CN101788643A - 用于具有主动柔顺性的测试头的操纵器 - Google Patents

Abstract

一种支承像电子测试头那样的负载的设备。力传感器检测从负载接收的力，该力来源于所述负载不平衡而绕所述负载的转轴产生转矩。力源响应力传感器检测的力，提供相对于负载的反力。还提供了一种把固定在测试头操纵器中的电子测试头与电子器件处理器对接的方法。该对接方法包括测量沿着或绕测试头操纵器的多根运动轴的至少一根的不平衡力的大小，以及为不平衡力提供反力。

Description

用于具有主动柔顺性的测试头的操纵器

本申请是因泰斯特IP公司2007年1月29日提交的“用于具有主动柔顺性的测试头的操纵器”的发明专利申请(申请号：200710007714.5)的分案申请，而后者为2001年9月20日提交的“用于具有主动柔顺性的测试头的操纵器”(申请号：01819263.7号(国际申请号：PCT/US01/29530))的分案申请。

技术领域

本发明涉及使测试头相对于一根或多根轴保持平衡的方法和设备。并且，本发明还提供了相对于一根或多根轴为测试头提供运动的柔顺范围(compliant range of motion)的方法和设备。

背景技术

在集成电路、芯片、和晶片的测试中，习惯的做法是使用包括测试头和处理待测项目的仪器的系统。处理仪器可以是封装的器件处理器、晶片检测器、或其它设备。为了简便起见，我们将称这样的仪器为“器件处理器”或简称为“处理器”。测试头与处理器“对接”。然后，可以在测试头和集成电路之间建立电路连接，以便测试头可以进行适当的测试。

一般说来，有两种对接方法，即，致动器驱动对接和操纵器驱动对接。公知为“致动器驱动”对接的技术首先公开在授予Smith的美国专利第4,589,815号(下文称为‘815)中，它的一些变型以后被开发出来，并公开在授予Ames的美国专利第5,654,631号、授予Bogden的第5,744,974号、授予Chiu等人的第5,982,182号、授予Slocum等人的第6,104,202号，和也授予Slocum等人的第5,821,764中。它们统统合并于此，以供参考。

在一般意义上，对接系统在要对接的两个项目之一上需要“对准结构”，该对准结构与两个项目中的另一个上的“对准插孔”接合。在‘815专利中，包含有作为对准结构的导销，并包含有作为对准插孔的导销插孔和角板。在授予Chiu等人和Slocum等人的三个专利中，在所有六个自由度中的对准通过动态耦合来提供，动态耦合在“没有多于两个的接触点是共线的”提供表面之间提供六个接触点。在这些专利中，在要对接的两个项目之一上的“动态表面”用作对准插孔；和在两个项目的另一个上的“动态配合表面”起对准结构的作用。在这些专利中描述的优选实施例中，球或球状表面是动态配合表面或对准结构，而凹槽是动态表面或对准插孔。正如这些专利所指出的那样，可以使用许多其它表面组合。

在‘815专利中描述的对接组件类似于部分显示在本申请的图13中的垂直平面处理器位置(Vertical Plane Handler Position)中(图13左下方的图形被部分剖开)的两点对接组件1340。在图13中，只显示了连接到测试头上的一半组件。这些二点对接组件都使用2个导销912和各自的配合孔(在图13中未示出)和2个圆形凸轮910。当通过连接在凸轮910上的把柄914使凸轮910旋转时，与变得完全插入它们的配合孔(未示出)中的导销912一起拖动对接件(dock)的两个半部。线缆915链接2个凸轮910，以便使它们同步旋转。绳索布局使对接件能够通过把力仅施加到两个把柄914中的一个或另一个上来工作。于是，在这种情况下，把柄是对接致动器。

Reid Ashman制造公司(RAM)制造的对接件[参见网站和销售印刷品]在概念上类似于在‘815专利中描述的那些对接件。但是，在RAM对接件中，线性凸轮用来取代圆形凸轮。此外，RAM对接件利用刚性的机构连杆和钟形曲柄来取代线缆，使凸轮的运动同步。对接件由与各自的钟形曲柄耦合的两个把柄中的一个或另一个致动。

可以以各种各样的方式把动力致动器合并到对接件中。例如，可以容易地加入如上所述的线性致动器，把对接驱动直接传递给‘815对接件中的线缆或其它对接件中的机构连杆或线状凸轮。线性致动器可以是包括电动机、电螺线管、或气胎在内的几种类型的任何一种。

在美国专利第5,654,631号和第5,744,974号中描述的对接件利用导销和小孔来对准两个半部。但是，对接件由抽成真空时一起推进两个半部的真空器件驱动。只要保持真空，两个半部就一直锁在一起。

在美国专利第5,821,764号、第5,982,182号和第6,104,202号中公开的对接件利用动态耦合技术，以在两个半部之间提供最终对准。还可以利用导销提供初步对准。导销可以配有卡爪机构，卡爪机构把导销俘获到它的小孔中，防止其逃脱。在‘764和‘202专利中，卡爪机构呈现出自动启动；然而，在‘182专利中，电机驱动器件用于三个导销的每一个。同样，在‘182专利中，三个电机可以单独运行，实现对接部件之间的平面化。在所有这些公开物中，线性致动器用于最后把两个半部拉在一起。公开的线性致动器是气动类型的。

上面讨论的目的是提供某些适用致动器驱动对接技术的概况。可以看出，对接件可以由各种不同的器件致动。

称为“操纵器驱动”对接的另一种可供选择的方法公开在，例如，授予Graham等人的美国专利第5,600,258号和第5,900,737号中。这个可供选择的方法提供操纵器的一根或多根动力并受控的轴(“受控轴”)来定位测试头。例如，并且，正如在提到的专利中所述的那样，在Graham专利中，垂直、俯仰、和横滚轴都是受控轴。只控制单根轴，譬如，垂直轴或翻滚轴的系统也是已知的。位置传感器通常用于把反馈提供给与测试头相对于器件处理器/检测器的位置有关的受控轴。在对接过程中，控制器(或操作器)操作一根受控轴或数根受控轴，首先把测试头带入对接结构的准备就绪状态，然后，继续操作受控轴完成对接。在[Graham等人的专利]中，传感器由控制器用于使测试头的对接表面适当地朝向器件处理器/检测器的对接表面(通常是共面)，并在对接完成且已经适当地进行了测试头和器件处理器/检测器之间的电连接时终止运动。没有对接件致动器，并且，通常也没有与操纵器轴无关的分离、独立锁闩机构。如果没有分离、独立的锁闩器，必须把操纵器轴锁定在使测试头保持在完全对接位置上的位置上。

此外，在操纵器驱动系统中，让测试头在所有轴上都保持平衡并非合乎需要的或行得通的。不平衡的测试头导致必须由驱动和控制机构，由对准机构，和由器件处理器/检测器本身的结构克服的难以预料和不想要的力。

对接系统被称为“锁闩对接”系统，其中在完全对接时与操纵器单独并无关的机构把测试头锁闩在处理器/检测器上。只通过锁住操纵器轴使测试头保持在完成对接位置上的系统被称为“非锁闩对接”系统。通常，致动器驱动对接系统是锁闩对接系统，而操纵器驱动对接系统是非锁闩对接系统。但是，另一种情况是，这两种结合在一起也是可以的。

在把操纵器设计成用于大测试头的情况中，最好让测试头基本上可在多达六根轴或六个运动自由度上自由运动，以促进受控运动的容易程度。这在如名称为“测试头操纵器(TEST HEAD MANIPULATOR)”的PCT国际专利申请第US00/00704号和名称为“在受驱垂直轴测试头操纵器中的抗衡垂直对接运动(COUNTER BALANCED VERTICAL DOCKING MOTION IN ADRIVEN VERTICAL AXIS TEST HEAD MANIPULATOR)”的美国临时专利申请第60/186,196号所讨论的运动轴的手动操纵和安全动力是确实的。这在与器件处理器/检测器的对接/脱离中也是确实的，此处，运动是由如授予Smith的美国专利第4,589,815号、授予Slocum等人的美国专利第5,821,764和6,104,222号、或授予Chiu等人的美国专利第5,982,182号所述的对接系统提供。这种运动自由度或“柔顺运动”在使测试头与处理器对接的过程中特别重要。

提供与地面平行的运动的两根轴(从一侧到另一侧和从里到外)和与地板垂直的轴(从上到下)显示在图14中。这三根轴包括x-轴(从一侧到另一侧)1315、y-轴(从内到外)1325、和z-轴(从上到下)1335。还显示了三根枢转轴，包括俯仰轴(x)1310、横滚轴(y)1320、和偏转(和横摆)轴(z)1330。在与地板平行的两根轴(x和y)中，一般通过低摩擦轴承和轨道等，或者，在如也授予Smith的美国专利第4,527,942号所述的铰接臂中提供运动自由性。在垂直或上、下轴(z轴)的情况中，典型的做法是，除了轴被操作者故意锁住之外，使用配重来达到基本上无重量状态，以便提供所需运动自由性。上-下轴中已知的其它技术是使用如在授予Beaucoup等人的美国专利第4,943,020号中所述的弹簧机构、和如授予Slocum等人的美国专利第5,931,048号、和授予Smith的美国专利第5,149,029和4,705,447号中所述的气动装置。但是，授予Alden的美国专利第5,949,002号指出，采取这样的方法存在某些困难，并且，建议使用包含测压元件力传感器的伺服控制环路。但是，包含带力和位置反馈的伺服控制环路的技术既复杂又昂贵，在出现故障的情况下，不能提供操作者驾御系统的简单方法。

在俯仰、侧滚、和横摆转动的情况中，众所周知，把枢转轴设成使它们几乎穿过测试头和它的附属安装机构和绳索的重心。通过加上压块配重，在翻滚模式操纵器中这已经实现。在绳索枢转操纵器上，正如授予Holt的美国专利第5,450,766号所述，这通过提供各种各样的垫片来改变背靠在凸出的绳索枢转操纵器上的内支架的长度来实现。

如图13所示，把测试头内部的一根或多根转动轴设在测试头和绳索组件的实际重心上或附近也许是合算的。请注意，在测试头结构内，综合了俯仰和横摆运动。在图13中，这些被显示成俯仰轴1310(±5°的θX)和横摆轴1320(±5°的θZ)。横滚轴1330(±90-95°的θY)也显示在图13中。

在目前的系统中，可以证明，设置大约±5°运动的俯仰轴，至少±90°运动(在测试头外部)的横滚轴、和在测试头内的大约±5°横摆运动是合乎需要的。这是因为，通过使用，例如，分别在授予Holt的美国专利第5,450,766号和也授予Holt的美国专利第5,608,333号中描述的“CPPJ”(用于俯仰)和SplitRing Cable Pivot技术，在重心上或附近实现这些轴所需的结构的范围显著地小于当它们在测试头的外部时实现这些轴所需的结构的范围。

已经建议通过把球轴承设在测试头的重心附近来实现这个概念。可以沿着内外方向配备移动球轴承的位置的外部调整装置，以便当测试头处在DUT(正在测试之中的器件)向上或DUT向下方位时，可以从物理上定位它，使俯仰轴(或翻滚)轴平衡。球轴承缺点在于它同时提供所有三个转动自由度。

尽管希望这样，但是把这些内部轴设在真实测试头的真正重心上或非常接近的地方是非常困难的。改变测试头内部引脚电子线路板的多少和测试头绳索的长度和重量以满足特殊测试装置最终用户的需要的实际活动往往导致重心位置的显著偏移，因此，导致显著的不平衡力。另外，随着测试头通过它的运动包络线移动，由绳索施加在测试头上的力会发生改变；当使用固定结构的系统时，这引起可变的不平衡力。这些不平衡力妨碍了相对于一根或多根运动轴所希望的可自由运动状态。

正如传统上对操纵器所做的那样，无论运动轴在测试头的内部，还是在测试头的外部，还经常希望把运动轴的位置重新定位到远离重心的位置上。这方面的例子是，把翻滚轴定位在非常接近非常厚测试头的DUT接口处，而不是通常靠近测试头的物理中心的测试头重心上。如果测试头有一米厚，那么，把翻滚枢转轴设在重心上，并由此在物理中心附近暗示着操纵器将需要至少一米(100cm)的垂直运动范围(冲程)。如果有可能把翻滚枢转轴设在DUT表面内13cm处，那么，操纵器的垂直冲程将减少74cm(100cm-26cm)，从而降低了操纵器的总高度，或者，对于相对于给定轴承结构的较大负载容量，允许使用较长的主臂。但是，正如上面所指出的那样，把测试头的重心移动到远离已知物理中心的地方会产生不平衡力。并且，这些不平衡力使测试头处在不平衡状态，致使它不能沿着所有六根轴自由运动。

这样，随着测试头变得越来越大和越来越复杂，在每根关键运动轴中的不平衡力相应地增加。最好有一种措施能够把这些不平衡力中和掉，以便在为操作者和仪器二者的安全提供保证的同时，可以有效地操纵和定位测试头。

发明内容

本发明涉及用于使测试头相对于一根轴保持平衡，以便测试头相对于该根轴基本上无重量的设备和方法。本发明可应用于测试头操纵器的多根轴。并且，本发明还涉及相对于测试头的至少一根轴为测试头提供运动的柔顺范围的设备和方法。

附图说明

图1(a)是根据本发明一个示范性实施例的、与测试头耦合的平衡单元的透视图；

图1(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、与测试头耦合的平衡单元的透视图；

图1(c)是根据本发明又一个示范性实施例的、与测试头耦合的平衡单元的透视图；

图1(d)是根据本发明又一个示范性实施例的、与测试头耦合的平衡单元的透视图；

图2(a)是根据本发明一个示范性实施例的、与安装在支架中的测试头耦合的平衡单元的透视图；

图2(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、与安装在支架中的测试头耦合的平衡单元的透视图；

图3(a)是根据本发明一个示范性实施例的、与用内部轴承支承的测试头耦合的平衡单元的透视图；

图3(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、与用内部轴承支承的测试头耦合的平衡单元的透视图；

图4(a)是根据本发明一个示范性实施例的气压缸的详细剖面图；

图4(b)是根据本发明一个示范性实施例的液压缸的详细剖面图；

图5(a)是根据本发明一个示范性实施例的、包括位置传感器和机械锁定器的柔顺驱动机构的透视图；

图5(b)是根据本发明一个示范性实施例的、包括位置传感器和液压锁定器的柔顺驱动机构的透视图；

图5(c)是根据本发明一个示范性实施例的、包括位置传感器和两个柔顺定心致动器的柔顺驱动机构的透视图；

图6(a)是根据本发明一个示范性实施例的柔顺驱动机构和气动平衡单元的透视图；

图6(b)是根据本发明另一个示范性实施例的柔顺驱动机构和气动平衡单元的透视图；

图7是根据本发明又一个示范性实施例的柔顺驱动机构的透视图；

图8(a)是根据本发明一个示范性实施例的、耦合在一起的柔顺驱动机构和气动平衡单元的透视图；

图8(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、耦合在一起的柔顺驱动机构和气动平衡单元的透视图；

图9(a)是根据本发明一个示范性实施例的、与作用在第一转轴上的气动平衡单元耦合的第一柔顺驱动机构、和与作用于第二转轴上的气动平衡单元耦合的第二柔顺驱动机构的透视图；

图9(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、与作用在第一转轴上的气动平衡单元耦合的第一柔顺驱动机构、和与作用于第二转轴上的气动平衡单元耦合的第二柔顺驱动机构的透视图；

图10(a)是根据本发明一个示范性实施例的、在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图10(b)是根据本发明另一个示范性实施例的、在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图10(c)是根据本发明再一个示范性实施例的、在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图10(d)是根据本发明又一实施例在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图10(e)是根据本发明还一实施例在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图10(f)是根据本发明另一个示范性实施例的、在垂直轴上的柔顺驱动机构的透视图；

图11是根据本发明另一个示范性实施例的、具有数个柔顺驱动机构的测试头操纵器的透视图；

图12(a)是根据本发明一个示范性实施例的、将测试头与处理器对接的对接设备的透视图；

图12(b)是根据本发明一个示范性实施例的、与处理器耦合的对接设备的透视图；

图12(c)是根据本发明一个示范性实施例的、将测试头与处理器对接的对接设备的剖面图；

图12(d)是根据本发明一个示范性实施例的、与处理器耦合的对接设备的另一个剖面图；

图13(a)-(c)是现有测试头的装配图；

图14是六根运动轴的图例；

图15(a)-15(n)是根据本发明各种示范性实施例的流程图。

具体实施方式

在下面本发明几个实施例的详细描述中，将参照前面列出的附图。应该理解，这些图有意画成不成比例的，而是，它们画成强调本发明的重要特征。

在器件测试的过程中，显而易见，测试头保持完全对接。处理器/检测器配有相对于测试接口轮流自动定位待测试的每个器件的机构。这在通过对接件与测试头和操纵器耦合的处理器/检测器中产生了低频机械振动。必须安全地耗散掉这些振动相关联的能量。因此之故，许多用户在测试期间喜欢使用锁闩的对接件，并喜欢让操纵器轴松开。在这种情况下，振动方便地通过操纵器轴的运动而被吸收，且能量耗散在它们相关的摩擦中。另一方面，如果在测试期间牢固地锁住操纵器轴，那么，系统弹性差的部分将主要吸收振动。测试头和正在测试之中的器件之间的接口中的电触点，包括，例如，底下装有弹簧(pogo)的引脚和探针，是精密的机械结构，其吸收这样的振动能量可能会损害或使它们的使用寿命降低。在非锁闩对称系统中，最好锁住某些操纵器轴，以在测试的同时使测试头保持完成对接。为了使一根或多根轴松开以吸收振动，有必要让它们保持平衡和柔顺。因此，在对接测试头的同时，保持一根轴处在平衡柔顺状态下是有益的。

另外的考虑是，当与器件处理器或检测器对接时，不平衡的测试头将把它所有或一部分的不平衡力施加在与之对接的设备上。通常，只把这样的设备设计成支承垂直负载。不平衡力未必是垂直的，一般说来，具有不可预测的大小和方向。未知不平衡力可以潜在地对仪器造成伤害，并危及合并在其中处理晶片和器件的自动机构。因此，如果在测试头与器件处理器/检测器对接的整个间隔内可以中和不平衡力，那就最好不过了。

此外，在垂直装载在器件处理器/检测器上的情况中，许多传统操纵器是平衡型的，其把测试头保持在基本无重量状态。这使测试头在器件处理器/检测器上的垂直负载达到最小，从而简化了它的结构要求。此外，对于含有硬驱动垂直轴的操纵器，在对接期间可以把部分负载传递到器件处理器/检测器上，这增大了对它们的结构要求。因此，最好在具有垂直柔顺性的硬驱动垂直轴操纵器中，能够在测试头保持与器件处理器/检测器对接的整个时间内维持平衡状态。在基于气动的平衡机构的情况中，气体的最终泄漏意味着平衡力的丧失。

还有一种考虑是，在含有气动柔顺机构的测试头操纵器系统中，当测试头非常接近对接机构时，通常有必要在对接之前马上使系统达到平衡。在目前已知的一些系统中，为了做到这一点，测试头必须在它的整个柔顺范围内自由运动。根据经验，在这样的平衡过程中，测试头可能突然地和出人意料地移动显著的距离，产生很大的冲力。这样的移动潜在地引起与对接设备的碰撞，导致精密电触点受到损害。此外，操作人员也可能处在危险之中。

由于测试头变得越来越大和越来越复杂，在关键运动轴中的不平衡也相应地增加。重要的是，有一种措施能够把这些不平衡中和，以便测试头可以有效地且在操作者和仪器二者安全情况下得以操纵和定位。

