发展，人类对于能源的需求越来越大，然而石油煤炭等传统不可再生能源却在日益枯竭。在能源问题日益成为国家发展制约因素的重要时期，开发新型能源就突显出其重要的意义。目前国际上新型能源主要有核能，风能，热能以及太阳能几个种类。中国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，蕴含着丰富的太阳能资源，独特的地理环境就使得太阳能的开发成为我国新型能源开发的主要方向。

目前，我国太阳能的利用方式主要有定点式太阳能发电装置和跟踪式太阳能发电装置两大种类。定点式，即太阳能光伏板处于固定位置与固定角度，不会随着太阳的运动而变化；跟踪式，即太阳能光伏板会自动跟踪太阳的角度，实现光伏面板始终对着太阳的直射方向。理论表明：跟踪式太阳能光伏板与定点式太阳能光伏板相比，其能量的接受率可提高35％，因此运用跟踪式的太阳能发电装置对于开发太阳能作为能源具有战略意义。传统的太阳能跟踪系统多采用直流电机和液压活塞等刚性的机械机构来实现，然而复杂的机械机构不仅大大增加了装置的质量，也增加了生产成本和维护成本，难以得到广泛的应用。

因此，如何提出一种方案，能够减小太阳能跟踪系统的体积，提高太阳能跟踪系统的适用性，成为亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统。

一方面，本发明实施例提供了一种用于太阳能自动跟踪的软机器人，包括：

支撑装置、充气空腔、充气通道和顶部平台，所述支撑装置与外部支架连接，用来支撑和固定所述软机器人；

所述充气空腔设置在所述支撑装置的上表面，所述充气空腔包括外部空腔壁和多个内部中空的充气室，所述充气室的顶端设置在所述顶部平台的下表面，底端设置在所述支撑装置的上表面，在所述支撑装置的上表面与所述充气室连接处所述充气室的内部设置带有通孔的充气室隔绝装置；

所述充气通道设置在所述支撑装置底部，一端与外部的气动系统连接，另一端通过所述充气室隔绝装置的通孔与所述充气室连接，用于通过所述气动系统向所述充气室内充入高压气体，以使所述充气室发生膨胀形变；

所述顶部平台设置在所述充气空腔的顶端，用于与太阳能光伏板连接，以带动所述太阳能光伏板跟踪太阳能。

进一步地，所述支撑装置为带有圆盘的圆柱形支撑柱，所述圆盘在所述圆柱形支撑柱的顶端，所述圆盘的半径大于所述圆柱形支撑柱的半径。

进一步地，所述外部空腔壁为圆柱形空腔壁，所述圆柱形空腔壁的下端口的外部设置有圆环。

进一步地，所述充气室为内部中空的圆柱形充气室。

进一步地，所述充气室隔绝装置为带有通孔的圆柱形充气室隔绝装置，且所述圆柱形充气室隔绝装置的外径等于所述圆柱形充气室的内径。

进一步地，所述充气室为3个。

进一步地，所述软机器人为中心对称结构，相应的3个所述充气室关于所述软机器人的对称中心星形分布在所述外部空腔壁内。

进一步地，所述充气通道的数量与所述充气室的数量相同，一个所述充气通道连接一个所述充气室。

进一步地，所述充气空腔与所述支撑装置胶合连接。

另一方面，本发明实施例提供一种用于太阳能自动跟踪的系统，包括：气动系统、传感器检测模块、控制处理模块和上述软机器人，所述控制处理模块分别与所述气动系统和所述传感器检测模块连接；

所述传感器检测模块用于检测太阳能光伏板的角度信息，并将检测到的角度数据发送至所述控制处理模块；

所述控制处理模块用于对所述角度数据进行处理，并向所述气动系统发送控制信号；

所述气动系统用于根据所述控制信号向所述软机器人提供高压气体，以带动太阳能光伏板跟踪太阳能。

本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统，结构简单，不需要复杂的机械结构，减小了太阳能跟踪系统的体积和重量，提高了太阳能跟踪系统的适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中用于太阳能自动跟踪的软机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中又一用于太阳能自动跟踪的软机器人的结构示意图；