已经提出的一种技术是使用一个或多个气缸，譬如，双作用气压缸，抵消不平衡力。这样的气缸具有两个气体进口和装配在它们之间的活塞。第一气体进口被称为伸出进口，第二气体进口被称为缩回进口。活塞依它两侧上的气压差而移动。附在活塞上的连杆与气缸同轴并穿过一端，以把线性力和运动施加在负载上。如果在伸出输入上的压力大于在缩回输入上的压力，那么，连杆从气缸伸出来。反之，如果在缩回输入上的压力大于在伸出输入上的压力，那么，连杆缩回到气缸。可以包括位置传感器，以指示活塞的位置。因此，可以理解的是这样的活塞和适当的控制系统可以与特定轴，例如，俯仰轴相关联地使用。随着测试头得到操纵和对接，控制系统将按需要把气体泵入伸出进口或缩回进口中，以消除任何不平衡力和提供柔顺运动。可以想像，双作用气压缸将提供类弹簧作用；即，当压差已经调整到抵消轴的不平衡力时，可以使测试头好像它的确与非常小的力达到平衡那样移动。

由于几方面原因，这种方法非常难以实现。首先，唯一反馈机制是活塞的位置。其次，密封用在气压缸中，使从活塞的一侧到另一侧和从连杆穿过气缸末端的那一点处的气体泄漏达到最小。在运动路径中的这些密封提供了静摩擦和动摩擦。通常，气压缸呈现称为“挣脱力(break away force)”的特性。气压缸的挣脱力是克服静摩擦和让活塞在气缸内运动所需的力。静摩擦(静态阻力)可以相当大，并且随时间、使用、和温度改变。静态阻力往往比动或运动摩擦大得多。于是，为了引起改变，控制系统按需要调整气压差，直到至少探测到位置改变(即，运动)为止，然后，对运动加以分析，调整成所需结果。由于静态阻力(静摩擦)，开始运动的气压差可能并经常显著大于与气压缸的动摩擦相组合的负载不平衡。这可以导致非线性很大且不稳定的控制问题。尤其在静态阻力分量的动态性质方面，稳固的解决方案难以实现和维持。

双作用气压缸提供了补偿测试头轴中的不平衡的有用措施的可能性；但是，需要新的方法来实现有用的解决方案。本发明的第二个目的是提供克服双作用气压缸的缺点以稳固地利用它的优点的措施。

在示范性的实施例中，主发明补偿至少一根测试头轴中的不平衡力，以便可以有效地和安全地操纵、对接和脱离测试头。本发明包含与其它部件和新的基本控制方案结合在一起的、像如上所述的至少一个双作用气压缸(例如)那样的力源。气缸和这些部件的组合体被称为“平衡单元”。总之，对于单根轴，首先测试头相对于它的支承结构设置和锁定在所希望位置上。因此，相对于正在考虑之中的那一轴锁定测试头。包括在平衡单元中的力传感器(即，双向测压元件)测量相对于锁定轴的不平衡力，以确定是否存在显著的不平衡量和不平衡的方向。然后，调整双作用气压缸两侧的气压，以便把力传感器检测到的力降低到某个预定最小值以下，取决于测试头的重量和气缸的特性，通常认为5到25磅是合理的。然后，释放锁定器，气压缸内的压差通过连杆将力传给测试头，以抵消不平衡力。可以想要多频繁就多频繁地重复该过程，使所选测试头轴保持在平衡、可自由运动状态。

图1(a)是根据本发明一个示范性实施例的、用于测试头操纵器的测试头平衡系统的透视图。这里提供了含有两个端部的平衡单元110。如上所述，平衡单元是用于使测试头相对于一根轴保持平衡的、与其它部件和新的控制方案结合在一起的力源(即，双作用气压缸)。平衡单元1101的第一端部与测试头100相连接。平衡单元110的第二端部与用于枢转轴102的支承结构(未示出)相连接。平衡单元110的用途是当测试头100的重心与枢转轴102不重合时，有助于测试头100绕着枢转轴102转动。在图1(a)所示的示范性实施例中，平衡单元110包括双作用气压缸、及其相关部件，如下所述。

平衡单元110包括力传感器120，和力杆112。力传感器110与力杆112耦合，以便它测量沿着力杆的力。力杆112通过轴承116a与测试头100相连接。如果测试头100的重心与枢转轴102不重合，那么，由测试头100绕着枢转轴102施加一个力。通过它与力杆112的连接，力传感器120测量出这个力的至少一个分量。

力传感器120可以是可以测量和指示(例如，向控制器)测试头100相对于枢转轴102的不平衡力的大小和方向的典型的双向测压元件。力传感器120可以包含应变仪，其以众所周知的方式处在桥式电路之中，提供随测量力单调变化的电压输出。利用模拟-数字转换器和处理器，可以确定沿着力杆112的力是否大于自由运动所能容忍的最大值；并且，如果是的话，确定力的方向。另外，模拟比较器电路可以以已知的方式用于产生指示显著不平衡力的存在和方向的是/否(go/nogo)信号。

力杆112通过锁定器118可滑行地附在气压缸128上，锁定器118包括致动锁定器118的锁定器进口126，当锁定器118未致动时，锁定器118允许力杆相对于气缸128平行移动。于是，当锁定器118未致动时，测试头100可以绕着轴102旋转。当致动锁定器118时，力杆112不再可以相对于气缸128滑动；并且，测试头100被锁定在相对于轴102的某个位置上。锁定器118是现有技术中众所周知的几种类型之一。取决于所选的锁定器118的类型，可以通过电信号、气体输入、或适于特定应用的其它措施来控制它。

气压缸128只是用于朝向或远离测试头100推动的力源。当通过力传感器120检测不平衡力时，气压缸128用于通过连杆114把反力施加在测试头100上。在这个示范性实施例中，利用需要气体系统的气压缸128。可以预料，反力可以通过各种其它措施，譬如，液压缸或电磁器件来实现。

气压缸128通过活塞130与连杆114相连接。连杆114通过轴承116b与测试头100相连接。连杆114布置成与力杆112平行。气缸128的轴和连杆114与测试头100的转轴102正交。把这些轴布置成使沿着每根轴作用的力将产生绕着测试头转轴102的力矩或转矩。用足够的力使连杆114伸缩将使测试头100绕轴102旋转。

气压缸128通过轴承138与支承结构(未示出)相连接。在气压缸128内部，活塞130按照活塞130的两侧上的气压差移动。气压缸128内活塞130的一侧包含伸出进口134。气压缸128内活塞130的另一侧包含缩回进口132。气压缸的气体进口132和134通过电操纵控制阀(未示出)分别与相对高压气体供应源(未示出)相连接。可选地，可以把蓄能器(未示出)附在每个进口132和134上，来提供大量气体，以作用活塞130。

在工作时，力传感器120用于检测来自测试头100的不平衡力；然后，把气体提供给缩回进口132和伸出进口134，以抵消力传感器120检测的力。因此，在活塞130两端形成压差。对于这个具有足够大小和方向的压差，其目的是把力杆112中的力减小到小于预定最大许可不平衡力的大小。

仍然参照图1(a)，气压缸128还包含两个活塞位置传感器136a和136b，它们指示活塞130在气压缸128内相对于例如控制器的位置。例如，限位开关可以以已知的方式用于指示活塞130是否处在中心位置上，或处在气压缸128的哪一端上。如有必要，可以配备更加复杂的位置传感装置。例如，电位计、绝对编码器、和含有适当电子器件的增量编码器等可以用于提供相对于气压缸128的、与活塞130和连杆114的位置有关的精确位置信息。最好，位置传感机构是可标定的和可调整的，以便于系统构造、设置、和维护。

可以配备控制器(未示出)来操纵进口阀132和134和锁定器118，并接收位置传感器136a和136b和力传感器120的反馈信号。例如，刚启动时，对于没有与处理器对接的测试头100，通常没有对气压缸128加压。在任何控制动作之前，应该注意，保证测试头100和设备不要靠在可能干扰即将到来的平衡操作的任何外来物体或结构上。测试头100现在已经处在相对平衡状态，或者，更可能性处在不平衡状态。然后，如果还没有致动锁定器118就致动锁定器118，把测试头100锁定在某一位置上。在一些情况下，也许有必要先把测试头100移动到某一所需位置。这种移动可以通过手动装置来实现，或者，可选地，控制器可能配有适当的算法，以使它可以与反馈的位置相结合利用气压缸128。应注意，对于前述静态阻力而言，这样的控制算法可能难以实现。如果在应用锁定器118之前试图让测试头100停止在所需位置上这也是如此的。但是，适当的锁定器118还可以用作制动器，随着测试头100移动到所需位置，可以通过应用锁定器118来停止移动。

现在，对于锁定在某一位置上的测试头100，控制器对源自力传感器120的信号作出响应。力传感器120检测是否存在来自测试头100的围绕枢转轴102的显著不平衡力。力传感器120能够检测力的大小和方向。如果检测到显著的不平衡力，那么，调整缩回进口132和伸出进口134内的气压，以达到产生活塞130两端的压差的目的。活塞130两端的这种压差具有足够的大小，以把力传感器120测量的力减小到小于预定最大许可不平衡力。当完成了这项工作时，脱开锁定器118，测试头100相对于枢转轴102基本上是无重量的。现在，可以让测试头100绕着枢转轴102转动。可以按需要重复这个过程，使测试头100保持在相对于枢转轴102的平衡状态下。

随着测试头100转动，活塞130也将运动。与机械弹簧类似，压差随活塞位移单调增大。施加在活塞130的给定侧上的气动力与体积成反比地增大。但是，对于气体体积的改变相对小的位移，等效弹性力随着位移近似线性地改变，等效“弹簧常数”是K。也就是说，F＝Kx，此处，F是力的变化量，和x是活塞位置的变化量。最好，设法使K小一点，以便力在整个运动范围上不会相当大地改变。K部分由总气体体积相对于每个活塞位移增量的压力改变来确定，也就是说，由V和dP/dx决定的，此处，V是体积，而P是压力。随着活塞130靠近行程的一端，V变得很小，dP/dx变成指数增大，因此，K像F那样增大。如上所述，可以加入蓄能器(在图1(a)中未示出)。蓄能器用于显著增加可用的气体体积V，同时把dV/dx和dP/dx限制在可接受的值上。这样就达到了所谓的“软弹簧”效果，显而易见这是所需要的。

理想的情况是，上述循环只进行一次，在对系统作某种改变之前不重复。但是，气压缸128的系统易发生气体泄漏，因此，在需要的时候，周期性地重复上述循环。经验证明，在需要重复循环之前，系统将保持足够的气体长达约10分钟以上。在典型的操作中，每隔几分钟(比方说，5到8分钟)该循环自动重复。此外，在典型的操作中，没有必要重复把测试头100移动到所需位置的步骤。除非测试头100已经遇到意外的硬障碍物或一些其它意外事故，它应该保持在它的许可运动范围之内，的确，如果测试头100现在处在执行理想功能所需的位置上，那么，非常不希望让测试头100移动回到预定所希望位置上。

于是，如图15(a)所示，按照顺序，在示范性实施例中的操作顺序如下：

1.如步骤1501所示，锁住锁定器118。

2.如步骤1502和1503所示，调整气压进口压力，直到力杆112中的力小于预定值为止。

3.如步骤1504所示，解脱锁定器118。

4.如步骤1505所示，在比要从气缸128中损失掉显著气体量的时间短的时间之后，转到步骤1501。

这个序列使测试头100好像轴102直接穿过它的重心似的运转；我们将称此为“正常序列”。

在示范性的系统中，步骤1501、1502、1503和1504所需的时间小于4秒。这个步骤序列将被称为“力消除序列”。

仍然参照图1(a)，两个止动环122和124或“运动限制器”附在力杆112上，使锁定器130处在它们之间。这样放置止动环122和124，使得当气压缸128中的活塞130居中时，止动环122和124离锁定器118的中心是等距离的。两个止动环122和124之间的距离A是比气压缸128中活塞130的总冲程小的某个合理值。因此，止动环122和124防止活塞130运行到气缸128的端部，并防止活塞130去掉力杆112和力传感器120的负载，从而使过程失真。它们同时用作测试头100的正向止动器(positive motion stop)。应注意，如果系统处在不平衡状态且锁定器118脱开，那么，两个止动环122或124必有一个靠在锁定器118上，且力杆112和力传感器承受和测量不平衡力。

可以把在图1(a)中未示出的其它控制功能加入上面系统中。例如，可以配备按钮，使操作者能够启动从上面列出的步骤1501或步骤1502开始的控制序列。可以加上指示灯，以便当锁住力杆112时提醒操作者；这将有助于操作者避免试图沿着轴102移动操纵器和/或正在执行步骤1502的时候试图进行对接。这样的尝试将在测试头100上产生附加不平衡力，而系统将错误地设法补偿它们。还可以把系统与对接机构中的传感器合并在一起，例如，以便在对接的时候，系统成为锁住的和/或禁用的。此外，最好探测测试头100是否处在准备对接的位置上，并让序列正好在对接之前得以执行。这将保证在实际发生对接的时候，不执行该序列，并且还保证在对接开始之前，最佳地补偿不平衡力。

将被称为“锁定序列”的另一种控制循环在所选择的应用中是可能的和有用的。在锁定序列中，当测试头100远离将与之对接的设备(在图1(a)中未示出)时，保持测试头100相对于轴102所在大致中心位置处。这是“所需锁定位置”。当操纵测试头112进入准备对接的位置中时，调用力消除序列；也就是说，调整气压缸128中的气压，直到有效地消除了力杆112中的力为止。然后，解脱锁定器118，就可以进行对接了。通过手动或利用气压缸128和位置传感器136a和136b的自动控制，可以把测试头100放置在所需锁定位置上。也就是说，在启动时，对于没有对接的测试头100，控制器将首先使锁定器118不起作用。然后，把测试头100移动到相对于正在受控制的轴102的所需锁定位置上，例如，如位置传感器136a和136b所指的大致中心位置上。在自动控制的情况中，优选地把锁定器118用作制动器，强制测试头100停在所需锁定位置上，而不是只通过气动动作使其停止。

当准备利用正常序列进行对接时，操纵测试头100进入准备对接位置，同时锁定器118松开，而气压缸128使测试头100保持平衡。取决于系统，当到达准备对接位置时，操作者或传感器将提供准备对接信号。根据这个信号，调用力消除序列，保证使测试头100尽可能地平衡。当使用锁定序列方法时，操纵测试头100进入准备对接位置，同时锁定器118接合；并且，当接收到准备对接信号时，只轮流执行上面列出的力消除序列的步骤1502和1503。现在，在每一种情况中，对于准备对接的、刚刚平衡的、并在所有轴上都可自由运动的测试头100，致动和接合对接机构，把测试头100拖入完全对接的位置中。在一些用途中，当提供已经完全对接的信号(由操作者或由传感器)时，再次应用锁定器118。在利用测试头测试集成电路的时候，仍然应用锁定器118。在这两种情况下，在未对接期间，仍然应用锁定器118，直到由操作者或传感器提供“clear-of-dock(清除对接)”信号为止。在这两种情况中，现在可以执行力消除序列了。在锁定序列的情况中，最后执行把测试头100放在所需中心位置上的过程，并且接合锁定器118。在正常序列的情况中，让锁定器118松开。

正如后面所述的那样，在一些应用中，在对接的时候，最好让锁定器118解开。后面还要提供有关对接的进一步信息。

图1(b)显示了与参照图1(a)所述的系统相同的系统，除了在图1(b)中，轴承116a和116b耦合在一起，并在单点处与测试头100相连接之外。与之相反，在图1(a)中，轴承116a和116b分别与测试头100相连接。

如此描述的平衡机构适用于图6(a)、6(b)和8(a)等。与这些图有关的讨论提供了有关控制气体和其它事项的更多信息和细节。

图1(c)示出了与参照图1(a)所示的系统相同的系统，除了在图1(c)中，与图1(a)所示的锁定器118和力传感器120不同，使用了包括压力传感器146a和146b的液压锁定器140之外，与图(1a)所示的系统一样，图1(c)中的系统可以实现如上所述的正常序列或如上所述的锁定序列。图4(b)提供了液压锁定单元140的更详细剖面图。这里，力杆112附在双作用液压缸140的活塞144上。

如图1(c)所示，液压缸140刚性地附在气压缸128上。液压缸140内充满适当的不可压缩流体(未示出)。在液压缸140内部，活塞144依活塞144两侧上的压差而移动。活塞144的每一侧包括经穿过控制阀142的导管152相互连接的流体进口154。在控制阀142一侧上的是压力传感器146a和146b，每一个与两个流体进口154之一相连接。

由于液压流体基本上是不可压缩的，因此，当关闭控制阀142时，锁住了力杆112。当打开控制阀142时，力杆112可自由移动。运动仅由流过系统的流体流动妨碍。这种流动可以通过软管、导管、小孔的孔径、和阀门操作来控制。对流动的适当控制可以形成可能有好处的系统阻尼。尽管活塞144两侧上的压力在控制阀142关闭瞬间是相同的，但是，测试头100施加在力杆112上的不平衡力使活塞144一侧上的压力增大，而使活塞144另一侧上的压力减小。由此得出，由两个压力传感器146a和146b确定的压力差指示作用在力杆112上的力的大小和方向。

图1(c)所示的系统的操作就像针对图1(a)的系统所述的那样，除了致动液压阀142，而不是机械锁定器118，并由控制器读出和处理压力传感器输出以指示力杆112中的力之外。

在操作过程中，压力传感器146a和146b用于指示来自测试头100的不平衡力；把空气提供给气动缸128的缩回进口132和伸出进口134，以抵消压力传感器146a和146b检测的力。图4(a)提供了液压缸128的更详细的剖面图。通过进入了缩回进口132和伸出进口134的气压，在活塞130两端形成压力差。对于这个具有足够大小和方向的压力差，其目的是把力杆112中的力减小到小于预定最大许可不平衡力的大小。

在图1(c)中，使测试头100相对于枢转轴102保持平衡的过程如下。随着控制阀142打开，测试头100相对于它支承结构(未示出)处于所希望位置中，然后，关闭控制阀142。此时，由于控制阀142被关闭了，测试头100相对于枢转轴102被锁住。压力传感器146a和146b检测是否存在来自测试头100的围绕枢转轴102的显著不平衡力，压力传感器146a和146b能够探测力的大小和方向。如果检测到显著的不平衡力，那么，调整缩回进口132和伸出进口134内的气压，以达到扩大活塞130两端的压力差的目的。对于活塞130两端的压力差，其目的是压差足够大以把压力传感器146a和146b测量的力减小到小于预定最大许可不平衡力的大小。此时，控制阀142被打开，并且，测试头100沿着枢转轴102的方向基本上是无重量的。现在，测试头100可以沿着枢转轴102的方向移动。可以按需要重复这个过程，以便把测试头100保持在相对于枢转轴102的平衡状态。

图1(d)示出了与图1(c)所示的系统相同的系统，除了在图1(d)中，轴承116a和116b耦合在一起，并在单点处与测试头100相连接之外。与之相反，在图1(c)中，轴承116a和116b分别与测试头100相连接。

图2(a)示出了本发明的另外示范性实施例。图2(a)是示出把平衡单元110应用于安装在传统支架200上的测试头100的翻滚轴(枢转轴)102上的透视图。测试头100在翻滚轴102的两个端点上与支架200相连接。这里提供了具有两个端部的平衡单元110。平衡单元110的第一端部与测试头100相连接。平衡单元110的第二端部与支架200相连接。支架200是绕着翻滚轴102的测试头的支承结构。

如果测试头100的重心与翻滚轴102不重合，那么，测试头100将绕着翻滚轴102旋转，远离图2(a)所示的位置。平衡单元110将提供反力，使测试头100的重心相对于翻滚轴102保持平衡，以维持图2(a)中测试头100的位置。因此，由于测试头100现在相对于翻滚轴102基本上是无重量的，便于通过手动使测试头100绕着轴102的转动。

图2(b)示出了与图2(a)所示的系统相同的系统，除了在图2(b)中，轴承116a和116b耦合在一起，并在单点处与测试头100相连接之外。与之相反，在图2(a)中，轴承116a和116b分别与测试头100相连接。

图3(a)显示了本发明的另一个示范性实施例。图3(a)是示出把平衡单元110应用于测试头100的枢转轴102上的透视图。测试头100通过支承臂302和夹持凸缘300来支承。轴承305容纳在测试头100的内部。在测试头100的外部，支承臂302与夹持凸缘300相连接。这里提供了具有两个端部的平衡单元110。平衡单元110的第一端部与测试头100相连接。平衡单元110的第二端部与夹持凸缘300相连接。夹持凸缘300是枢转轴102的支承结构。

如果测试头100的重心与枢转轴102不重合，那么，测试头100将绕着穿过轴承305的枢转轴102旋转，远离图3(a)所示的位置。平衡单元110将提供反力，以使测试头100的重心相对于枢转轴102平衡，维持图3(a)中测试头100的位置。因此，由于测试头100现在相对于枢转轴102基本上是无重量的，便于通过手动使测试头100运动。

图3(b)示出了与图3(a)所示的系统相同的系统，除了在图2(b)中，轴承116a和116b耦合在一起，在单点处与测试头100相连接之外。与之相反，在图3(a)中，轴承116a和116b分别与测试头100相连接。

尽管已经就与单根轴102耦合的单个平衡单元110对本发明作了描述，但是，两个或更多个单元可以应用于单根轴或多根轴上。当使用多于一个的单元时，它们可以相互作用。整个控制方案最好考虑到这种潜在相互作用。例如，如果两个单元用于控制两个独立的枢转轴，那么，应该每次操纵一个。可以设想，三个或更多个单元可以成功地用于控制与如在发明背景中描述的球轴承一起安装的测试头。

图5(a)示出了根据本发明一个示范性实施例的、适用于不平衡力很小或没有不平衡力，且柔顺力主要由摩擦引起的水平轴的基本柔顺驱动机构512。在图5(a)中，平板504和平板500代表用在如，例如授予Holt等人、名称为“测试头操纵器(TEST HEAD MANIPULATOR)”的PCT国际申请第US00/00704号所述的、具有一根或多根内置的水平运动轴的操纵器基座的结构中的平板。如图所示，两个线性导轨503a和503b相互平行布置，并刚性地附在平板504的上表面上。两对滚珠滑块，第一对包括滚珠滑块502a和502b，而第二对包括滚珠滑块502c和502d，附在平板500的底面上。第一对滚珠滑块502a和502b布置成使它们与线性导轨503a可滑动地耦合，第二对滚珠滑块502c和502d类似地布置成与线性导轨503b可滑动地耦合。于是，平板500与平板504平行，并且在平板504的上面，且平板500可以沿着由线性导轨503a和503b限定的轴，相对于平板504作线性运动。这样的布置可以在测试头操纵器基座中实现内外运动或左右运动。还应该注意到，这样的布置也适用于如，例如，授予Holt等人、名称为“测试头操纵器(TEST HEADMANIPULATOR)”的PCT国际申请第US00/00704号所述的、由围绕垂直轴旋转水平平板相对于水平面引起的摇摆运动。如图5(a)所示，运动阻力是由与滚珠滑块502a、502b、502c、和502d、和线性导轨503a和503b相关的摩擦力造成的。为了方便起见，如图5(a)所示，把平板50沿着线性导轨503a和503b，向朝着线性致动器508的方向的运动当作向“内”方向的运动，而把相反方向的运动当作向“外”方向的运动。

包括致动器电机510的、线性致动器508的静止元件506附在平板504上。通常，线性致动器508包括由电动机驱动的滚珠丝杠机构，且驱动部件为滚珠丝杠。但是，只要适合于给定应用，也可以使用其它机构和/或螺纹类型。在图5(a)中，线性致动器508的驱动部件是致动器轴514，当向致动器电机510供能时，它从静止元件506伸出和/或缩回到静止元件506中。致动器轴514的运动方向由致动器电机510的旋转方向决定。如所示，线性致动器508布置成使致动器轴514在与线性导轨503a和503b平行的平面内移动。

致动器轴514的顶端有一个其方向与致动器轴514的轴向成名义直角的小孔。U形夹516和穿过致动器轴514的小孔的U形夹插销518将致动器轴514与柔顺轴520耦合在一起。柔顺轴520的轴优选与致动器轴514的轴基本上同轴；但是，本领域的普通技术人员应该明白，其它布置也是可以的。

柔顺轴520穿过锁定器118；锁定器118刚性地附在平板500上。锁定器118可以是包括电操纵型和气动操纵型在内的许多不同类型之一。当接合锁定器118时，限制平板500相对于柔顺轴520，并因而相对于平板504运动。因此，随着锁定器118被接合，线性致动器508可以用于相对于平板504沿着导轨503a和503b定位平板500。当未接合锁定器118时，平板500相对于柔顺轴520和平板504自由运动；因此，实现了平板500相对于平板504的柔顺运动。由于这种机构引起的相关柔顺力包括克服线性导轨503a和503b、和滚珠滑块502a、502b、502c、和502d的摩擦，加上柔顺轴520穿过锁定器118运动的摩擦所需的力。应注意，在特定的操纵器和用途中，另外还可能存在一些力，但是，这些与如上所述的机构无关。

伸出的柔顺止动器522和缩回的柔顺止动器524都刚性地附在柔顺轴520上，在锁定器118的每侧上各有一个。如图5(a)所示，伸出的柔顺止动器522位于锁定器118和U形夹516之间；而缩回的柔顺止动器524位于柔顺轴520a的远端和锁定器118之间。这些柔顺止动器522和524作用为限制柔顺轴520相对于平板500的游动，或者，等效地，限制平板500相对于柔顺轴520的游动。如果未接合锁定器118，平板500可以在外力的驱动下，在两个柔顺止动器522和524之间的距离“D”减去锁定器118的宽度“W”所限定的游动范围上运动，并且，这也限定了运动的柔顺范围。也就是说，随着锁定器118解脱(且优选关闭线性致动器508)，平板500可以在足以克服上述柔顺力的外力的驱动下，在由D-W限定的距离上沿着线性导轨503a和503b运动。

一般说来，与滚珠滑块502a、502b、502c、和502d、及线性导轨503a和503b有关的摩擦大于柔顺轴520和锁定器118之间的摩擦。于是，如果锁定器118解脱，并且向线性致动器电机520供能，那么，柔顺轴520相对于锁定器118和平板500运动。如果向致动器电机510供能，以便致动器轴514从静止元件506伸出，那么，伸出的柔顺止动器522沿着锁定器118的方向运动。如果致动器电机510未关闭，那么，随着到达柔顺范围的末端，伸出的柔顺止动器522靠在锁定器118上；然后，致动器轴514的进一步伸出使平板500相对于平板504向“外”方向移动。另外，如果向致动器电机510供能，使致动器轴514缩回到静止元件506中，那么，缩回的柔顺止动器524沿着锁定器118的方向运动。如果致动器电机510未关闭，那么，随着到达柔顺范围的末端，缩回的柔顺止动器524靠在锁定器118上；然后，致动器轴514的进一步缩回使平板500相对于平板504向“内”方向移动。

在操作过程中，最好把柔顺轴520定位和锁定在它相对于平板500的运动范围内、某个预选点的小邻域内的位置上。通常，这个点是两个柔顺止动器522和524之间的中点；但是，存在着使这个点位于更靠近两个柔顺止动器522或524的某一个的位置上更优选的应用。把这个邻域称为“柔顺中性区域”。柔顺中性区域通常是整个柔顺范围的一小部分；例如，40到50mm总柔顺范围当中的±3或4mm。

当锁定器118位于柔顺中性区域和伸出的柔顺止动器522之间时，一般称它处在“柔顺伸出区域”中。类似地，当锁定器118位于柔顺中性区域和缩回的柔顺止动器524之间时，一般称它处在“柔顺缩回区域”中。

如图5(a)所示，把位置传感器528合并进来，以探测平板500相对于柔顺轴520的相对位置。位置传感器528可以是从精确编码器、电位计等到限位开关、接近传感器、测距仪等的组合范围内的许多种已知类型的任何一种。作为最起码的能力，位置传感器528应该指示机构当前处在三个范围的哪一个中：柔顺伸出、柔顺中性、还是柔顺缩回。

现在描述柔顺机构512的操作。首先，解脱锁定器118。然后，将线性致动器508与位置传感器528结合在一起使用以把柔顺轴520定位在预定柔顺中性位置上。现在，锁住锁定器118，并且，线性致动器508用于把平板500定位在相对于平板504的所需位置上。例如，所需位置可以是将对接测试头或负载(未示出)的位置。现在，关闭线性致动器电机510，并解脱锁定器118。现在，随着测试头或负载被驱使进入它的最后对接位置时，平板500可以在外力，例如，对接机构产生的力的驱动下以柔顺方式移动。根据特定的应用和/或用户偏好，一旦到达最后对接位置，锁定器118可以或不重新锁住。同样，根据特定的应用和/或用户偏好，在解开测试头或负载的同时，锁定器118可以或不锁住。但是，一旦脱离，在通过线性致动器508启动平板500的运动之前，应该根据前面的过程，把柔顺轴520放置并锁定在柔顺中性位置中。

图5(b)示出了图5(a)的可替代实施例。在图(b)中，液压机构513取代图5(a)的锁定器118和柔顺止动器522和524。尤其是，双作用液压缸140的主体附在平板500上且它的缸筒的轴线与线性致动器508的致动器轴514的轴在一个平面内。并且，正如图5(b)所示的那样，平板50沿着线性导轨503a和503b在朝着线性致动器508的方向的运动是向“内”方向的运动，而相反方向的运动是向“外”方向的运动。缸140离线性致动器508最远的一端是“伸出端”532，而缸140最接近线性致动器508的一端是“缩回端”533。活塞144位于液压缸140的内部；并且，活塞144与轴520b相连接，轴520b与液压缸140的缸筒同轴，并且通过液压缸140的缩回端533伸出。轴520b用作柔顺轴520的一部分，并且，它通过参照图5(a)所述的U形夹516和U型夹插销518与致动器轴514相连接。在图5(b)中，附在活塞144的相对侧的第二轴520c通过液压缸140的伸出端532延伸。这个第二轴520c用作柔顺轴520的延伸部，并且，图5(b)中的位置传感器探测这个轴520c相对于平板500的位置。但是，把系统布置成使位置传感器528可以与第一轴520b结合在一起操作以节省配备第二轴520c的可能额外成本也是可行的。

液压缸140两端的每一个都配有使适当的液压流体流入或流出缸140的端口154。两个端口154通过导管152经由阀门142从外部相互连接。阀门142设置成：当打开它时，流体可以自由地从一个端口流出，流入另一个端口；而当关闭它时，流体不能在两个端口之间流动。整个机构充满适当的、基本上不可压缩的流体。流体的选择应该考虑到如果在系统中产生泄漏会发生的可能有害的作用。此外，由于系统往往要放在温度比水的冰点低得多的飞机货舱中装运，流体应该具有低的凝固点。由于流体是不可压缩的，很显然，当关闭阀门142时，活塞不能沿着任一方向运动。但是，随着阀门142打开，由于流体可以通过端口154、导管152、和打开的阀门142所提供的路径自由地从活塞144的一侧流动到另一侧，因此，活塞144能够移动。当关闭阀门142时，基本上锁住了柔顺轴520相对于液压缸140和其上附着缸140的平板500的运动。因此，随着阀门142被关闭，线性致动器508的操作使平板500沿着线性导轨503a和503b限定的轴相对于平板504运动。但是，随着阀门142被打开，平板500可以在外力的驱动下，在活塞144的有效冲程所定义的游动范围(基本上等于缸140的两端壁之间的内距离减去活塞144的厚度)内，沿着线性导轨503a和503b限定的轴移动；并且，这限定了运动的柔顺范围。也就是说，随着阀门142打开(且优选关闭线性致动器电机510)，平板500可以在外力的驱动下，在通过活塞144的有效冲程限定的距离上，沿着线性导轨503a和503b运动。

一般来说，随着阀门142被打开，与活塞144在液压缸140中运动有关的摩擦和其它力小于与线性导轨503a和503b、和滚珠滑块502a、502b、502c、和502d有关的摩擦力。于是，如果阀门142被打开且向线性致动器电机510供能，那么，柔顺轴520相对于液压缸140和平板500运动。如果向致动器电机510供能以使致动器轴514从静止元件506伸出来，那么，活塞144朝着缸的伸出端532运动。现在，如果没有关闭致动器电机510，那么，随着到达柔顺范围的末端，活塞144靠在缸140的伸出端532的端壁上。然后，致动器轴514的进一步伸出使平板500相对于平板504向“外”方向移动。如果向致动器电机510供能，使致动器轴514缩回到静止元件506中，那么，活塞144朝着缸140的缩回端533移动。现在，如果致动器电机510没有关闭，那么，随着到达柔顺范围的末端，活塞144靠在缸140的缩回端533的端壁上。此外，致动器轴514的进一步缩回使平板500相对于平板504向“内”方向移动。

在操作过程中，最好把活塞144(及与它相连的柔顺轴520)定位和锁定在它相对于平板500的运动范围内、某个预选点的小邻域内的位置上。通常，这个点是缸140两个端点之间的中点；但是，存在使这个点位于更靠近两个端点的某一个的位置上更优选的应用。我们将再次把这个邻域称为“柔顺中性区域”。柔顺中性区域通常是整个柔顺范围的一小部分；例如，40到50mm总柔顺范围当中的±3或4mm。

当活塞144位于柔顺中性区域和缸140的伸出端532之间时，一般认为它处在“柔顺伸出区域”中。类似地，当活塞144位于柔顺中性区域和缸140的缩回端533之间时，一般认为它处在“柔顺缩回区域”中。

正如图5(a)那样，合并有位置传感器528，以探测平板500相对于柔顺轴520的相对位置。位置传感器528可以是在从精确编码器、电位计等到限位开关、接近传感器、测距仪等的组合的范围内的许多种已知类型的任何一种。作为最起码的能力，位置传感器528应该指示机构当前处在三个范围的哪一个中：柔顺伸出、柔顺中性、还是柔顺缩回。

现在描述机构513的操作。首先，打开阀门142。然后，将线性致动器508与位置传感器528结合使用，以将活塞144定位在预定柔顺中性位置上。现在，关闭阀门142，把活塞144和柔顺轴520锁定在柔顺中性位置中，并且，线性致动器508用于把平板500定位在相对于平板504的所需位置上。例如，所需位置可以是将对接测试头或负载(未示出)的位置。现在，关闭线性致动器508且打开阀门142。现在，当驱使测试头或负载进入它的最后对接位置时，平板500可以在外力，例如，对接机构产生的力的驱动下以柔顺方式移动。根据特定的应用和/或用户偏好，一旦到达最后对接位置，阀门142可以关闭或不关闭。此外，还根据特定的应用和/或用户偏好，在解开测试头或负载的同时，阀门142可以关闭或不关闭。但是，一旦脱离，在通过线性致动器508启动平板500的运动之前，应该根据前面的过程，把柔顺轴520放置和锁定在柔顺中性位置中。

图5(c)示出了用于不平衡力很小或没有且柔顺力主要由摩擦引起的水平轴的另一种示范性柔顺驱动机构550。两个平板500和504、线性导轨503a和503b、滚珠滑块502a、502b、502c和502d、和线性致动器508的布置和目的基本上与参照图5(a)所述的相同。另外，柔顺轴520以与图5(a)所示的相似方式，通过U形夹516和U形夹插销518与致动器轴514相连接。如图5(c)所示，平板50沿着线性导轨503a和503b，向朝着线性致动器508的方向的运动是向“内”方向的运动，而相反方向的运动是向“外”方向的运动。

柔顺轴520穿过内安装支架554和外安装支架552，这两个支架刚性地附在平板500的下侧，内安装支架554比外安装支架552更接近线性致动器508。最好，柔顺轴520可以相对于安装支架552和544，沿着内外方向的轴自由运动，而滚珠滑块502a、502b、502c和502d可以用于完成这个任务。柔顺止动器556在位于两个安装支架552和554之间的位置上刚性地附在柔顺轴520上。

外定心致动器558的静止元件附在外安装支架552上，而内定心致动器560的静止元件附在内安装支架554上。这两个定心致动器558和560每一个的驱动部件是一旦适当地对致动器558或560供能，就从静止元件伸出来或缩回到静止元件中的柱塞或滚珠丝杠机构(为了方便起见，我们用术语“柱塞”指每一个都是适用的、来龙去脉清楚的每一种类型驱动部件)。把两个致动器558和560安装在相反方向上，使得柱塞或滚珠丝杠基本上同轴和与柔顺轴520的轴平行，并使得在适当地供能时，柱塞或滚珠丝杠机构向朝着柔顺止动器556的方向伸出。

可以看出，如果使内致动器柱塞564和外致动器柱塞562之一或二者充分缩回，以便在柔顺止动器556与致动器柱塞562和564之一或二者的远端之间存在空隙，那么，就形成柔顺运动的范围。如果这个状态得到满足，那么，平板500可以由足以克服除了安装支架552和554和柔顺轴520的摩擦力之外还有滚珠滑块502a、502b、502c和502d、和线性导轨503a和503b的摩擦力的外力驱动下，沿着线性导轨503a和503b移动。可用的柔顺运动总范围等于两个致动器柱塞562和564的远端之间的距离减去柔顺止动器556的厚度。于是，在图5(c)的系统中，如果需要的话，可以借助定心致动器558和560控制柔顺运动的范围；然而，在图5(a)和5(b)的系统中，柔顺区域是固定的。

还可以看出，如果内、外致动器柱塞564和562两者分别伸出，使得两者同时靠在柔顺止动器556上，那么，平板500固定在相对于柔顺轴520的某一位置上。然后，线性致动器508可以用于相对于平板504移动和定位平板500。

一般说来，与滚珠滑块502a、502b、502c、和502d、和线性导轨503a和503b相关的摩擦大于分别在柔顺轴520与内、外安装支架554和552之间的摩擦。于是，如果定心致动器柱塞562或564之一或二者充分缩回，使得柔顺运动成为可能，然后向线性致动器电机520供能，那么，柔顺轴520和柔顺止动器556分别作相对于内、外安装支架554和552的运动。如果向致动器电机510供能，使致动器轴514从静止元件506伸出，那么，柔顺止动器526沿着外致动器柱塞562的方向运动。如果致动器电机510未关闭，那么，随着到达柔顺范围的末端，柔顺止动器556靠在外致动器柱塞562上。然后，致动器轴514的进一步伸出使平板500相对于平板504向外方向移动。相反，如果向致动器电机510供能，使致动器轴514缩回到静止元件506中，那么，柔顺止动器556沿着内致动器柱塞564的方向运动。如果致动器电机510未关闭，那么，随着到达柔顺范围的末端，柔顺止动器556靠在内致动器柱塞564上。然后，致动器轴514的进一步缩回使平板500相对于平板504移动。

在操作过程中，最好把柔顺轴520定位和固定在它相对于平板500的运动范围内、某个预选点的小邻域内的位置上。通常，这个点是两个内、外定心致动器560和558的中点；但是，存在这个点位于更靠近两个定心致动器560和558的某一个的位置上更优选的应用。我们将再次把这个邻域称为“柔顺中性区域”。柔顺中性区域通常是整个柔顺范围的一小部分；例如，40到50mm总柔顺范围当中的±3或4mm。

当柔顺止动器556位于柔顺中性区域和外致动器柱塞562的远端之间时，一般称它处在“柔顺外侧区域”中。类似地，当柔顺止动器556位于柔顺中性区域和内外致动器柱塞562的远端之间时，一般称它处在“柔顺内侧区域”。

正如下面所讨论的那样，如果遵循适当的定心致动器和设计过程，无需探测平板150相对于平板504的相对位置的传感器，也可以实现图5(c)中那种类型的有用系统。但是，为了这个目的可以把位置传感器528(未示出)可选地包括进来，以实现可能更复杂的系统。位置传感器528可以是从精确编码器、电位计等到限位开关、接近传感器、测距仪等的组合范围内的许多种已知类型的任何一种。作为最起码的能力，位置传感器528应该指示机构当前处在三个范围的哪一个中：柔顺内侧、柔顺中性、还是柔顺外侧。