图3为本发明实时例中太阳能自动跟踪的软机器人的下半部的结构示意图；

图4为本发明实时例中太阳能自动跟踪的软机器人的上半部的结构示意图；

图5为本发明实施例中用于太阳能自动跟踪的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例中用于太阳能自动跟踪的软机器人的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人包括：

支撑装置10、充气空腔20、充气通道30和顶部平台40，所述支撑装置10与外部支架连接，用来支撑和固定所述软软机器人；

所述充气空腔20设置在所述支撑装置10的上表面，所述充气空腔20包括外部空腔壁21和多个内部中空的充气室22，所述充气室22的顶端设置在所述顶部平台40的下表面，所述充气室22的底端设置在所述支撑装置10的上表面，在所述支撑装置10的上表面与所述充气室22连接处所述充气室22的内部设置带有通孔的充气室隔绝装置24；

所述充气通道30设置在所述支撑装置10底部，一端与外部的气动系统连接，另一端通过所述充气室隔绝装置24的通孔与所述充气室22连接，用于通过所述气动系统向所述充气室内充入高压气体，以使所述充气室发生膨胀形变；

所述顶部平台40设置在所述充气空腔20的顶端，用于与太阳能光伏板连接，以带动所述太阳能光伏板跟踪太阳能。

具体地，如图1所示，本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人由下至上依次为充气通道30、支撑装置10、充气空腔20和顶部平台40，其中支撑装置10上设置有通孔，用于通过螺钉和螺母与外部支架连接，以固定和支撑软机器人，保证软机器人在工作时的稳定性。充气空腔20设置在支撑装置10的上表面，充气空腔20包括外部空腔壁21和多个内部中空的充气室22。如图1所示，充气室22的顶端设置在顶部平台40的下表面，底端设置在支撑装置10的上表面，并在支撑装置10的上表面充气室22对应的位置处设置带有通孔的充气室隔绝装置24，充气室隔绝装置24伸入充气室22的内部。即除了支撑装置10的上表面的通孔，充气室22处于密封状态，并且每个充气室隔绝装置24对应一个充气室22，用于隔绝各个充气室22，防止充气室22之间有相互跑气的现象。充气通道30设置在支撑装置10的底部，该充气通道的一端与软机器人外部的气动系统连接，另一端通过充气室隔绝装置24的通孔与充气室22连接。本发明实施例提供的软机器人的主要材料可以使用邵氏硬度为33的硅橡胶，其是由邵氏硬度为40的硅橡胶和邵氏硬度为15的硅橡胶按比例混合制成的。

本发明实施例提供的软机器人可以在高压气体的作用下发生形变，而调整设置在软机器人顶端的顶部平台的太阳能光伏板的角度。具体过程如下：气动系统通过充气通道30向充气室22内充入高压气体，充气室22在高压气体的作用下会发生膨胀形变，进一步带动整个软机器人发生形变，从而调整设置软机器人顶端的顶部平台的太阳能光伏板的角度，实现太阳能的自动跟踪。

此外，如图1所示，本发明实施例中的软机器人顶端的顶部平台40为圆盘形，顶部平台40与充气空腔20的顶端连接。在顶部平台的四周设置有通孔，可以用于连接太阳能光伏板的支架，在太阳能光伏板的支架上设置吸盘以连接太阳能光伏板。

本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人，结构简单，不需要复杂的机械结构，减小了太阳能跟踪系统的体积，提高了太阳能跟踪系统的适用性。

在上述实施例的基础上，所述支撑装置为带有圆盘的圆柱形支撑柱，所述圆盘在所述圆柱形支撑柱的顶端，所述圆盘的半径大于所述圆柱形支撑柱的半径。

具体地，如图1所示，支撑装置10为带有圆盘的圆柱形支撑柱，即在圆柱形支撑柱11的顶端设置一个圆盘12，其中圆盘12的直径大于圆柱形支撑柱的半径。在圆盘12的四周均分设置有多个通孔，本发明实施例设置了4个通孔，通过该通孔使用螺钉螺母或其他连接装置将软机器人与用于支撑软机器人的外部支架连接，以保证软机器人工作时的稳定性。其中，支撑装置10底部的圆柱形支撑柱11用于为软机器人提供适当的重量，调整重心，保持稳定；圆柱形支撑柱11上端凸出的圆盘12用于连接软机器人底部用于支撑软机器人的支架，使软机器人与大地的空间位置保持在一个固定的状态，提供良好的刚度和工作稳定性。