为了实现没有位置传感器528的系统，最好使用这种类型的定心致动器558和560，该定心致动器558和560可以被控制到能够使它们的柱塞562和564沿着给定方向移动，直到到达它的整个游动范围的程度。这样的致动器558和560可以简单得像具有柱塞562和654的螺线管器件那样，一旦供能，它马上伸长到它的整个范围，而一旦断电，在弹簧的驱动下，完全缩回。包括电机和螺杆机构的致动器558和560也是可行的。如果把硬止动器包含在致动器558和560中，以防止螺杆走过头，且如果适当地防止电机在停转时出现过热，可以在足以使它到达它的游动极限的时间长度内，沿着已知方向简单驱动螺杆。另外，电机驱动螺杆致动器可以包含限位开关，以发出已经达到游动范围的端点的信号。另一种可供选择的方案可以包含步进电机，并且，通过控制电机的步数来控制位置，可能与一个或多个限位开关结合。第二个要求是设计每个致动器柱塞562和564、或螺杆的行程长度以及内、外安装支架552和554和定心致动器558和560的布局，以达到所需结果。具体的准则包括：当致动器558和560两者都处在完全伸出状态下时，使柔顺止动器556稳固地保持在所需柔顺中性位置上；和当致动器558和560两者都处在完全缩回状态下时，实现所需运动的柔顺范围。

现在描述没有位置传感器的图5(c)的机构的操作。首先，向定心致动器558和560供能以完全伸出它们的柱塞562和564或螺杆。这使平板500相对于柔顺轴520移动到柔顺中性位置上。注意，在这个在图5(c)的系统中实现柔顺中性位置的步骤中，平板500在柔顺轴520保持静止的同时移动；然而，在图5(a)和5(b)的系统中，平板500保持固定，而柔顺轴520移动，以实现这个目的。现在，致动器558和560处在它们的柱塞562和564或螺杆保持在完全伸出的位置中，致使平板500保持在柔顺中性位置中的状态下。对于不可向后驱动的电机驱动致动器，简单地关掉电源就可以实现。对于其它致动器，譬如，螺线管致动器，也许有必要保持施加在上面的电激励。对于如此保持在柔顺中性位置中的平板500，线性致动器508然后用于把平板500定位在相对于平板504的所需位置上。例如，所需位置可以是将对接测试头或负载(未示出)的位置。现在，关闭线性致动器电机510，并以缩回它们的柱塞562和564或螺杆以为柔顺运动形成一个区域的方式控制定心致动器558和560。现在，当驱使测试头或负载进入它的最后对接位置时，平板500可以在外力，例如，对接机构产生的力的驱动下以柔顺方式移动。根据特定的应用和/或用户偏好，当到达最后对接位置时，定心致动器558和560可以或不用于相对于平板504有效地锁定平板500。此外，还根据特定的应用和/或用户偏好，在使测试头或负载脱离的同时，可以或不通过定心致动器558和560使平板500保持在某一位置中。但是，一旦脱离，在通过线性致动器508启动平板500的运动之前，应该根据前面的过程，把柔顺轴520放置和锁定在柔顺中性位置中。

现在描述根据图5(c)的还包含了探测平板500相对于柔顺轴520的位置的位置传感器528a(未示出)的系统。在这样的系统中，使用电机操作定心致动器558和560，以便利用有效的反馈位置是最切实可行的。致动器柱塞562和564或螺杆的整个行程和致动器558和560的布置没有在如上所述没有位置传感器528a的系统中那么重要。把致动器558和560设置成：当它们的柱塞562和564两者都完全缩回时实现运动的适当柔顺范围；而当它们完全伸出时柱塞562和564至少到达柔顺中性位置就足够了。除了位置传感器528a用于指示柔顺止动器556何时到达柔顺中性位置之外，其操作基本上与没有位置传感器528a的系统相同。此外，如果使用编码器或电位计型位置传感器528a，在图5(c)的系统中，以及在图5(a)和图5(b)的系统中，通过适当地编程控制系统，无需改变机械结构，就可以改变柔顺中性区域的位置。

图5(a)(以及图5(b)和图5(c))的机构也可以应用于枢转轴，其中，运动是主体或负载绕轴的旋转，而不是沿着轴平动。该技术也可以应用于转动和平动的组合。图7示出了应用于绕垂直轴102旋转的主体100的柔顺机构。这与测试头操纵器中的偏转运动相同。图7中的柔顺机构还显示了可替代图5(a)中的机构的实施例。具体地说，图5(a)中的机构具有附在臂(柔顺轴520)上的致动器轴514或螺杆和附在臂(柔顺轴520)上操作的锁定器118上的可移动主体(平板500)。在图7中，锁定器118和臂(力杆112)的布置倒过来了；也就是说，致动器轴514或螺杆514与在力杆112上操作的锁定器118耦合，力杆112又与可移动主体100耦合。可以看出图7的操作完全与图5(a)的操作类似。下面更详细地讨论包含在图7中的特征。

图5(a)到5(c)的实施例已经阐述了说明对水平面内的运动轴的柔顺性或不存在任何显著的不平衡力的其它情况的示范性实施例。图6(a)和图8(a)说明提供抵消不平衡力的平衡力、和在不平衡力可以是显著的、随位置而改变的、和往往不可预测的的驱动轴中的柔顺性的机构。这些机构被称为“平衡柔顺致动器组件(BCAA)”。

在图6(a)和8(a)中，主体100代表可绕枢转轴102旋转的重负载(即，测试头)，枢转轴102处在靠近一个表面且偏离所述主体重心相当距离的地方。图6(a)和8(a)中的主体600代表支承枢转轴102的固定结构的一部分。例如，主体100可以代表测试头，其俯仰轴或翻滚轴靠近dut接口，而主体600可以代表测试头固定支架的一部分，测试头固定支架又被与测试头操纵器(未示出)的主臂相连接的设备支承。在如下的讨论中，除非另有说明，假设俯仰轴102处在水平面内。注意，如果主体100发生旋转，使得它的重心不正好在俯仰轴102的下面，那么，由主体100的重量引起的力矩造成随主体100的位置而改变的不平衡。因此，柔顺力包括克服这个力矩以及摩擦和诸如绳索力之类的其它可能作用所需的力。

如图6(a)和8(a)所示的和将要描述的机构包括在名称为“用于测试头操纵器的测试头平衡系统(A Test Head Balancing System for a Test HeadManipulator)、授予Ny等人和转让给与本申请相同的受让人的美国临时专利申请第60/234,598号中说明的概念。明确地说，在临时申请第60/234,598号中解释了图1(a)、1(c)、2(a)、3(a)、4(a)和4(b)。

尽管没有示出，但是，在图6(a)和8(a)中暗示着，存在系统控制器。系统控制器执行控制序列，并把控制信号提供给致动器和阀门，后面将对这些加以描述。另外，系统控制器接收操作者的输入和来自传感器的反馈信号，后面也将对这些加以描述。

总之，图6(a)和8(a)两者都包括绕着枢转轴102驱动主体100的线性致动器508、包括锁定器118、力杆112、和两个柔顺止动器522和524以使主体100作柔顺运动的柔顺机构、测量施加在力杆112中的不平衡力的力传感器120、和生成平衡力以补偿不平衡力的双作用气压缸128。

图6(a)和8(a)是相当相似的。它们之间的唯一区别在于，如何支承双作用气压缸128的主体的。于是，下面一起描述这两个图的共同特征；并且，在适当的时候分别描述它们之间的差异。

在图6(a)和8(a)两者中，线性致动器508的静止元件506，包括它的电机510在内，借助于轴承620附在主体600上。线性致动器508的驱动部件是致动器螺杆514，当向电机510供能时，致动器螺杆514从静止元件506伸出或缩回到静止元件506中；明确地说，如果向电机510供能，使电机沿着第一旋转方向转动，螺杆(致动器)从静止元件506中伸出；而如果向电机510供能，使电机沿着相反方向转动，螺杆(致动器)缩回到静止元件506中。致动器螺杆514通常是滚珠螺杆；但是，在适当的地方，可以使用其它类型的螺杆或其它致动器装置。

力杆112借助轴承116a附在主体100上。如图所示，力杆112通过锁定器118接合，锁定器118则借助于机器螺杆或其它适当的装置刚性地附在致动器螺杆514的远端。锁定器118可以是现有技术中众所周知的几种类型的任何一种。取决于所选锁定器的类型，可以通过电信号、气体输入、或适合于特定应用的其它措施控制它。当锁定器118致动时，它牢固地抓住力杆112，然后，使力杆112以刚性的方式有效地附在致动器螺杆514上。因此，当使锁定器接合时，限制主体100相对于致动器螺杆514运动。当释放锁定器118时，力杆112可以沿着锁定器118滑动，并沿着基本上与致动器螺杆514的轴平行的直线运动。因此，当瞬间把气压缸128和任何不平衡力置之度外时，通过致动锁定器118，线性致动器508可以用于使主体100围绕枢转轴102相对于主体600旋转。另外，当没有锁住锁定器118时，主体100对足够的外力作出反应，相对于致动器螺杆514和主体600自由运动；因此，实现了主体100相对于主体500的柔顺运动。也就是说，随着锁定器118被释放，响应外力，实现主体100绕着它的枢转轴102并相对于主体600的柔顺运动。为了限制柔顺运动的范围，伸出的柔顺止动器522和缩回的柔顺止动器524刚性地附在力杆112上。伸出的柔顺止动器522位于锁定器118和主体100之间。缩回的柔顺止动器524位于锁定器118的对面和锁定器118与力杆112的远端之间。

双向力传感器120以沿着力杆112测量力的方式与力杆112耦合。力传感器120可以用双向测压元件、一种容易获得的器件实现。测压元件包含可以以众所周知的方式处在桥式电路之中、提供随测量力单调变化的电压输出的应变仪。利用模拟-数字转换器和处理器，可以确定沿着力杆112的力是否大于自由运动所能容忍的最大值；并且，如果是的话，确定力的方向。可选地，模拟比较器电路可以以已知的方式用于产生指示显著不平衡力的存在和方向的是/否信号。

前述柔顺止动器522和524用于在线性致动器508伸出一定长度的情况下，限制力杆112相对于主体600的游动。如果杆锁定器118没有接合，力杆112可以在作用于主体100的外力的驱动下，在通过两个柔顺止动器522和524之间的距离“C”减去杆锁定器118的宽度“L”限定的游动范围上移动，并且，这也限定了主体100的运动柔顺范围。也就是说，随着杆锁定器118被松开(且优选关闭线性致动器电机510)，主体100可以在足以克服柔顺力的外力的驱动下，绕着枢转轴102转过由力杆112经过距离C-L的相应运动所确定的角度。在图6(a)或8(a)中，随着锁定器118相对于力杆112运动，气压缸128中的活塞130也将移动。活塞130的总有效冲程设计成使活塞130和气压缸128不与柔顺止动器522和524干涉是重要的。

可以看出，倘若锁定器118被解开并使主体100转动一个角度，以便它的重心不正好在枢转轴102的下面，那么，两个柔顺止动器522和524必有一个将靠在锁定器118上。这是主体100的重量引起的绕枢转轴102的力矩是否足以克服系统中的静摩擦、由于气压缸128和活塞130作用在主体100上的力、和作用在系统上的任何力的情况。在这种状态下，很显然，向致动器电机510供能将使主体100绕枢转轴102旋转。这未必是最佳的操作模式；相反，它是当对本发明的示范性实施例考虑各种操作序列时应留意的情况。

在操作过程中，最好把锁定器118移动和锁定在它相对于力杆112的运动范围内、某个预选点的小邻域内的位置上。通常，这个点是两个柔顺止动器522和524的中点；但是，存在使这个点位于更靠近两个柔顺止动器522或524的某一个的位置上更优选的应用。我们将把这个邻域称为“柔顺中性区域”。柔顺中性区域通常是整个柔顺范围的一小部分；例如，40到50mm总柔顺范围当中的±3或4mm。

仍然参照图6(a)和8(a)，当锁定器118位于柔顺中性区域和伸出的柔顺止动器522之间时，一般称它处在“柔顺伸出区域”中。类似地，当锁定器118位于柔顺中性区域和缩回的柔顺止动器524之间时，一般称它处在“柔顺缩回区域”中。

也许有必要使主体100处在平衡状态，以便使锁定器解开，然后，移动到柔顺中性位置。这种平衡可以以许多可能方式，包括，例如，使重心位于枢转轴102的下面和/或施加外力来实现。但是，正如上面所说明的，气压缸128和活塞130的目的是提供平衡力的可控制源。

配备位置传感器612以探测力杆112相对于锁定器118的位置。位置传感器612可以是从精确编码器、电位计等到限位开关、接近传感器、测距仪等的组合范围内的许多种已知类型的任何一种。作为最起码的能力，位置传感器612应该指示机构当前处在三个范围的哪一个中：柔顺伸出、柔顺中性、还是柔顺缩回。

配备双作用气压缸128以产生抗衡任何不平衡力的力。其目的是使作用在主体100上的净力和/或力矩最小化到可接受水平，以便使主体100相对于主体600作柔顺运动。当实现这个目的时，可以认为主体100处在“平衡状态”下。注意，当处在平衡状态下，可能存在成为总柔顺力的分量的“残余非平衡力”。在图6(a)中，双作用气压缸128借助于适当的安装硬件624和轴承622附在主体600上。在图8(a)中，双作用气压缸128利用支架附在锁定器118上。在图6(a)和8(a)中，气压缸128包含与连杆114耦合的活塞130，连杆114与缸128的轴同轴。连杆114穿过气压缸128的端部，伸向主体100，并且，它通过轴承116b与主体100耦合。尽管图6(a)和8(a)示出借助于两个分离轴承116a和116b附在主体100上的连杆114和力杆112，但是，如在其它方面与图8(a)相同的图8(b)所示，其它可替代的结构也是可以的，包括使用支架等，以便借助于轴承116a和116b将杆114和112两者与主体100共同耦合在一起。图8(b)示出了与支架800耦合在一起的锁定器118和缸128，支架800有效地耦合杆114和112。

高压气体供应器602提供用于操作气压缸128的气源。通常，在半导体测试设施中，每英寸80到100磅的气压是适合的和可获得的。气压缸128含有两个气体进口132和134，一个在活塞130的一侧，通常靠近缸128的每端。第一气体进口132借助于导管与第一蓄能器608a耦合，且第二气体进口134借助于导管与第二蓄能器608b耦合。第一和第二蓄能器608a和608b借助于导管分别与第一和第二阀门604a和604b耦合，而第一和第二阀门604a和604b借助于适当的导管与气体供应器602耦合。第一和第二阀门604a和604b由未示出的控制器来控制。

另外，两个阀门604a和604b每个都具有使气体排出缸128和蓄能器608a和608b的通气口。阀门604a和604b的每一个可以处在如下三个位置之一：

“注入位置”使气体从气体供应器602流入蓄能器608a和608b和缸128。

“通气位置”使气体通过通气口从蓄能器608a和608b和缸128排出到大气中。

“关闭位置”阻止气体通过阀门604a和604b流入或流出蓄能器608a和608b和缸128。

阀门(604a和604b)的许多不同结构都可在市场上买到。例如，除了如图所示的单个独立阀门(604a和604b)之外，还可以存在如下单元，该单元包含两个阀，其配置成如果一个阀门处在注入位置，另一个处在排出位置，那么，当从活塞130的一侧注入气体时，从对侧自动排出气体。

正如上面所指出的，气压缸128的目的是生成补偿作用在负载上不平衡力的力，在本例中，负载是主体100。例如，假设主体100绕枢轴旋转一个角度，使得它重心在水平方向与枢转轴102偏离。那么，主体100的重量是形成沿着把重心移动到直好在枢转轴102下面的点的方向起作用的、绕枢转轴102的转矩的不平衡力。这个转矩的大小和方向是重量，以及旋转角的大小和方向的函数，其中，旋转角是重心相对于枢转轴102的水平位移除以从重心到枢转轴102的最短距离所得比率的反正弦。不平衡力被看出是一个变量，并且是负载位置的函数。气压缸128根据活塞130两侧上气压差，生成作用在它的活塞130上的力。这个力沿着连杆114传递，作用在由连续杆11的轴的延长线确定的位置和方向上的主体100上。设备被布置成使这根力线在整个关注的旋转角的范围内不与枢转轴102相交。因此，活塞130可以产生主体100上绕枢转轴102的转矩，这个转矩等于主体100的重量引起的不平衡转矩，方向与主体100的重量引起的不平衡转矩的方向相反，从而，使主体100达到平衡状态。由气动设备生成的力在这里被称为“平衡力”。

在操作过程中，阀门604a和604b通常处在关闭位置。为了增大作用在活塞130的一侧上的压力，把相应阀门(604a或604b)切换到注入位置。获得的压力改变是缸128中的当前压力、气体供应器的压力、和阀门(604a或604b)工作的时间长度的函数。为了减小作用在活塞130的给定侧上的压力，把相应阀门(604a或604b)切换到排出位置。这里，取得的压力改变只是缸128中的当前压力和阀门(604a或604b)工作的时间长度的函数。因此阀门(604a或604b)工作的最短时间长度决定在给定初始缸压下可以实现的缸128中的最小压力增量。通常，最短时间是8到10微秒。可以作用在连杆114上的最小平衡力增量由压力的最小增量与活塞130的面积乘积决定。通过适当选择部件和参数，可以实现小于2磅的平衡力增量，并且，这决定如何可以尽可能接近地抵消不平衡力。

如果平衡力是通过气压缸128和活塞130，且主体100相对于主体600处在特定位置上而建立起来的，且如果主体100现在相对于主体600稍微移动，那么，活塞130在缸128内移动，而建立起来的抗衡力将随着活塞130每一侧上的气体体积改变而改变。明确地说，与机构弹簧类似，压力差随着活塞130的位移单调增大。施加在活塞130给定侧上的气动力与体积成反比地改变。但是，对于气体体积改变相对小的位移，等效弹性力随位移，以及等效“弹簧常数”K近似线性地改变。也就是说，F＝Kx，其中，F是力的改变，和x是活塞130位移的改变。最好，设法使K小一点，以便力在整个运动范围上不会相当大地改变。K部分地由气体总体积相对于每活塞130位移增量引起的压力改变决定，也就是说，由V和dP/dx决定，此处，V是体积，而P是压力。随着活塞130接近它行程的一端，V变得很小，dP/dx变成成指数增大，因此，K像F那样增大。可以把如上所述的蓄能器加进来，用于显著增加V，并把dV/dx和dP/dx限制在可接受的值上。这样就在柔顺范围内提供了相对低的和不变的值K，或者说，达到了所谓的“软弹簧”效果，这显然是所需要的。

在简要描述了如图6(a)和8(a)所示的设备的各部件之后，现在进一步阐述系统的细节和操作。

为了实现平衡状态，首先锁住锁定器118，以防止主体100移动。然后，控制器对源自力传感器120的信号作出响应，以适当的方式操作阀门604a和604b，以便使平衡力施加到主体100上。控制器调整平衡力，直到它具有足够的大小和方向，以把力杆112中的力的大小减小到小于预定阈值的大小为止，预定阈值代表最小许可不平衡力。取决于环境，这个阈值通常小于5到10磅；并且，如果考虑系统的设计，它可以低至1到2磅。当这个状态已经得到满足时，主体100被认为处在“平衡状态”，并且，原始不平衡力与活塞130生成的平衡力之间的差值将被称为“残余不平衡力”。

现在假设主体100处在这样的平衡状态下，且锁定器118锁定和定位在远离两个柔顺止动器522和524之一的地方。如果现在解开锁定器118，那么，倘若任何残余不平衡力小于系统中的静摩擦力，包括与气压缸128和活塞130相关的挣脱力的效果，主体100和锁定器118就不移动。如果达到这个状态，那么，主体100被认为是“完全平衡”的。但是，如果残余不平衡力足以克服所有静摩擦力，那么，主体100被认为是“近乎平衡”的。如果主体100是近乎平衡的且锁定器118被释放，锁定器110将朝着两个柔顺止动器522或524之一移动。锁定器118是否靠在柔顺止动器(522或524)上取决于不平衡力和平衡力两者作为位置改变的函数如何改变。应该明白，实现完全平衡状态要求更大的精度，于是，要求更高的系统成本，然后，实现近乎平衡状态。

现在引入术语“柔顺准备状态”来表示主体100处在平衡状态且力杆112处在柔顺中性区域时的情况。一般说来，最好平衡状态是完全平衡状态，以便如果锁定器被解开，那么，主体100不移动。

在一般情况下，可以假设主体100开始不处在平衡状态，而处在相对于主体600的任意位置上。还假设要达到柔顺准备状态。在这种情况下，不平衡力通过力杆112和力传感器120支承和测量。如果锁定器118处在解开状态和如果不平衡力相当大，那么，力杆112最有可能处在它柔顺范围的这一端或那一端；并且，不平衡力将通过靠在柔顺止动器(122或124)上的锁定器118从力杆112传递到致动器螺杆514。但是，如果锁定器118处在锁定状态，那么，不平衡力直接从力杆112传递到锁定器118，因而传递到致动器螺杆514。

存在几种实现所需柔顺准备状态的可能方式。但是，在任何控制动作之前，应该注意，保证主体100和其它设备不要靠在可能干涉即将到来的平衡和柔顺范围定位操作的任何外来物体或结构上。在一些情况下，也许有必要把主体100首先移入某个所需位置中。在这样的情况下，如果锁定器118还没有致动，那么，首先致动锁定器118，然后，利用线性致动器508产生所需运动。如果存在的话，其它操纵器轴的移动或许也是必要的。所述移动可以通过手动措施来实现，手动措施可以包括利用按钮命令使控制器操纵线性致动器508。可选地，控制器可以配有适当的算法，使它能够在自动定位序列中利用与位置反馈结合在一起的线性致动器508。对于处在所需位置中的主体100，存在几种达到柔顺准备状态的可能性。具体方法的设计和选择取决于现有应用的细节。如下所述的是两种所选方法，以及表示每一种的可能应用的注释。在这两种情况中，假设锁定器118不处在柔顺中性位置上。

方法1：如图15(b)中的流程图所示，这种方法需要把系统设计成平衡果总导致完全平衡状态，它包括如下一系列步骤：

1.如步骤1510所示，如果锁定器118还没有被锁住，那么，锁住它。

2.如步骤1511所示，根据前述过程，使主体100达到平衡。

3.如步骤1512所示，解开锁定器118。

4.如步骤1513所示，线性致动器508用于把锁定器118定位在柔顺中性位置上。

5.如步骤1514所示，再次锁住锁定器118。

6.如步骤1515所示，再次使主体100达到平衡，以调节步骤1513导致的不平衡的任何改变。

7.如步骤1516所示，主体100现在完全平衡且处在柔顺准备状态，同时锁定器118锁住。

注意，步骤1513要求满足两个条件才能实现。首先，要求在步骤1513中实现的平衡是完全平衡状态，以便当锁定器118被释放时，主体100保持固定不动。其次，要求锁定器118和力杆112之间的摩擦力小于系统的其余部分的静摩擦力，包括气压缸128中活塞130的挣脱力在内。

方法2：如图15(c)中的流程图所示，这种方法不需要把系统设计成平衡总是导致完全平衡状态。它可以在平衡是完全平衡或近乎平衡的情况下工作。它包括如下一系列步骤：

如步骤1520所示，解开锁定器118。

如步骤1521所示，根据来自位置传感器612的反馈，控制器操作阀门604a和604b，以操纵双作用气压缸128中的气体压力，使活塞130沿着相对于锁定器118移动力杆112所需的方向移动。这导致力杆112沿着所需方向作相对于锁定器118的移动。

如步骤1522所示，当到达柔顺中性位置时，中止步骤1521中的移动。锁定器118可以用作制动器来中止移动。

如步骤1523所示，锁住锁定器118。

如步骤1524所示，根据前述过程，使主体100达到平衡。

如步骤1525所示，主体100现在处在柔顺准备状态，但未必完全平衡。

注意，在步骤1521和1522中，活塞130是最初推进器(mover)。就尤其包括活塞130的挣脱力的系统静摩擦而言，相对于锁定器118定位力杆112的控制算法可能难以实现(注意，在方法1中，线性致动器508中受控最初推进器，并且，它通常提供足够的力来克服系统静态阻力)。如果试图在应用锁定器118之前，让主体100停止在所需位置上，这尤其如此。但是，合适的锁定器118也可以用作制动器，随着主体100移动到所需柔顺中性位置上，可以应用锁定器118来迫使移动终止。

在测试头操纵器系统中，两个可能动作之一很可能在达到柔顺准备位置之后。第一种可能性是测试头100准备对接。在这种情况下，可以稍微移动它，以便对接致动器和对接引导机构(在图6(a)和8(a)中未示出)首先接合。对接设备通常被设计成，在这样的位置中，精密的电触点还没有接合，没有被损坏的风险。这个小移动量通常不足以干涉柔顺准备位置。如果锁定器118被锁住，现在就可以释放它了。如果存在足以引起移动的微小残余不平衡力，移动只导致对接设备的相配合的引导部件之间形成的接触。主体110现在能够柔顺地移动，且对接致动器现在可以接合，把测试头100拖入完全对接位置中。

第二种可能性是借助于操纵器设备(在图6(a)和8(a)中未示出)把测试头100从当前位置移动到新位置。在这种情况下，锁定器118最好被锁住，以保持柔顺中性位置，且线性致动器508可以按需要用于把主体100移动到所需的第二位置。应注意，随着主体100作如此的移动，作用在它上面的不平衡力将很有可能发生改变。于是，当主体100到达所述第二位置时，应该再次使它达到平衡。一旦达到平衡，由于主体100仍然被锁在柔顺中性位置中，因此，它处在柔顺准备状态。如果需要，可以释放锁定器118，并且，主体100可以绕枢转轴102柔顺地移动。

理想的情况是，达到柔顺准备状态的过程只进行一次，在对系统进行包括例如主体100相对于主体600的位置某种改变之前，不要重复。但是，气压缸系统易发生气体泄漏和相应的压力损失，因此，在需要的时候，应该周期性地重复实现平衡或柔顺准备状态所需的过程。在示范性的实施例中，在需要重复所需过程之前，系统保持足够的气体长达约10分钟以上。在典型的操作中，每隔几分钟(比方说，5到8分钟)循环自动重复。由气体泄漏和气体压力差损失引发的另一种考虑是，当长时间对接测试头时，平衡力将会丧失。例如，当测试持续许多小时或许多分钟时，就会发生这种情况。在对接的时候，通过对接机构牢固地保持测试头，通过前述方法不能重新建立平衡力。因此，对于脱离，必须首先锁住锁定器118，以便相对于致动器螺杆514牢固地保持主体100。然后，由对接致动机构驱动的脱离运动应该是这样的，不需要主体600和100之间的相对运动。作为可替代的方法，系统可以配有可选压力传感器(600a、606b)，并且，随着对接开始，就可以记录缸128的压力。然后，正好在脱离之前，可以恢复缸128的压力，这样就可以恢复适当的平衡力。这将使锁定器118松开，并使主体100在脱离的同时作柔顺移动。

到此为止，已经对枢转轴102处在水平平面内作了讨论，这足以说明本发明的原理。但是，枢转轴102可能处在其它方向也是可以的。考虑的具体结构是垂直枢转轴的情况，其中主体100代表操纵器圆柱的支承结构，操纵器圆柱又支承着测试头。在这种情况下，枢转轴102对应于操纵器的偏转轴。由于测试头绳索弯曲生成的力，在这样的轴中可能存在不平衡力。与前面所述的由于重力引起的不平衡力相比，在这种情况中不存在重力，绳索引起的不平衡力将以一般说来不可预测的方式变化着。尽管如此，很显然，图6(a)或图8(a)的机构仍然可以用于有效地提供具有绳索力的柔顺性和抗衡性的驱动偏转轴。例如，图6(b)示出了应用于枢转轴的图6(a)所示的类型的BCAA，在此情况下，枢转轴是垂直的，即，偏转轴。还可以看出，如果绳索力很小，可忽略不计，那么，可以有效地使用不含图6(a)所示的双作用气压缸128和相关设备的机构的简化形式。因此，图7示出了对不需要任何反力的偏转轴102的应用。图7与图6(a)的不同之处在于，移去了力传感器120和气压缸128的反力设备。图7与图5(a)的柔顺机构类似，除了在图7中，致动器杆514直接与锁定器118耦合，而不是与诸如杆520之类的杆耦合。

如上所述，图6(a)和8(a)的BCAA相当相似。从这两种结构中选择哪一种来使用通常基于用途的物理布置的细节。例如，图8(a)将适于轴102，并由此线性致动器508中的运动的所需范围比柔顺运动的所需范围大得多的情况。这是因为，在图8(a)中，缸128内活塞130的冲程只需足以适应柔顺运动；然而，图6(a)中活塞130的冲程必须适应轴102中运动的整个范围。因此，在图8(a)中可以使用较小的和较便宜的气压缸128和活塞130组件。图6(a)是优选的例子是存在空间限制的情况，这种空间限制将阻止把BCAA的所有部件紧密地放在一起。尤其是，在图6(a)中，气压缸128和活塞130子组件可以位于远离包括致动器508、锁定器118、力杆112、和相关部件和传感器的子部件的地方。

图9(a)示出了用在典型操纵器系统应用中的、两个如图8(a)所示的平衡柔顺致动器组件(BCAA)机构的典型应用的例子。在图9(a)中，一个机构影响测试头100的横摆轴934，而第二机构影响同一测试头100的俯仰轴936。还配备了为了简单起见没有示出的单个控制系统，实现对两个BCAA以及整个操纵器系统的所需控制。

在图9(a)中示出了测试头100，其在顶面901上具有测试接口。DUT板900提供了将测试之中的器件与位于测试头100内部的测试头引脚电子线路(未示出)适当对接所需的接口电路和连接设备。

还以剖开方式示出了包括四个对接凸轮910当中的三个、四个导销912数中的三个、绳索915、绳索驱动器917、和对接控制器914的一部分的对接组件916。总之，为了将测试头100与测试设备，譬如，器件处理器(未示出)、晶片检测器等对接，首先操纵测试头100，以便导销912部分插入附在测试设备上的配合的对接组件(未示出)上的配合导孔(未示出)中。这里，对接凸轮910接合配合的对接组件(未示出)上的配合的凸轮跟随器(未示出)。现在，可以施加外力，使对接把柄914旋转，从而使绳索驱动器917旋转。随着绳索驱动器917旋转，通过绳索915传递它的运动，使对接凸轮910同步旋转，这样就把测试头100拖入它的最终对接位置中。在对接处理器914、绳索驱动器910和对接凸轮910把测试头100拖入其位置中的同时，希望测试头100在所有六个自由度中都能够柔顺地移动。在后面要讨论的图12(a)到12(d)中将更详细地示出这种对接。此外，这种对接是特此引用以供参考的、使用两个导销912和凸轮910的、授予Smith的美国专利第4,489815号所述的对接件的改进。还有，这种类型的其它对接件使用了三个导销912和凸轮910。进一步的信息请参阅inTEST手册。

测试头100被安装在如，例如，授予Holt的美国专利第5,030,869和5,450,766号和inTEST手册所述的测试头操纵器(未示出)的典型绳索枢轴环924上。图9(a)示出了附在绳索枢轴环924上的测试头固定件926，而测试头支承梁922的第一端附在所述测试头固定件926上。测试头支承梁922的轴与绳索枢轴环924的平面正交，且轴的延长线穿过绳索枢轴环924的中心。测试头支承梁922延伸过测试头100后部上的小孔920，刚性地附在圆形轴承组件905的外环904上。内环902被安排在内部，并且由圆形轴承组件905的外环904支承。内、外环902和904分别是圆形、共面、和同心的。横摆轴934与两个环902和904的平面垂直，并且穿过它们的共同中心。内环902在外环904的内部绕横摆轴934旋转。两根附属轴906穿过外环904中的缝隙，将内环904与轴承块908耦合，轴承块908固定在测试头100的两侧，其被示为在与测试头支承梁922平行的垂直平面上。轴承块908使测试头100能够绕着由附属轴906定义的枢转轴936旋转。

六个凸轮跟随器(未示出)用作支承器件，承受作低摩擦横摆运动的同时内环902施加在外环904上的负载。凸轮跟随器(未示出)当中的三个处在外环904的内圆周线附近相隔120°的地方，承受与横摆轴934垂直的方向上的径向负载。其它三个凸轮跟随器(未示出)以支承与横摆轴934平行的轴向负载的方式在前面三个之间等间隔地也排列在外环904的内部。

总而言之，绳索枢轴环924支承测试头固定件926。测试头固定件926支承着限定横滚轴的测试头支承梁922。测试头支承梁922支承着外环904，而外环904又支承内环902。内环902提供横摆轴934并支承附属轴906。附属轴906支承测试头100并提供俯仰轴936。这种布置使测试头100能够绕俯仰轴936(被显示成水平的)转动±5°和绕横摆轴934(被显示成垂直的)转动±5°，其中，横摆轴和俯仰轴相互垂直和彼此与测试头支承梁922垂直。俯仰轴和横摆轴的范围由内置在为了简单起见在图9(a)中未示出的系统中的物理约束和机构止动器分别限制在±5°内。另外，位置传感器(未示出)可以以已知的方式包括进来，以指示测试头100相对于俯仰轴936和横摆轴934的相对位置，和把这个信息提供给控制系统。

绳索枢轴环924通常提供测试头100绕支承梁922定义的轴的±95°滚动。在测试接口表面朝上的图9(a)中，测试头100被显示在大约+90°的位置上。测试头绳索的部件穿过绳索枢轴环924，和测试头固定件926中的开孔928被安排成沿着测试头支承梁922方向，并且通过支持杆开孔902进入测试头100。附在支承梁922上的腹板918在它们分散到测试头内部的各种电子元件(未示出)，为绳索元件提供支承并消除应变。

如果无需让所有转轴都穿过重心就能够提供平衡柔顺运动，那是有利的。在图9(a)中，具有与图8(a)所示和如前所述相同类型的两个平衡柔顺致动器组件930和932用于消除俯仰轴936和横摆轴934为作平衡柔顺运动而穿过重心的必要性。

两个BCAA 930和932布置成使它们的力杆112和连杆114一般与测试头支承梁922定义的横滚轴平行。横摆BCAA 930被定向成使沿着力杆112或连杆114作用的力将产生绕着横摆轴934的非零力矩。类似地，俯仰BCAA932定向成使沿着力杆112或连杆114作用的力将产生绕着俯仰轴936的非零力矩。两个BCAA 930和932的线性致动器508的静止元件506借助于轴承620适当地附在测试头固定件926上。

重要的是，两个BCAA 930和932能够彼此之间相互作用最小地进行操作。因此，最好把横摆BCAA 930定向成使它的力杆112和连杆114沿着几乎与俯仰轴936相交的直线作用。类似地，最好也把俯仰BCAA 932定向成使它的力杆112和连杆114沿着几乎与横摆轴934相交的直线作用。但是，如图9(a)所示，两根力杆112和两根连杆114分别附在测试头100上，每一根分别带有轴承116a和116b。因此，不可能让横摆BCAA 930的力杆112的延长轴和连杆114的延长轴两者与俯仰轴936相交。实际上，两根杆112和114通常靠得很近，使得与两根杆112和114平行和几乎在两根杆112和114中间的直线与俯仰轴936相交。类似地，不可能使俯仰BCAA932的力杆112的延长轴和连杆114的延长轴与横摆轴934相交。实际上，两根杆112和114通常靠得很近，使得与两根杆112和114平行和几乎在两根杆112和114中间的直线与俯仰轴936相交。在前面参照图8(a)和8(b)所说明的、BCAA的可替代结构中，力杆112和连杆114的测试头100端部可以与适当的支架800连接在一起。此外，正如前面参照图8(b)所说明的那样，可以把与测试头100耦合的支架116a和116b连接在一起，以便只有一个轴承116b需要与测试头100相连接。在这种情况下，轴承116可以处在与正在讨论的轴相交并与力杆112和连杆114两者都平行的直线上。图9(b)显示了配有这样的单个轴承116b的系统。图9(b)在其它方面与图9(a)相同。

现在可以描述图9(a)和9(b)所示的系统的操作。在一般情况下，可以假设测试头100最初处在不平衡状态和处在两个BCAA 930和932的锁定器118解开的任意位置。在最坏情况的场面中，测试头100靠在内置在系统中的物理约束和机械止动器上，也就是说，存在把测试头100保持在俯仰轴936和横摆轴934中在其运动极限的位置上的显著不平衡力，且不平衡力没有被两个BCAA 930和932的任何部件完全支承。第一个目的是把测试头100放置在相对于俯仰轴936和横摆轴934的柔顺准备状态(即，平衡状态和柔顺中性位置)中。锁住两个BCAA 930和932每一个的锁定器118。然后，致动器508用于把测试头100定位到所希望的第一位置处，该位置远离内置在系统中的物理约束和机械止动器，且此处不平衡力被两个BCAA 930和932的任一个或两个的锁定器118和线性致动器508完全支承。此外，这个所希望位置应该是这样的，使测试头100可以在它的整个柔顺范围上充分地移动，以便使柔顺准备状态在没有来自可能内置在系统中的物理约束和机械止动器的任何一个的干扰情况下得以实现。

把测试头100移动到所希望位置可以通过手动措施来实现，这种手动措施可以包括利用按钮指令使控制器操纵线性致动器508。可选地，控制器可以配有适当的算法，使它能够在自动定位序列中利用与位置反馈结合在一起的线性致动器508。

对于现在所希望位置之中的测试头100，现在可以实现柔顺准备状态了。在所希望位置中，在两个BCAA 930和932之间共享不平衡力。也就是说，不平衡力被分解成两个分力，一个分力沿着横摆BCAA力杆112作用，另一个分力沿着俯仰BCAA力杆112作用。可以依次对轴进行操作。首先是一根轴，然后是另一根轴。由于使一根轴处在柔顺准备状态下可能扰乱以前在另一根轴中实现的状态，因此，可以重复地轮流对每根轴再次进行操作，直到这两根轴的平衡和位置同时得到满足为止。利用已知的方法，可以实现控制算法，使依次对每根轴进行重复操作的序列自动化，直到实现整个柔顺准备状态为止。但是，实际上，每根轴试两次通常就足够了。

选择哪根轴首先对其进行操作取决于各种准则。在某些应用中，最好总是首先解决特定轴。在其它一些应用中，最好随机选择它。还有，在其它一些应用中，最好根据作用在各个BCAA上的力的比较结果，选择对其进行操作的第一轴。例如，最好对其上作用不平衡力的较大分量的BCAA上首先进行操作。于是，可以比较两个力传感器120的输出，然后，把不平衡力的分量最大的那根轴选为第一。类似地，你也可以选择不平衡力的分量最小的那根轴。在每一种情况下，如果不平衡力的两个分量接近相等，那么，可以随机选择这一根轴或那一根轴。

被选为首先对其进行操作的那根轴现在被称为第一轴，而另一根轴则被称为第二轴。现在按照适当的过程，譬如，前面所述的方法1(图15(b))或方法2(图15(c))，使第一轴进入柔顺准备状态中。在这样做的同时，第二轴的BCAA(930或932)的锁定器118仍然锁着。当第一轴已经实现了柔顺准备状态时，锁住它BCAA(930或932)的锁定器118；然后，也可以使第二轴进入柔顺准备状态中。在使第二轴进入柔顺准备状态的过程中，在第一轴中建立起来的平衡可能受到一点干扰。于是，可以重复使第一轴进入柔顺准备状态的过程。类似地，也可以重复使第二轴进入柔顺准备状态的过程。典型做法是，叠代两次通常同时在两根轴中实现足够合理程度的柔顺准备状态。