在上述实施例的基础上，所述外部空腔壁为圆柱形空腔壁，所述圆柱形空腔壁的下端口的外部设置有圆环。

具体地，如图1所示，充气空腔20的外部空腔壁21为圆柱形空腔壁，在该圆柱形空腔壁的下端口的外部设置有圆环23。其中，支撑装置10的圆盘12的半径与充气空腔20的圆环23的外径相同，以保证支撑装置10和充气空腔20更好的连接。如图1所示，在充气空腔20的圆环23的四周均匀分布多个通孔，并且通孔的数量和位置与支撑装置10的圆盘12四周的通孔的数量和位置一一对应，这样可以通过螺钉螺母或其他连接装置将支撑装置10和充气空腔20与外部的支架连接，更好的固定和支撑软机器人，保证软机器人工作时的稳定性。

此外，本发明实施例中的软机器人的充气空腔与支撑装置胶合连接。图2为本发明实施例中又一用于太阳能自动跟踪的软机器人的结构示意图，如图2所示，本发明实施例中的软机器人的物理结构具体可以分为两个部分，其中支撑装置10和充气通道30为一个部分，充气空腔20和顶部平台40为一部分，这两部分通过支撑装置和充气空腔连接在一起，具体可以是胶合连接。

图3为本发明实时例中太阳能自动跟踪的软机器人的下半部的结构示意图，如图3所示，将支撑装置10和充气通道30作为软机器人的下半部，可以看出，支撑装置10包括顶部的圆盘12和设置在圆盘12下方的圆柱形支撑柱11。充气通道30设置在圆柱形支撑柱11的下方，在支撑装置顶部圆盘12的上表面设置有3个带有通孔的充气室隔绝装置24，充气通道30可以通过充气室隔绝装置24的通孔向充气室内充入高压气体。图4为本发明实时例中太阳能自动跟踪的软机器人的上半部的结构示意图，如图4所示，将充气空腔20和顶部平台40作为软机器人的上半部，其中充气空腔20包括下端的圆环23、外部空腔壁21和内部中空的充气室22。由图4可以看出，充气室22是在圆柱形外部空腔壁21中形成内部中空的圆柱形充气室22，充气室22与图3中的充气室隔绝装置24连接，即充气室隔绝装置24设置在充气室22内部，充气通道30可以通过充气室隔绝装置24的通孔向充气室内充入高压气体。图3和图4作为软机器人的两个部分，可以通过胶合连接，此外，本发明实施例的软机器人结构可以通过3D打印制造或铸模制造完成，即通过3D打印制造或铸模制造制备软机器人物理结构上的两个部分，在通过胶合连接将这两个部分连接。

在上述实施例的基础上，所述充气室为内部中空的圆柱形充气室，所述充气室隔绝装置为带有通孔的圆柱形充气室隔绝装置，且所述圆柱形充气室隔绝装置的外径等于所述圆柱形充气室的内径。

具体地，如图1所示，本发明实施例将软机器人中的充气室22设置为内部中空的圆柱形充气室，如图3所示，充气室隔绝装置24为带有通孔的圆柱形充气室隔绝装置，且圆柱形充气室隔绝装置24的外径等于圆柱形充气室22的内径，这样可以使圆柱形充气室隔绝装置22伸入圆柱形充气室22的内部，将各个充气室22隔绝，避免充气室22之间相互跑气。

如图1所示，可以看出，本发明实施例中顶部平台、充气空腔以及支撑装置组成一个同心结构，即本发明实施例中的软机器人为中心对称结构。软机器人本发明实施例中的充气室为3个内部中空的圆柱形结构，3个内部中空的圆柱形结构在外部空腔壁内关于软机器人的对称中心呈星形分布。当单个充气室充气时，其膨胀最大，因此该充气室向外在顶部平台和底部盘即支撑装置的圆盘上产生压力，其他两个充气室充气时的工作方式与此类似。最后通过对三个充气室的建模受力分析可知，其总的受力模型为空间上三个互成120°的星形分布模型。通过对三个充气室进行特定的压力组合控制，可以实现空间上任意位置的任意预定动作，实现对连接在顶部平台的太阳能光伏板的角度调整。