我们现在可以考虑如图9(a)所示包含两个BCAA 930和932的测试头操纵器的整个操作。从处在任意位置中和没有与任何测试设备对接的测试头100开始，具有BCAA 934和936的轴将首先进入锁定器118锁住的同时柔顺准备状态。然后，在适当的时候利用BCAA线性致动器508，操纵测试头100进入对接准备位置，也就是说，在测试头100要与之对接，以便对接设备的配合部件接近接合点的测试设备附近的位置。在图9(a)所示的对接机构中，这将是导销921处在附近但还没有插入配合导孔(未示出)中的点。由于假设测试头100处在新的方向，因此，可以进一步假设它不再为平衡和柔顺准备状态。于是，具有BCAA(934和936)的轴再次进入同时柔顺准备状态。现在，解开BCAA锁定器118，调动测试头100，以便对接致动机构变成接合。在图9(a)所示的测试头100中，这出现在导销912已经插入导孔(未示出)和配合对接组合(未示出)上的凸轮跟随器已经充分插入对接凸轮910中，使对接处理器914能够进行操作的时候。现在启动对接致动机构，把测试头拖入完全对接位置。在图9(a)中，这通过旋转对接处理器914来实现。其它对接致动机构是已知的，包括电动、气动、和真空操作型在内，可以同样好地使用。在对接的同时，如有必要测试头100可以自由地作柔顺运动。测试头100可以保持对接很大的时间间隔，且气压缸128中的气压差可能因泄漏而损失。于是，为了脱离，保持锁定器118锁住，并沿着与测试接口表面(未示出)垂直的直线路径撤回测试头100，以便无需作完全柔顺运动。可选地，系统可以配有压力传感器(606a、606b)，使得当正好在对接之前已经实现柔顺准备状态时，活塞130每一侧上压力可以被控制器(未示出)记录下来。然后，在脱离之前，控制利用这个信息恢复柔顺准备状态，并且，脱离不再与柔顺运动有关。一旦测试头100已经脱离，可以按需要使BCAA受控轴934和936再次进入柔顺准备状态。

图10a、10b、10c、10d、10e、和10f显示了本发明应用于垂直轴的许多个实施例。

图10d和10e类似。这两个都具有固定垂直柱1000，而致动器驱动垂直轴由柱1000确定。在图10d中，图8a所示那种类型的BCAA用于达到平衡和柔顺状态；然而，在图10e中，图6a所示那种类型的BCAA用于这个目的。如下的讨论与这两个图的共同点有关。在必要的地方，指出基于BCAA类型的具体差异。

总地参照图10d和10e，主臂1030以利用轨道1058和直线引导轴承(未示出)或圆轴(未示出)和轴承(未示出)的普通方式可滑动地附在柱1000上。测试头(未示出)通过任意个众所周知的装置(也未示出)与主臂1030耦合。因此，主臂1030支承着负载。主臂1030的垂直运动受上止动器1032限制。

包括致动器电机510a的线性致动器508a的静止元件506a附在基板1003上。这个致动器508a被称为主线性致动器508a。主线性致动器508a的驱动部件514a是螺杆，通常是具有适当螺距和摩擦的滚珠螺杆或梯形螺杆，以便不可向后驱动。无论是否加电，主线性致动器508a都必须能够安全地支承整个负载。主线性致动器508a驱动主臂1030经过它的整个垂直范围，以便主线性致动器508a的行程等于操纵器的垂直行程。实际上，行程长达30英寸的适用致动器可以在市场上购买得到，并且，这种类型的操纵器可以相应地被设计成具有长达30英寸的垂直行程。对于更长的垂直行程，可以使用图10a、10b、和10c所示那些类型的可伸缩柱。

支架1040附在主致动器螺杆514a的顶端。图6a(与图10e一样)或图8a(与图10d一样)所示那种类型的BCAA将主臂1030与支架1040耦合。BCAA包括相对于力杆112精确定位锁定器118的BCAA致动器508b。主致动器508a的操作使支架1040作垂直运动，这又使主臂1030及其负载作相应的垂直运动。主臂1030及其负载的重量通过BCAA机构传递给支架1040和致动器螺杆514a。

在正常使用下，主臂1030将首先处在锁定器解开的柔顺准备状态。也就是说，锁定器118相对于力杆112位于柔顺中性位置，而气压缸128中的气体压力被调整成使连杆114和活塞130基本上承受整个负载。在这种情况下，由力传感器120测量的力几乎是零。并且，活塞130最好相对于缸128处于柔顺中性位置上，使得在活塞130不必到其冲程的末端的情况下，负载就能够在它的整个柔顺范围上移动。然后，主线性致动器508a用于在垂直方向定位负载。

在垂直轴的情况中，不平衡力的方向总是向下的。于是，不需要双作用气压缸(正如图6a和8a的一般情况所示的那样)；具有单个气体进口132的单作用气压缸128就足够了。因此，如图所示，只有一个三位阀604、一个蓄能器608、和一个可选压力传感器606，它们通过柔软导管1010与高压气体供应器602耦合。柔软导管1010允许气压缸128和它的相关部分相对于通常静止的气体供应器602运动。缸128和活塞130的直径最好足以支承主臂1030和附在它上面的负载。例如，如果主臂1030和所附负载的组合重量是1000磅，且可以进入缸128的最大气体压力是100磅每平方英寸，那么，缸128和活塞130的面积最好至少10平方英寸，且相应直径至少接近3.57英寸。所需缸128的直径与负载的平方根成正比。因此，负载加倍要求缸128的直径增加2的平方根，或者，可选地，可以让气体压力加倍(例如，借助于气压倍加器)。如果对于给定负载，所需缸130的尺寸太大，那么，可以平行地排列两个或更多个较小的缸128。

通常，最好具有大约±1英寸的垂直柔顺运动。通常，最好让活塞130的冲程略大于由柔顺止动器522和524确定的柔顺范围，以便在锁定器118靠在柔顺止动器上的情况下，活塞不会“触底”。将系统设计成，在操作过程中，如果锁定器130相对于伸出的柔顺止动器522和缩回的柔顺止动器524处于其柔顺中性位置上，那么，活塞130相对于缸128处于柔顺中性位置上。在对接期间，负载可以在如柔顺止动器522和524限定的整个柔顺范围上移动。

在图10(d)中，缸128和锁定器118通过支架1052相互刚性地附在一起，而系统可以方便地布置成无论锁定器118什么时候处在柔顺中性位置上，活塞130也处在这样的位置上。例如，优选柔顺中性位置往往是定心位置；且系统可以被布置成当锁定器118被定心在柔顺止动器522和524之间时，活塞130处在它冲程的中点上。图10(d)所示的单个位置传感器1046足以把锁定器118和活塞130两者定位在它们各自柔顺中性位置上。

在图10e中，锁定器118没有附在缸128上，而锁定器118可以并的确相对于缸128运动。为了实现把锁定器118和活塞130两者定位在柔顺中性位置上的所需目标，需要除了由所示位置传感器1046提供的信息之外的信息。与活塞130或BCAA致动器508b有关的位置信息足够了。在优选实施例中，系统被设计成如果BCAA致动器508b充分伸出且锁定器118处在它的柔顺中性位置上，那么，活塞也将处在柔顺中性位置上。探测BCAA致动器508b的完全伸出状态可以以公知方式轻易实现，该公知方式包括使用包含在所购BCAA致动器508b组件内的限位开关(在图中未示出)，或者通过操作BCAA致动器508b足以使它到达它的游动终点和停止的时间间隔来实现。在后一种情况中，建议把限流电压供应器用于BCAA致动器电机510b，使出现过热现象的可能性达到最低程度。一种可选方法是探测活塞130相对于它的缸128的位置。气压缸-活塞组件往往由它们的制造者配备限位开关(在图中未示出)，该制造者将允许这种探测。

在某些应用中，当活塞处在它的游动范围上的任何点上，最好使BCAA致动器508b能够在柔顺止动器522和524限定的整个柔顺范围上定位锁定器118。在这种情况中，图10e中BCAA致动器508b的范围至少是柔顺范围加上活塞130的冲程的和。此外，在图10e中，在实现柔顺准备状态的过程中，有必要直接探测活塞130的位置。相比之下，图10d中BCAA致动器508b的所需范围至少是柔顺范围或活塞130的冲程的较大者，并且，只有所示的单个位置传感器1046就足够了。

实现柔顺准备状态的操作序列如下：

首先，我们定义“平衡序列”。

平衡序列(如图15(d)所示)

1.如步骤1530所示，锁住锁定器118。

2.如步骤1531所示，调整缸128中的气体压力，直到力传感器120指示由力杆112施加在锁定器118上的力小于阈值为止。

现在，为了实现柔顺准备状态(“柔顺准备序列1”)

柔顺准备序列1(如图15(e)所示)(可应用于图10d和10e两者)

1.如步骤1540所示，执行平衡序列。

2.如步骤1541所示，解开锁定器118。

3.如步骤1542a所示，利用BCAA致动器508b把锁定器118定位在柔顺中性位置上。

4.如果系统是图10e所示那种类型的，如步骤1542b所示锁住锁定器118，然后，如步骤1542c中的可替换实施例所示，利用BCAA致动器508b把活塞130定位在它的柔顺中性位置上。

5.如步骤1543所示，如果力传感器120指示平衡已经受到干扰或变坏(例如，如果测量的力大于力阈值)，那么，重复平衡序列。

6.如步骤1544所示，如果锁定器118锁住，那么，解开锁定器118。

应注意，在柔顺准备序列1中，优选地用于平衡的力阈值必须小于静摩擦力和气动活塞挣脱力的合力。否则，当在步骤1541中解开锁定器118时，锁定器118将移动，靠在柔顺止动器522或524上，且BCAA致动器508b的操作将不会使锁定器118作相对于力杆112的移动。但是，静摩擦力和气动活塞挣脱力的合力通常在5到10磅或更大一点的范围内，因此，可以在1到3磅内平衡。

对于如后所述的理由，优选地系统被设计成满足前述准则。但是，在实现这个准则是不可能的或不切实际的情况下，存在实现柔顺准备状态的其它可能可替换序列。现在描述两种序列。

第一种可替换序列是借助于如下操作序列(“柔顺准备序列2”)，利用气压缸128和活塞130定位活塞118：

柔顺准备序列2(如图15(f)所示)(可应用于图10d和10e两者)

1.如步骤1550所示，解开锁定器118。

2.如步骤1551所示，从缸130中排出气体，以便伸出的柔顺止动器522靠在锁定器118上。

3.如步骤1552所示，调整BCAA致动器508b，以便它接近其冲程的中点或接近它所需柔顺中性位置(这个步骤要求使用众所周知的解决方案，包括使用位置传感器1046来探测致动器508b的驱动部件514b相对于它静止部件506b的位置。在一些情况中，致动器508b配有限位开关，检测驱动部件514b何时到达它游动的终点；可以以已知方式与定时器结合使用，获得所需结果)。

4.如步骤1553所示，把气体注入缸128中，将缸气体压力增加到使活塞130挣脱和向上移动的点。

5.如步骤1554所示，在借助于所示的位置传感器1046监视力杆112相对于锁定器118的位置的同时，继续调整缸128的气体压力，使活塞130，并因而连杆114和力杆112继续移动。

6.如步骤1555a所示，当力杆112相对于锁定器118到达柔顺中性位置时，锁住锁定器118并停止调整缸128中的气体压力。

7.如步骤1555b中的可替换实施例所示，如果系统是图10e所示那种类型，那么，利用BCAA致动器508b把活塞130定位在它柔顺中性位置上。

8.如步骤1556所示，执行平衡序列。

第二种可替换序列是稍微改变一下设计。与如上所述的避免使活塞130触底的偏爱相反，系统被布置成如果在缸128中不存在气体压力且锁定器118解脱，那么，使活塞130靠在缸128的下端。实际上，靠在缸128的底端的活塞130执行伸出柔顺止动器522的功能，并因此，可以从系统中省略掉伸出的柔顺止动器522(还应注意，如果使活塞130靠在作为止动器的缸128的顶端，那么，可以省略缩回的柔顺止动器524)。然后，可应用如下“柔顺准备序列3”。

柔顺准备序列3(如图15(g)所示)(可应用于图10d和10e两者)

1.如步骤1560所示，使致动器508a缩回到使缸128内活塞到达它冲程的底部的位置(取决于设计，这可以由合并在致动器508a内的限位开关，通过沿着缩回方向驱动致动器508a足够长时间以达到完全缩回状态，或其它已知技术来实现)。

2.如步骤1561所示，解开锁定器118。

3.如步骤1562所示，从缸128中排出气体，以便活塞130靠在缸128的底部上。

4.如步骤1563所示，利用BCAA致动器508b，把锁定器118定位在柔顺中性位置上。

5.如步骤1564所示，执行平衡序列。

6.如步骤1565所示，保持锁定器118锁住，利用BCAA致动器508b以将负载提升到活塞130相对于缸128处于柔顺中性位置(通常接近中点)的位置上。

7.如步骤1566所示，由于活塞130的移动会引起出现稍微不平衡，再次执行平衡序列。

在柔顺准备序列2和3中，假设平衡序列阈值不小于与挣脱力合成在一起的静止摩擦力得不到保证。因此，锁定器118应该停留在锁定状态，直到实现准备对接位置且负载局部由对接设备支承，(或其它所需状态)。但是，应该看到，如果可以让锁定器118保持解脱，而借助于主致动器508a在垂直方向定位负载，那么，位置传感器1046可以用于检测负载是否遇到任何障碍物。如果遇到障碍物，那么，负载上的相关力将使力杆112相对于锁定器118运动。这种运动可以通过位置传感器1046来检测，由此提供信号，以采取适当的行动，譬如，使主致动器508a停止。于是，系统优选地设计成可以可靠地使用柔顺准备序列1。

图10f还可应用于固定垂直柱1000。垂直轴是致动器508驱动的。图8(a)和图10d所示那种类型的BCAA提供了垂直驱动，以及平衡和柔顺状态。在图10d和10e的描述中所述的许多内容也可应用于图10f，因此，在这一节中，我们主要集中在新的内容和相异之处上。

图10f中的系统含有单个线性致动器508，它等效于图8a中BCAA的线性致动器508。并且，它在行程和技术要求方面等效于图10d和10e中的主线性致动器508a。致动器螺杆514的远端附在锁定器118上。支架1094把锁定器118附在单作用气压缸128上。主臂1030由连杆114和活塞130的子组件、力杆112、力传感器120、和锁定器118的子组件、或取决于系统状态由这两个子组件的组合支承。附在线性致动器508的远端并与主臂1030耦合的设备等效于图1(a)的平衡机构。

为了使主臂1030进入柔顺准备状态，可以使用如下序列(“柔顺准备序列4”)：

柔顺准备序列4(如图15(h)所示)

1.如步骤1570所示，解开锁定器118。

2.如步骤1571所示，从缸128中排出气体，以便伸出的柔顺止动器522靠在锁定器118上。

3.如步骤1572所示，把气体注入缸128中，将缸气体压力增加到使活塞130挣脱和向上移动的点。

4.如步骤1573所示，在监视位置传感器1046的同时，继续调整缸气体压力，使活塞130、并因而使连杆114和力杆112继续移动。

5.如步骤1574所示，当力杆112到达相对于锁定器118的柔顺中性位置时，锁住锁定器118并停止调整缸128中的气体压力。

6.如步骤1575所示，执行平衡序列。

如果平衡序列力阈值小于静摩擦力和活塞130的挣脱力的合力，那么，由于致动器508用于把主臂1030和它支承的负载驱动到所需垂直位置，因此可以解开锁定器118，并且让它保持在解开状态。正如前面所讨论的那样，这是优选的。否则，应该使锁定器118保持在锁住状态，直到实现负载由对接设备部分支承的对接位置准备状态(或其它适当的所需状态)为止。

图10a和10b两者都具有操纵器，以及与授予Holt等人的PCT申请PCT/US01/06456中描述的可伸缩柱类似的可伸缩柱1000。在图10a中，图8a所示那种类型的BCAA用于提供平衡和柔顺状态；而在图10b中，图6a所示那种类型的BCAA用于这个目的。如下的讨论与这两个图的共同点有关。在必要的地方，指出基于BCAA类型的具体差异。

主臂1030利用线性导轨1058和直线引导轴承(未示出)可滑动地附在可伸缩柱1000的上段1001上。这提供了主臂1030相对于上段1001大约±1英寸的垂直微动。上、下主壁止动器1032和1054分别限制主臂1030相对于上段1001的游动。测试头(未示出)通过任意个众所周知的装置(也未示出)与主臂1030耦合。因此，主臂1030支承着负载。

第一线性致动器508a相对于固定的下段1004和基座1003沿着垂直方向移动柱的中段1002。第二线性致动器508b被安装在中段1002上附着的第一支架1034上，并且，它相对于固定中段1002沿着垂直方向移动上段1001。可伸缩柱100的伸缩提供了负载的第一垂直定位。在对接过程中，主臂1030在上止动器1032和下止动器1054之间的微动用于柔顺垂直移动。

BCAA 508c耦合在附在上段1001的第二支架1040与主臂1030之间。用在图8a中那种类型的BCAA 508c用在图10a中，而用在图6a中那种类型的BCAA 508c用在图10b中。在每一种情况中，BCAA 508c用于控制垂直微动和在垂直微动的整个范围上提供柔顺状态。

在这个系统中的柔顺准备状态类似于像图10d和10e中那样含有固定柱1000的系统的柔顺准备状态。但是，另外，还需要把主臂1030定位在上主臂止动器1032和下主臂止动器1054之间的特定的大致同心位置(或者，在下止动器1054不存在的情况下，定位到相对于上止动器1032特定距离的位置)。我们称主臂1030的那个位置为柔顺中性位置。

然后，有关柔顺准备状态的状态可以陈述如下：

1.气压缸128中的气体压力必须是这样的，使连杆114和活塞130基本上承受主臂1030及其负载的整个负载。

2.锁定器118必须相对于伸出的柔顺止动器522和缩回的柔顺止动器524处于柔顺中性位置(通常，这两者之间的中点)，

3.活塞130相对于它的缸128处于柔顺中性位置，且

4.主臂1030必须相对于上主臂止动器1032和下主臂止动器1054处于柔顺中性位置(通常，这两者之间的中点)。

实现图10a和10b中上面列表的第2项和第3项中的锁定器118和活塞130的共同定位要求与前面参照图10d和10e所述的相同。明确地说，由于锁定器118通过支架1052附在缸128上，这可以通过图10a中的设计来实现，并且，在图10b中需要BCAA致动器508c或活塞120的位置信息。

为了提供用锁定器118和活塞130的组合共同定位主臂1030所需的一般解决方案，在图10a和10b中示出了探测主臂1030相对于上段1001的位置的位置传感器1056。应注意，在图10b中(不是在图10a中)，这个传感器1056也有效地指示活塞130相对于缸128的位置。因此，在图10a和10b两者中，与所示的位置传感器1046组合在一起的传感器1056足以为一般解决方案提供所有必要的位置感测。

可选地，并且，考虑到整个成本，系统最好被设计成当BCAA致动器508c完全伸出时，主臂1030处在它的柔顺中性位置，且锁定器118也处在它的柔顺中性位置。对于这种约束，可以从图10a和10b中删除主臂位置传感器1056。但是，有必要包括当BCAA致动器508c完全伸出时进行检测的装置。对此的典型解决方案已参照图10d和10e作了讨论。

如下的操作序列可以用于把设备定位在柔顺准备状态下(“柔顺准备序列5”)

柔顺准备序列5(如图15(i)所示)

1.如步骤1580所示，执行平衡序列。

2.如步骤1581a所示，解开锁定器118，并利用BCAA致动器508c把锁定器118定位在柔顺中性位置上。

3.如步骤1581b中的可替代实施例所示，如果系统是图10b所示那种类型的，那么，锁住锁定器118，并利用BCAA致动器508c把活塞130定位在它的柔顺中性位置上。

4.如步骤1582所示，如果主臂1030还没有处在它的柔顺中性位置上(例如，通过设计)，那么，锁住锁定器118，并利用BCAA致动器508c把主臂1030移动到它的柔顺中性位置上。

5.如步骤1583所示，如果力传感器120指示力杆112中的力大于力阈值，那么，执行平衡序列。

6.如步骤1584所示，如果锁住锁定器118，那么，可以解开它。

应注意，步骤1581和1584要求力阈值小于静摩擦力和活塞130的挣脱力的合力。与图10d和10e的情况中一样，对于系统这是优选准则。就此情况而言，随着主臂1030和它支承的负载被驱动到所需垂直位置，可以解开锁定器118，并且使它保持在解开状态。此外，正如授予Holt等人的PCT申请PCT/US01/06456所述的那样，两个位置传感器1046和1056之一可以用于检测主臂1030相对于上段1001的运动，其指示遇到障碍物。

在系统被设置成使力阈值未必小于静摩擦力和活塞130的挣脱力的合力的情况中，则可以采用柔顺准备序列2或柔顺准备序列3来取代柔顺准备序列5的前面三个步骤。下面提供所得的序列。应注意，在这种情况中，一般说来，有必要在定位负载的同时，使锁定器118保持在锁住状态，并且，位置传感器1046和1056不能用于检测运动障碍物。但是，在任何情况下，力传感器120都可以用于检测运动障碍物。