如图1所示，本发明实施例中所述充气通道的数量与所述充气室的数量相同，一个所述充气通道连接一个所述充气室。即充气通道的数量与充气室的数量相等，一个充气通道用于为一个充气室进行充气。具体使用时，可以通过电磁阀控制充气通道的开和闭，实现为软机器人的充气室定量充气，进一步实现控制软机器人运动的目的。需要说明的是，本发明实施例中软机器人的充气空腔内设置有3个充气室，根据需要还可以设置为其他数量，不同数量的充气室，可以改变软机器人的运动状态。

本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人，可以使太阳能跟踪系统摆脱电机等机械结构控制的限制，克服传统机械结构制造复杂，成本高昂，体积大，质量重的缺点，使得太阳能跟踪系统的布置地点和空间限制更小，开拓了太阳能跟踪系统的使用空间。同时，克服了电机等设备控制电路复杂、维护成本高的缺点，在提高太阳能跟踪系统的使用寿命又降低了其运营成本。

图5为本发明实施例中用于太阳能自动跟踪的系统的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的系统包括气动系统02、传感器检测模块03、控制处理模块04和上述实施例中的软机器人01，其中，所述控制处理模块04分别与所述气动系统02和所述传感器检测模块03连接；所述传感器检测模块03用于检测太阳能光伏板的角度信息，并将检测到的角度数据发送至所述控制处理模块04；所述控制处理模块04用于对所述角度数据进行处理，并向所述气动系统02发送控制信号；所述气动系统02用于根据所述控制信号向所述软机器人01提供高压气体，以带动太阳能光伏板跟踪太阳能。

具体地，本发明实施例提供一种用于太阳能自动跟踪的系统，该系统包括设置在太阳能光伏板上的传感器检测模块03，用来检测太阳能光伏板的角度数据，并将检测到的角度数据发送至控制处理模块04。控制处理模块04对接收到的角度数据进行处理分析，根据太阳能光伏板的角度数据分析得出需要对太阳能光伏板进行调整的角度，并向气动系统02发送控制信号。气动系统02根据接收到的控制信号对软软机器人01进行充气，即对软软机器人01的充气室22进行充气，不同量的高压气体可以实现软软机器人01不同的形变程度，进一步实现太阳能光伏板不同角度的调整。

其中，传感器检测模块03可以是惯性测量元件IMU(Inertial MeasurementUnit)，控制处理模块04可以为单片机，当然根据需要传感器检测模块03和控制处理模块04还可以为其他元件，本发明实施例不作具体限定。此外，根据需要传感器检测模块03还可以检测太阳能光伏板对应的实时时间数据，并将检测到的实时时间数据发送至控制处理模块04，以使控制处理模块可以根据太阳能光伏板的实时时间数据和角度数据，获取到太阳能光伏板需要调整的角度。

具体地，本发明实施例的用于太阳能跟踪的系统的工作流程如下：

采用传感器检测模块03采集太阳能光伏板的实时角度数据和太阳能光伏板所在地区的实时时间数据，并将实时角度数据和实时时间数据发送至控制处理模块04。控制处理模块04如单片机接收传感器检测模块03采集到的数据，根据实时角度数据和实时时间数据获取太阳能光伏板与太阳的实时角度偏差值，根据获取到的实时角度偏差值，获取软软机器人的各个方向上的角度偏差分量，向气动系统02发送相应的控制信号。气动系统02给软机器人的充气室进行相应的充气、放气或保持气压，软机器人在气动系统02充入的高压气体的作用下，发生膨胀形变，带动连接在其顶端的太阳能光伏板运动，以调整太阳能光伏板的角度，实现太阳能光伏板实时跟踪太阳的功能。其中，根据太阳能光伏板与太阳的实时角度偏差值，获取软软机器人各个方向的角度偏差量以及各个腔体对应的需要充气的量的方法，可以通过计算机软件仿真，获得对应的模型。进一步根据模型即可以获得各个腔体需要的高压气体的量，通过充气系统02为不同的腔体提供不同量的高压气体，实现软机器人以及太阳能光伏板的角度调整。其中，控制处理模块04根据实时角度数据和实时时间数据获取太阳能光伏板与太阳的实时角度偏差值的方法，可以通过太阳能光伏板所在地区的实时时间数据以及当地的经纬度信息，获取到太阳的高度角和方位角信息，再和太阳能光伏板的实时角度信息进行比较，获得对应的太阳能光伏板与太阳的实时角度偏差值。