柔顺准备序列6(如图15(j)所示)(可应用于图10a和10b两者，其中，气压缸128用在定位锁定器118中，且平衡阈值大于静摩擦力和挣脱力)

1.如步骤1590所示，解开锁定器118。

2.如步骤1591所示，从缸128中排出气体，以便伸出的柔顺止动器522靠在锁定器118上。

3.如步骤1592所示，调整BCAA致动器508b，以便它接近它冲程的中点或接近它所需柔顺中性位置(这个步骤要求使用众所周知的解决方案，包括使用位置传感器1046来探测致动器508b的驱动部件514b相对于它静止部件506b的位置。在一些情况中，致动器508b配有限位开关，检测驱动部件514b何时到达它游动的终点；可以以已知方式与定时器结合起来使用，获得所需结果)。

4.如步骤1593所示，把气体注入缸128中，把缸气体压力增加到使活塞130挣脱和向上移动的点。

5.如步骤1594所示，在借助于所示的位置传感器1046监视力杆112相对于锁定器118的位置的同时，继续调整缸128的气体压力，使活塞130，并因而使连杆114和力杆112继续移动。

6.如步骤1595a所示，当力杆112到达相对于锁定器118的柔顺中性位置时，锁住锁定器118并停止调整缸128中的气体压力。

7.如步骤1595b中的可替换实施例所示，如果系统是图10b所示那种类型，那么，利用BCAA致动器508b把活塞130定位在它柔顺中性位置上。

8.如步骤1596所示，如果主臂1030还没有处在它的柔顺中性位置上(例如，通过设计)，那么，锁住锁定器118，并利用BCAA致动器508c把主臂1030移动到它的柔顺中性位置上。

9.如步骤1596所示，执行平衡序列。

柔顺准备序列7(如图15(k)所示)(可应用于图10a和10b两者，其中，活塞130可以靠在缸128的底部，且平衡阈值大于静摩擦力和挣脱力)

1.如步骤1600所示，使致动器508c缩回到使缸128内活塞130到达它冲程的底部的位置(取决于设计，这可以由合并在致动器508a内的限位开关，通过沿着缩回方向驱动致动器508a足够长时间来达到完全缩回状态，或通过其它已知技术实现)。

2.如步骤1601所示，解开锁定器118。

3.如步骤1602所示，从缸128中排出气体，以便活塞130靠在缸128的底部上。

4.如步骤1603所示，利用BCAA致动器508b，把锁定器118定位在柔顺中性位置上。

5.如步骤1604所示，锁住锁定器118，并利用BCAA致动器508c把负载提升到活塞130相对于缸128处于柔顺中性位置(通常接近中点)的位置。

6.如步骤1605所示，如果主臂1030还没有处在它的柔顺中性位置上(例如，通过设计)，那么，利用BCAA致动器508c把主臂1030移动到它的柔顺中性位置上。

7.如步骤1606所示，执行平衡序列。

图10c也是包括可伸缩柱1000的操纵器，这个可伸缩柱100与授予Holt等人的PCT申请PCT/US01/06456中描述的可伸缩柱类似。与前面所述一样，主臂1030利用线性导轨1058和直线引导轴承(未示出)可滑动地附在上段1001上。这提供了主臂1030相对于上段1001大约±1英寸的垂直微动。

第一线性致动器508a相对于固定的下段1004和基座1002沿着垂直方向移动柱1000的中段1002。图8a所示那种类型的BCAA适合于在垂直微动轴方向使上段1001相对于中段1002运动并提供平衡和柔顺状态。

第二线性致动器1042的静止元件506b附在第一支架1040上，第一支架1040又附在中段1002上。致动器514b的远端附在BCAA锁定器118上。锁定器118附在第二支架1076上，该第二支架1076也附在上段1001上。于是，线性致动器508b驱动上段1001相对于中段1002的垂直运动。BCAA的气压缸128也附在第二支架1076上。力杆112和连杆114用于支承主臂1030。可以看出，包括第二线性致动器508b、气压缸128、活塞130、连杆114、力杆112、力传感器120、位置传感器1056、柔顺止动器522和524等的设备构成图8a所示那种类型的BCAA，且具有支架1076也附在可移动上段1001上的附加特征。

有关主臂1030处在柔顺准备状态的条件与图10a和10b的那些条件相同。但是，由于不能如在图10a和10b中那样与上段1001独立地定位锁定器118，因此，情况更简单些。最终结果是，如果主臂1030处在它的柔顺中性位置，那么，锁定器也必须处在它有柔顺中性位置，反之亦然。如下的序列可以用于实现柔顺准备状态(“柔顺准备序列8”)

柔顺准备序列8(如图15(l)所示)

1.如步骤1610所示，解开锁定器118。

2.如步骤1611所示，从缸128中排出气体，以便使主臂1030靠在下主臂止动器1054上和/或使伸出的柔顺止动器522靠在第二支架1076上(注意，在这种情况下，第二支架1076和下主臂止动器1054两者都固定在上段1001上)。

3.如步骤1612所示，把气体注入缸128中，使缸气体压力增加到使活塞130挣脱和向上移动的点。

4.如步骤1613所示，在监视主臂位置传感器1056的同时，继续调整缸气体压力，使活塞130，并因而分别使连杆和力杆114和112、和主臂1030继续向上移动。

5.如步骤1614所示，当力杆112和主臂1030到达它们的柔顺中性位置时，锁住锁定器118并停止调整缸128中的气体压力。

6.如步骤1615所示，执行平衡序列。

如果平衡序列力阈值小于静摩擦力和活塞130的挣脱力的合力，那么，由于致动器508用于把主臂1030和它支承的负载驱动到所需垂直位置，因此可以解开锁定器118，并且让它保持在解开状态。否则，应该使锁定器118保持在锁住状态，直到实现负载由对接设备部分支承的准备对接状态(或其它所需状态)。

从上面可以看出，在这种情况下，一个位置传感器1056就足够了。

图11示出了用在单个测试头操纵器1101中本发明的各种示范性实施例中的几个。图11中的操纵器1101含有如授予Holt等人的美国专利申请09/646,072中描述的基座1103、固定柱1000、和支承在前面图9(b)中所述那种类型的测试头100的主臂1030(注意，图11中的测试头100以剖面图的形式显示出来，并为了简单起见，在图11中没有重复图9(b)所示的对接硬件-以及内部俯仰和横摆旋转机构)。操纵器1101拥有七根运动轴，3根平动轴和4根转动轴。平动轴是内-外轴1128、左-右轴1126、和上-下(或垂直)轴1130。转动轴是绕基座旋转的偏转轴1115、俯仰轴1113、横摆轴1117、和绕测试头100旋转的横滚轴1111。典型的运动要求是内外±10英寸、左右±5英寸、垂直±30英寸、偏转30多度、横滚±95度、俯仰±5度、和横摆±5度。在这个实施例中，所有操纵器轴的运动都由运动驱动致动器施加动力。致动器由中心控制器(未示出)控制，使测试头100在操纵器1101运动包迹内从一个位置和方向移动到另一个位置和方向。可以使用在数根轴上实现控制以控制运动的许多技术的任何一种。在所有轴上使用适当的位置传感器，以便把反馈提供给控制器。

在这种操纵器1101中，绳索枢轴环组件924被安装在主臂1030上附着的支架1114的末端。测试头100由固定在测试头固定件926上的测试头支承梁922来支承。测试头固定件926与绳索枢轴环924的可旋转环1102耦合，以便支承梁922的中心线穿过可旋转环1102的中心，并且与可旋转环1102的平面垂直。设备被配置成使测试头100能够绕由支承梁922的中心线限定的轴，即，运动的横滚轴111旋转±95度。

在图11中，横滚轴1111穿过测试头100的重心，使得横滚基本上是平衡的和无有效重量的。因此，测试头100绕横滚轴的运动可以借助于如授予Holt等人的美国专利申请09/646,072所述的电机电机-变速箱-离合器布局来供应动力。当电机(未示出)没有受到驱动时，离合器脱离，允许绕横滚轴1111作平衡柔顺运动。

测试头100的俯仰轴1113和横摆轴1117没有穿过测试头100的重心。如图9(a)所示和前面所讨论的俯仰BCAA 932和横摆BCAA 930耦合在测试头100和测试头固定件926之间。在图11中将这些分别示意性表示成机构1106和机构1112。其细节与图9(a)中的相同。这两个BCAA 1106和1112用于分别相对于它的俯仰轴和横摆轴定位测试头100，以及为对接或/或手工操作提供平衡、柔顺运动。在这两个俯仰轴和横摆轴1113和1117中分别提供了±5度的移动范围。

测试头100的垂直移动可以通过包括如前面针对图10(d)、10(e)和10(0所示的可替换装置所讨论的BCAA的布置来提供。在图11中，图10(e)的布置被明确地显示成机构1118(请注意，在图11中没有显示柔软气体导管和高压气体供应器)。可以看出，如果可伸缩柱用于取代固定柱1000，那么，可以使用如图10(a)、10(b)、或10(c)所示那些类型之一的布置。图11中的系统被设计成使静摩擦力加上气压缸128的挣脱力大于平衡力阈值，以便测试头100可以在锁定器118解开状态下沿垂直方向定位。

基底1103中的偏转运动在水平面内，并且通过图11中示意性地表示成机构1120的柔顺驱动机构来实现。一般来说，沿着该轴的运动基本上是平衡的，且不承受外力。在这种情况下，原则上可以使用如图5(a)、5(b)、5(c)或7的任何一个所示那种类型的柔顺驱动机构。由于大约30多度的偏转运动要求行程充分长的致动器，因此，图5(a)和图7是优选的。但是，在某些应用中，把测试头100连接到测试柜(未示出)上的粗的、稍微有弹性的测试头绳索(未示出)可以沿着这根轴施加对运动产生影响的随位置改变的力。在这种情况中，BCAA可以用作机构1120，提供驱动，以及平衡柔顺状态。可以采用如图6(b)所示那样的BCAA配置。此外，图8(a)或8(b)所示那种类型的BCAA可以类似地适用于这种应用。

类似地，基底1103的内-外和左-右运动也在水平面内。与这些轴有关的柔顺驱动机构在图11中也分别示意性表示成机构1122和机构1124。与偏转运动一样，沿着这些轴的运动基本上是平衡的，不承受外力。在这些轴中所需的运动范围通常从±5英寸到±10英寸。因此，最好选择图5(a)或图7的机构来提供所需行程。在显著的可变绳索力存在于系统之中的情况下，可以采用和利用图6(a)、6(b)、8(a)、或8(b)所示那些类型的BCAA机构，这对水平轴有利。

应该注意到，图11所示的BCAA和柔顺驱动机构被显示在看得见位置中，这使描述和讨论更加清楚。在实际装置中，某些机构或它们的一部分从给定视角看过去是看不见的。例如，机构1120、1122和1124的部件通常与其它部件一起处在包括操纵器基底1103在内的各种平板之间。此外，还例如，机构1118可以处在操纵器柱1105的一侧或另一侧上或背面上。

有关对接的信息

参照图11解释致动器驱动对接的示范性实施例。在图11中，操纵器1101用于使测试头进入对接位置的准备状态，然后，分离的、独立的对接致动器(未示出)把测试头100拖入最后或完全对接位置中。各种类型的引导机构，例如，导销和小孔、运动机构等是已知的，以保证使测试头100适当地和精确地与器件处理器/检测器(未示出)对准。当操作致动器时，测试头100必须相对于操纵器1101柔顺地移动。当完成对接时，可以是致动器机构的机构把测试头安全地锁闩在某一位置中。

随着测试头100越来越大，‘815对接件的基本思想已经演变成含有三到四组通过绳索915互连的导销912、导销插孔912a、和圆形凸轮910的对接件。本申请的图12(a)、12(b)、12(c)、和12(d)显示了含有4个导销912和小孔(插孔)912a组合和四个圆形凸轮910的对接件。尽管这样的四点对接被构造成含有附在四个凸轮910每一个上的致动器把柄，但是，所示的对接件还包含附在绳索驱动器917上的单个致动器把柄914。当通过对接把柄914使绳索驱动器917旋转时，这种布置使单个致动器把柄处在操作者用起来方便的位置中。此外，通过适当地调整凸轮910的直径与绳索驱动器的直径的比例，可以获得更大的机械优点。

现在更详细地考虑图12(a)到12(d)。图12(a)用透视方式显示了固定在支架200中的测试头100，支架200又被操纵器(未示出)支承着。所示的还有测试头100可以与之对接的器件处理器1208的剖开片段。图12(b)以稍微大一些的比例并更详细地示出了器件处理器1208(再一次提醒读者，这里不失一般性地使用术语“处理器”来指包括插件式器件处理器、晶片检测器等在内的各种测试设备的任何一种)。先简要地看一下图12(c)中的剖面图，可以看出，测试头100含有电气接口1226，而器件处理器1208含有相应的电气接口1228。电气接口1226和1228通常含有数百个或数千个微小、精密的电触点，这些电触点必须以当测试头最终对接时，以提供可靠的相应单独电连接的方式精密接合。正如在这种示范性情况中所示的那样，器件处理器1208的下表面包含处理器电气接口1228，且测试头100一般来说通过从下而上的运动对接。其它的方向也是可以的，并且是已知的，包括：借助于向下运动与上表面对接，借助于水平运动与垂直面对接，和与水平和垂直面两者成某一角度的平面对接。

返回到图12(a)和12(b)，这些图所示的是完全四点对接设备；它的一些部分附在器件处理器1208上或附在测试头100上。附在测试头100上的是面板1206。四个导销912附在面板1206的四个角上，并且处在面板1206的四个角附近。面板1206具有中心孔，并且附在测试头100上，以便测试头电气接口1226穿过小孔伸出来，并且导销912定义了与电接口1226几乎同心的近似长方形。

角板1214附在器件处理器1208的下表面上。角板1214具有中心孔，并且附在器件处理器1208上，以便处理器电气接口1228穿过小孔伸出来。四个角片1216附在角板1214上，每一个分别处在它四个角的每一个角附近。每个角片1216含有钻在其中的导销小孔或插孔912a。每个导销小孔912a对于各自的导销912。将这些安排成当对接时，每个导销912将完全插入它各自的导销小孔912a中。因此，导销912和导销小孔912a保证了测试头和器件处理器之间的对准。

四个对接凸轮910可旋转地附在面板1206上。凸轮910是圆形的，并且与‘815专利中所述的那些类似。尤其是，每个凸轮910存在环绕着它圆周的侧螺旋槽，以及在上表面上的上切口。每个对接凸轮910处在各自导销912的附近，使得它一般被定心在大约从测试头电接口1226的中心延伸出来，穿过各自导销912的直线上，从而使导销912位于凸轮910和测试头电接口1226之间。角片1216和角板1214的角具有圆形的切口，使得当导销912完全插入角片中的导销小孔912a中时，每个凸轮910的圆周与它各自角片1216中的圆形切口邻接，并且与它各自角片1216中的圆形切口同心。这种布置保证了当首次对测试头100进行操作，使之进入对器件处理器1208对接的位置中时，对接部件之间的初始导向对准。

带有附属对接把柄914的圆形绳索驱动器917也可旋转地附在面板1206上。对接绳索917附在凸轮910的每一个上，并附在绳索驱动器917上。滑轮1224适当地引导到绳索驱动器917和来自绳索驱动器914的绳索的路径。通过把力施加到把柄914上，可以使绳索驱动器917旋转。随着绳索驱动器917旋转起来，它把力传递给又使凸轮910同步旋转的绳索915。

从每个角片1216的圆形切口延伸出来的是凸轮跟随器1210。凸轮跟随器1210配合到其相应凸轮910的上表面上的上切口内。图12(c)以剖面图的形式示出了测试头100与处理器910对接的过程中的一个阶段。这里，导销912部分插入角片1216中的导销小孔912a中。应注意，在这个示范性情况中，导销912在接近其远端处逐渐变细，并且在较接近它们附在面板1206上的点的地方，具有不变的直径。在图12(c)中，已经把导销912插入导销小孔912a中，直到不变直径的区域正好进入导销小孔912a中的点。并且在图12(c)中，已经把每个凸轮跟随器1210插入其相应凸轮910的上表面上的上切口中，直到它处在凸轮螺旋槽的最上端的深度。在这种配置中，对接件作好通过把力施加到把柄上和使凸轮旋转而被驱动的准备。于是，这种配置可以被称为“准备驱动”位置。

图12(d)以剖面图的形式示出了凸轮910全速旋转导致的结果。测试头100现在完全与处理器1208对接。可以看出，凸轮910已经旋转起来，并且已经使凸轮跟随器1210沿着螺旋槽走到更接近面板1206的点。另外，导销912完全插入它们相应的导销小孔912a中。可以看出，导销912的不变直径区和相应导销小孔912a之间配合的紧密程度决定处理器电接口1228和测试头电气接口1226之间的最后对准。

根据前述讨论，现在更全面地讨论对接过程和定义某些术语是合适的。对接的目的是精确地将测试头电气接口1226与处理器电气接口1228配合。每个电气接口1226和1228限定一个平面，该平面通常，但非必须与电气接口的顶端名义上平行。当对接时，这两个平面必须相互平行。为了防止对电触点的损害，最好在使电触点与机构触点相互机械接触之前，首先在五个自由度中对准两个接口1226和1228。如果在对接位置中，接口限定的平面与图14的X-Y平面平行，那么，必须在X、Y和θZ方向对准，以便使各个触点相互排齐。另外，通过沿着θX和θY方向的转动，使两个平面平行。使两个电气交接面相互平行的过程被称为“接口”的平面化；并且，当已经实现平面化时，可以认为接口是“平面化的”或“共面的”。一旦在X、Y和θZ方向被平面化和对准，通过促使在与处理器电接口1228的平面垂直的Z方向的运动，继续进行对准。在对接过程中，首先把测试头100移动到处理器1208附近。进一步的移动使角片1216的圆形切口首先与凸轮910对准。这个位置，或者正好在这个位置之前的那个位置，可以被认为是“准备对接”位置。更明确地说，“准备对接”位置指的是某个第一导向对准装置才刚刚接合或在要接合的位置附近的位置。在这个阶段，取决于设计细节，导销的远端准备进入它们相应的导孔中。再继续移动将把测试头带入前面针对图12(a)到(d)所讨论的“准备驱动位置”。更明确地说，“准备驱动位置”指的是测试头已经到达可以驱动对接设备的位置。在准备对接位置上，已经实现了在X、Y和θZ方向的近似平面化和对准。随着对接件受到驱动且导销912更完全地插入它们各自的导销小孔912a中，对接和平面化变得更加准确。

一般说来，准备驱动位置是对接件的两个半部中的对准机构至少已经部分接合和已经实现了一些，但未必所有轴已经实现对准的位置。例如，在如‘815专利所述那种类型的对接件和如图9(a)和(b)及12(a)到(d)所述那种类型的那些对接件中，这是如上所述，逐渐变细的导销912已经进一步插入导销小孔912a中，致使处理器1208上的凸轮跟随器1210已经插入对接凸轮910中的位置。这样，测试头100通常在千分之几英寸内和在大约1度共面性内与目标设备对准。作为另一个例子，在如美国专利5,982,182(特此引用，以供参考)所述的对接件中，这是运动触点已经接合且系统准备好进行与目标垂直的最终直线运动的位置。

对上述问题的解决方案适用于本文在图1(a)到4(b)中所述(Ny等人的美国临时申请60/234,598中所述)的平衡系统，并且也适用于本文在图6(a)到9(b)中所述的BCAA。这些具有几个共同方面；一个方面是，平衡系统是BCAA的组成部分。于是，可以按要求把BCAA和/或平衡系统加入操纵器和测试头100中，以便在需要或想要的地方达到平衡和柔顺状态。

在本申请中，如前所述，可以在对接之前，使测试头100进入和锁定在柔顺中性位置中。正好在在非常接近对接系统进行最后对接之前，可以使一根轴或数根轴保持平衡，使它或它们处在柔顺准备状态。由于这是通过把锁定器118锁住实现的，因此，不存在测试头100作突然的、不可预测的、和可能危险的运动的风险。然后，借助于处在柔顺准备状态的系统，解开测试头118，使它作柔顺运动，继续进行对接。

正如本文早些时候所指出的那样，压力传感器(606a，606b)可以合并入内并布置成测量气压缸128的每个进口上的气体压力。控制器(未示出)接收来自压力传感器的、指示测量压力的信号。本文在前面描述了压力传感器在脱离之前用于恢复平衡状态。无需这种方法，正常操作就可以在平衡系统锁定器锁住的情况下使测试头100脱离，这放弃了在脱离的时候作柔顺运动的机会。

压力传感器(606a，606b)也可以用在在对接测试头100的整个时间内和在继续进行测试的时候保持平衡状态的系统中。为了完成这个任务，使测试头100进入准备对接的位置。具有平衡系统或BCAA的所有轴进入柔顺准备状态。也就是说，使它们保持平衡，并且使它们处在柔顺中性区域。然后，由控制器测量和记录气压缸128中的压力。接着，释放锁定器118并对接测试头100。根据对接系统的类型和应用，当最后对接测试头100时，可以、也可以不重新锁住锁定器118。在对接测试头100的同时，控制器不断监视气压缸128中的压力，将它们与记录值相比较，并且操纵阀门604，以便保持缸压力基本不变。这样就维持了作用在活塞130和连杆114上的基本不变力并使系统保持在所需平衡状态。显然，对于在平衡状态可得到的柔顺运动，可以使测试头100脱离。

更具体地说，对接系统是锁闩型的还是非锁闩型的将决定可用的操作模式。锁闩对接件在这两种操作模式之间提供了如下选择：

1.在对接测试头100的同时通过解脱锁定器118保持平衡(如上所述)。在脱离的同时，通过解开锁定器118，保持平衡和作柔顺运动的机会。

2.在对接测试头100的同时，通过锁住锁定器118，不保持平衡。对于脱离，存在两种分选择：

a.在脱离之前恢复平衡，且在脱离同时通过解开锁定器118保留作柔顺运动的机会。

b.在脱离同时，不恢复平衡，且锁定器118必须保持锁住。这种方法不需要压力传感器。

在非锁闩对接系统中，一般说来，在对接测试头100的时候，需要锁住锁定器118。根据柔顺运动的需要，在脱离之前可以、也可以不恢复平衡。

现在考虑使用锁闩、致动器驱动对接的系统中的操作。这是目前使用得最广泛那种类型的系统。可以把像美国专利第4,589,815号所述那样的基本两点对接设备推广到包括如前面所述的、如图9(a)、9(b)和12(a)到(d)所示的三组或四组导销912、导销小孔912a和绳索驱动器。这样的二组、三组和四组对接件广泛用在这个目的的工业中。尽管这样的设备可以由操作者通过把力施加到对接把柄914上手工驱动，但是，包括电机、电或气体线性改动器、和/或真空操作器件的其它类型对接致动器也是已知的。一般说来，测试头100将与插件式器件处理器、晶片检测器或其它可能设备对接，这些设备被术语处理器1208统称为“目标设备”。对于对接，可以遵照如下序列：

如图15(m)所示，系统已作好把测试头或负载100从与目标设备分离的开始点移动到准备对接位置的准备。

a.如步骤1620所示，水平(内外、左右、和横滚)轴上的柔顺驱动器和/或BCAA进入柔顺准备状态，并锁住它们的锁定器118。

b.如步骤1621所示，使俯仰和横摆BCAA进入柔顺准备状态，并锁住它们的锁定器118。

c.如步骤1622所示，垂直驱动机构内的BCAA进入柔顺准备状态(利用柔顺准备序列)，并解开它的锁定器118。

d.如步骤1623所示，现在把测试头或负载100移动到准备与目标设备对接的位置。为此，控制器控制致动器以沿着运动路径移动测试头100，使它进入准备对接位置。一般说来，这是对接件的两个半部中的对准机构已经进入非常接近的地方或初始触点，但还没有完全接合的位置。例如，在具有导销912的许多种对接件中，这是对接导销912已经接近目标设备中的它们配合的对接导销小孔912a或正好与目标设备中的它们配合的对接导销小孔912a接合的位置。控制器可以利用一些算法来实现它，或者，操作者通过将按钮、操纵杆、和/或其它适用输入器件用于控制器来引导这个过程。

从准备状态到对接状态，再到完全对接状态

e.准备：具有BCAA的操纵器的所有轴都重新达到平衡。如步骤1624所示，依次使每个BCAA达到平衡。使特定的BCAA达到平衡可能扰乱一些其它BCAA的平衡。于是，重复这个过程，直到每个BCAA的力传感器120都指示平衡状态(典型地，这个目的通过叠代3次或更少次数，通常是叠代2次来达到)。

f.如步骤1625所示，如果压力传感器包含在BCAA的任何一个中，那么，通过控制器读出当前压力，将其存储在控制器存储器中，供以后使用。

g.如步骤1626所示，把所有锁定器118都解开，允许沿着所有轴作平衡柔顺运动(注意，正如授予Holt等人的美国专利申请09/646,072所述的那样，通过设计，每当电机未致动且横滚轴没有受到驱动时，横滚轴电机的离合器自动脱开)。现在，测试头100或负载处在平衡柔顺状态，可以由外部装置利用通常小于25到30磅的力移动它。

h.把测试头100进一步移动到准备驱动位置。这是通常小于1英寸的整个运动，并且，该移动可以并通常手工完成。但是，在更复杂的系统中，控制器(未示出)可以用于迫使测试头100进入这个准备驱动位置。为此，控制器迫使测试头100沿着与处理器(或其它目标器件)电气接口1228的平面垂直的直线路径移动。选择用于运动的一根或数根适当的轴(对于水平对接，垂直轴；对于垂直面对接，内外轴或左右轴；或对于倾斜对接，垂直轴和内外轴或左右轴的组合)，锁定器118锁住，并且致动器用于迫使测试头100进入位置，由此，再次解开锁定器118(让其它轴保持在解开状态，以允许作必要的柔顺运动，如上所述，这使测试头能够对准)。

i.如步骤1628所示，现在启动对接致动器，把测试头100拖入与目标设备1201的完全对准位置。在如图9(a)所示的对接设备那样的手工驱动对接件中，这通过把力施加在对接把柄914上来实现，把力施加在对接把柄914上使图9(a)中的对接凸轮910或图12(a)中的绳索驱动器(单元914的一部分)旋转起来。在具有动力致动器的对接件中，这通过向致动器适当供能来实现。随着测试头100被拖入最后对接位置中，它在所有六个空间自由度中自由地作柔顺运动。如果需要，尽管这不总是优选的，但是所选轴可以使它们的锁定器118接合，以限制相应自由度中的柔顺运动。

通常，把对接机构设计成这样的，测试头100被有效地锁闩在对接致动器已经到达它完全对接极限时的地方。于是，测试头100现在完全对接，被锁闩在位置上，并在机械方面已作好测试器件的准备。

现在考虑使用非锁闩对接的操纵器驱动系统中的操作。在这样的系统中，操纵器必须克服与对接相关的力。这些力通常起因于压缩数百个或数千个装有弹簧的pogo引脚的需要和/或耦合电连接器中数百个或数千个配合触点的需要。对于每一个这样需要几克或几盎司力的pogo引脚或触点，常常会遇到几百磅的总对接力。对于操纵器驱动对接，用在对接中的操纵器驱动机构必须能够克服对接力，以及在自由空间中移动测试头或负载100所需的力。如果使驱动轴保持平衡，那么，就可以减小驱动力。

在轴中使用在操纵器驱动对接过程中为驱动轴的BCAA机构是有利的。首先，通常可以容易地把驱动轴的致动器的尺寸调整成具有足够的驱动能力来克服对接力，以及移动移动测试头或负载100所需的力。此外，如果所考虑的轴被设计成可以在锁定器118解开的平衡状态下移动它，那么，相对位置传感器可以用于检测是否遭遇到障碍物或阻碍物(例如，参阅对图10(a)到10(f)的讨论)。另外，在锁定器118锁住状态移动测试头100的情况下，力传感器120可以用于检测是否遭遇到阻碍物和障碍物。

回忆一下，在致动器驱动对接中，通常，对接设备在一侧配有导销912，在另一侧配有配合导孔912a，以便引导测试头100与器件处理器(图12(a)中的1208)或检测器的测试点对准。倘若导销912有足够的长度且导孔912a有足够的深度，配合到两个密配导孔912a中的两个导销912将在五个空间自由度中提供对准。如果对接表面是平面，这些自由度包括平面内的X、Y和θ和相对于平面的俯仰和横滚。其余自由度是受对接致动器机构控制的两个平面之间的垂直距离。这种技术也可以用在操纵器驱动对接中；但是，其它技术也是已知的，譬如，在前面讨论的[Graham等人]中公开的那种技术。

下面概括有关操纵器驱动对接的过程，这个过程显示在图15(n)所示的流程图中。这个过程遵循前面致动器驱动对接过程的一般形式。

1)系统已作好把测试头或负载100从与目标设备分离的开始点移动到准备对接位置的准备。

a)如步骤1630所示，使水平(内外、左右、和横滚)轴上的柔顺驱动器和/或BCAA进入柔顺准备状态，并锁住它们的锁定器118。

b)如步骤1631所示，使俯仰和横摆BCAA进入柔顺准备状态，并锁住它们的锁定器118。

c)如步骤1632所示，使垂直驱动机构上的BCAA进入柔顺准备状态(利用柔顺准备序列)，并解开它的锁定器118。

2)如步骤1633所示，现在把测试头或负载100移动到准备与目标设备对接的位置。为此，控制器控制致动器沿着运动路径移动测试头100，使它进入准备对接位置，其中，两个半部的对接设备已经接近它们的配合物或刚好与它们的配合物接合。控制器可以利用一些算法来实现它，或者，操作者通过将按钮、操纵杆、和/或其它适用输入器件应用于控制器来引导这个过程。

3)从准备状态到对接状态，再到完全对接状态

a)准备：使具有BCAA的操纵器的所有轴都重新达到平衡。如步骤1634所示，依次使每个BCAA达到平衡。使特定的BCAA达到平衡可能扰乱一些其它BCAA的平衡。于是，重复这个过程，直到每个BCAA的力传感器120都指示平衡状态(典型地，这个目的通过叠代3次或更少次数，通常是叠代2次来达到)。

b)如步骤1635所示，如果压力传感器包含在BCAA的任何一个中，那么，通过控制器读出当前压力，将其存储在控制器存储器中，供以后使用。

c)如步骤1636所示，确定将受到驱动和控制的轴。这些可以在专门设备中通过设计预先确定，但是，在一般情况下，正在将测试头100与之对接的设备将确定它们。通常，所选轴至少实现沿着与处理器或检测器的对接平面垂直的路径的移动，处理器或检测器的对接平面可以是水平的、垂直的、或与水平面成某一角度的倾斜的。在某些应用中，可以驱动和控制使被带到一起的两个表面的平面化得以实现的轴是理想的。

d)如步骤1637所示，将在非驱动和非控制轴中的锁定器118统统解开，以便在移动到完全对接位置的同时，允许沿着这些轴作平衡柔顺运动。将受到驱动和控制的轴的锁定器118保持在锁定状态(请注意，正如授予Holt等人的美国专利申请09/646,072所述的那样，通过设计，每当不驱动电机和横滚轴未受到驱动时，使横滚轴电机的离合器自动脱开。还请注意，如果横滚轴要作为对接运动的一部分而受到驱动，那么，需要配有如上所述实现非转矩限制操作的装置)。现在，测试头或负载100处在平衡柔顺状态。

e)如步骤1638所示，测试头100进一步移动到传感器确定的初步对准位置和/或把逐渐变细的导销912部分插入导销插孔912a之中。这样，测试头100在千分之几英寸内和在大约1度共面性内与目标设备对准。这是通常小于1英寸的总体运动，并且，在操纵器驱动系统中，通常利用控制器进行移动，迫使测试头100进入这个初步对准位置。为此，控制器迫使测试头100沿着与目标设备中对接区的平面相垂直的直线路径移动。如果在这个步骤中使用了除了上面在步骤2)c)中选择的轴之外的轴，那么，必须在移动之前锁住它们，并在移动之后再次解开它们(使其它轴保持在解开状态，以允许必要的柔顺性)。

f)如步骤1639所示，把测试头100驱动到与目标设备的完全对接位置。上面在步骤1636中选择的轴受系统控制器驱动和控制，使测试头100沿着适当路径移动到它的完全对接位置。随着测试头100被驱动到最后对接位置，它可以在所有的非选轴中自由地作柔顺运动。但是，如果需要，某些非选轴可以使它们的锁定器118接合以限制在相应自由度内的柔顺运动；但是，一般说来，这不是优选的操作模式。当发生这种运动时，监视适当的位置传感器。当测试头已经到达它的完全对接位置时，至少需要一个或多个位置传感器发出信号。倘若在这个过程中适当的轴受到驱动和控制，随着测试头100被移动到对接位置，在必要的时候，可以使用其它传感器来保持和提高测试头100的对准和平面化。

4)如步骤1640所示，当测试头100完全对接时，使驱动轴(上面在步骤1636中选择的)停止和保持在完全对接状态。除非在对接硬件中配备了锁闩机构以测试头100保持在它的对接位置，则在测试头100的随后测试和使用期间，它们必须保持在这个状态。这样的锁闩器可以由控制器来控制并在表示已经到达对接位置的信号时致动。

将测试头保持在与测试头设备的对接位置的可替换技术包括锁住或不锁住一些或全部操纵器运动轴。另外的技术是通过监视和保持BCAA的缸128中的压力来保持测试头100的平衡状态。

在对接方法中，在每种情况下都要识别测试头100的两个中间位置：在两种情况中的准备对接位置、和在致动器驱动对接中的准备驱动位置和在操纵器驱动对接中的相应初步对准位置。在某些情况下，两个中间位置可以是同一个。此外，在某些对接中，机构捕获器可以用于捕获测试头100和使测试头保持在这些中间位置之一或两者中。当这些捕获器被启动时，它们防止测试头100离开为对接位置而获得的对接位置，而是使它移动到对接位置附近。使用这些方法扩大了上述方法，而不是创造了新方法。

虽然已经对本发明的优选实施例进行了图示和描述，但是，应该明白，这样的实施例只是通过举例来提供的。对于本领域的普通技术人员来说，可以作出许许多多变型、改变和替换，而不偏离本发明的精神。因此，我们认为，所附权利要求书涵盖落在本发明的精神和范围之内的所有这样的变型。

Claims (56)

1.一种将测试头与处理器对接的方法，所述方法包括如下步骤：

测量沿着所述测试头的多根运动轴的至少一根的不平衡力；

向所述不平衡力提供反力；以及

将附在所述测试头和所述处理器之一上的多个对准结构的至少一个与附在所述测试头和所述处理器另一个上的多个对准插孔的至少一个对准，所述对准步骤是提供所述反力的同时完成的。

2.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持所述反力。

3.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

记录所述反力的大小。

4.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，重新施加所述反力。

5.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

借助于气压缸施加所述反力。

6.如权利要求5所述的方法，还包括如下步骤：

测量和记录产生所述反力的气体压力。

7.如权利要求6所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持施加在所述气压缸上的气体压力。

8.如权利要求6所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，恢复气体压力并将气体压力重新施加到所述气压缸上。

9.一种将测试头与器件处理器对接的方法，所述方法包括如下步骤：

提供包括如下配置的设备：

控制器；

具有受控制器控制的致动器并限定交接面的对接设备；

测试头操纵器，其包括：

使测试头相对于交接面与器件处理器平面化的两个或更多个运动自由度；

使测试头沿着与交接面垂直的轴运动的、受控制器控制的一根或多根运动驱动轴；

操纵测试头进入准备对准位置；

使测试头平面化；

沿着所述轴把测试头驱动到准备驱动位置；以及

操作致动器，把测试头推入完全对接位置。

10.如权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：

当处在完全对接位置中时，锁闩测试头。

11.如权利要求9所述的方法，还包括如下步骤：

当测试头处在完全对接位置中时，锁闩驱动轴。

12.如权利要求9所述的方法，其中，平衡与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴。

13.如权利要求9所述的方法，其中，与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴是柔顺的。

14.如权利要求9所述的方法，其中，与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴受到驱动并由控制器控制。

15.如权利要求9所述的方法，其中，一根或多根驱动轴是柔顺的。

16.如权利要求9所述的方法，其中，一根或多根驱动轴是平衡的。

17.如权利要求12所述的方法，其中，一根或多根平衡轴由平衡单元来平衡。

18.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持所述平衡单元提供的反力，以使所述一根或多根平衡轴平衡。

19.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：

记录所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力的大小。

20.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，重新施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

21.如权利要求17所述的方法，还包括如下步骤：

借助于气压缸施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

22.如权利要求21所述的方法，还包括如下步骤：

测量和记录产生所述反力的气体压力。

23.如权利要求21所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持施加在所述气压缸上的气体压力。

24.如权利要求21所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，恢复气体压力并将气体压力重新施加到所述气压缸上。

25.如权利要求16所述的方法，其中，一根或多根平衡轴由平衡单元来平衡。

26.如权利要求25所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

27.如权利要求25所述的方法，还包括如下步骤：

记录由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力大小。

28.如权利要求25所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，重新施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

29.如权利要求25所述的方法，还包括如下步骤：

借助于气压缸施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

30.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：

测量和记录产生所述反力的气体压力。

31.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持施加在所述气压缸上的气体压力。

32.如权利要求29所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，恢复气体压力并将气体压力重新施加到所述气压缸上。

33.一种将测试头与器件处理器对接的方法，所述方法包括如下步骤：

提供包括如下的设备：

控制器；

限定交接面的对接设备；

测试头操纵器，其具有：

使测试头相对于交接面与器件处理器平面化的两个或更多个运动自由度；

使测试头沿着与交接面垂直的轴运动、由控制器控制的一根或多根运动驱动轴；

操纵测试头进入准备对准位置；

使测试头平面化；以及

沿着所述轴把测试头驱动到完全对接位置。

34.如权利要求33所述的方法，还包括如下步骤：

当处在完全对接位置中时，锁闩锁定器。

35.如权利要求33所述的方法，还包括如下步骤：

当测试头处在完全对接位置中时，锁闩驱动轴。

36.如权利要求33所述的方法，其中，与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴是平衡的。

37.如权利要求33所述的方法，其中，与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴是柔顺的。

38.如权利要求33所述的方法，其中，与所述两个或更多个自由度相对应的一根或多根轴受到驱动并由控制器控制。

39.如权利要求33所述的方法，其中，一根或多根驱动轴是柔顺的。

40.如权利要求33所述的方法，其中，一根或多根驱动轴是平衡的。

41.如权利要求36所述的方法，其中，一根或多根平衡轴由平衡单元来平衡。

42.如权利要求41所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

43.如权利要求41所述的方法，还包括如下步骤：

记录由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力大小。

44.如权利要求41所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，重新施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

45.如权利要求41所述的方法，还包括如下步骤：

借助于气压缸施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

46.如权利要求45所述的方法，还包括如下步骤：

测量和记录产生所述反力的气体压力。

47.如权利要求45所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持施加在所述气压缸上的气体压力。

48.如权利要求45所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，恢复气体压力并将气体压力重新施加到所述气压缸上。

49.如权利要求40所述的方法，其中，一根或多根平衡轴由平衡单元来平衡。

50.如权利要求49所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

51.如权利要求49所述的方法，还包括如下步骤：

记录所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力大小。

52.如权利要求49所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，重新施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

53.如权利要求49所述的方法，还包括如下步骤：

借助于气压缸施加由所述平衡单元提供的使所述一根或多根平衡轴平衡的反力。

54.如权利要求53所述的方法，还包括如下步骤：

测量和记录产生所述反力的气体压力。

55.如权利要求53所述的方法，还包括如下步骤：

在对接所述测试头的同时，保持施加在所述气压缸上的气体压力。

56.如权利要求53所述的方法，还包括如下步骤：

在使所述测试头脱离之前，恢复气体压力并将气体压力重新施加到所述气压缸上。

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