其中充气系统02可以包括充气泵电磁阀等结构，用于实现给软机器人的充气室充气，控制软机器人运动。此外，本发明实施例可以预先在控制处理模块04内输入数据处理算法和软机器人运动模型，以使控制处理模块04可以直接根据传感器检测模块03检测到的太阳能光伏板的角度数据，获得太阳能光伏板需要调整的角度，以及太阳能光伏板需要调整的角度对应于软机器人需要调整的角度以及需要充入的高压气体的量。

本发明实施例提供的用于太阳能自动跟踪的软机器人和系统，可以使太阳能跟踪系统摆脱电机等机械结构控制的限制，克服传统机械结构制造复杂，成本高昂，体积大，质量重的缺点，使得太阳能跟踪系统的布置地点和空间限制更小，开拓了太阳能跟踪系统的使用空间。同时，克服了电机等设备控制电路复杂、维护成本高的缺点，在提高太阳能跟踪系统的使用寿命又降低了其运营成本。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于太阳能自动跟踪的软机器人，其特征在于，包括：支撑装置、充气空腔、充气通道和顶部平台，所述支撑装置与外部支架连接，用来支撑和固定所述软机器人；

所述充气空腔设置在所述支撑装置的上表面，所述充气空腔包括外部空腔壁和多个内部中空的充气室，所述充气室的顶端设置在所述顶部平台的下表面，底端设置在所述支撑装置的上表面，在所述支撑装置的上表面与所述充气室连接处所述充气室的内部设置带有通孔的充气室隔绝装置；

所述充气通道设置在所述支撑装置底部，一端与外部的气动系统连接，另一端通过所述充气室隔绝装置的通孔与所述充气室连接，用于通过所述气动系统向所述充气室内充入高压气体，以使所述充气室发生膨胀形变；

所述充气通道的数量与所述充气室的数量相同，一个所述充气通道连接一个所述充气室；

所述顶部平台设置在所述充气空腔的顶端，用于与太阳能光伏板连接，以带动所述太阳能光伏板跟踪太阳能；

所述支撑装置为带有圆盘的圆柱形支撑柱，所述圆盘在所述圆柱形支撑柱的顶端，所述圆盘的半径大于所述圆柱形支撑柱的半径；所述外部空腔壁为圆柱形空腔壁，所述圆柱形空腔壁的下端口的外部设置有圆环；所述圆盘的四周均分设置有多个通孔，在所述充气空腔的圆环的四周均匀分布多个通孔，并且通孔的数量和位置与所述支撑装置的圆盘四周的通孔的数量和位置一一对应；所述充气空腔与所述支撑装置胶合连接；

所述充气室为内部中空的圆柱形充气室；所述充气室隔绝装置为带有通孔的圆柱形充气室隔绝装置，且所述圆柱形充气室隔绝装置的外径等于所述圆柱形充气室的内径。

2.根据权利要求1所述的软机器人，其特征在于，所述充气室为3个。

3.根据权利要2所述的软机器人，其特征在于，所述软机器人为中心对称结构，相应的3个所述充气室关于所述软机器人的对称中心星形分布在所述外部空腔壁内。

4.一种用于太阳能自动跟踪的系统，其特征在于，包括气动系统、传感器检测模块、控制处理模块和上述权利要求1-3任一项所述的软机器人，所述控制处理模块分别与所述气动系统和所述传感器检测模块连接；

所述传感器检测模块用于检测太阳能光伏板的角度信息，并将检测到的角度数据发送至所述控制处理模块；

所述控制处理模块用于对所述角度数据进行处理，并向所述气动系统发送控制信号；

所述气动系统用于根据所述控制信号向所述软机器人提供高压气体，以带动太阳能光伏板跟踪太阳能。

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