CN106029310B - 冗余并联定位台设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及冗余并联定位台设备。更具体地，本发明涉及冗余并联定位台设备，用于对重负载的样品、仪器和/或装置精确定位，例如，属于用于同步加速器设施的衍射仪机器的领域和用途。

Description

冗余并联定位台设备
技术领域
本发明涉及冗余并联定位台设备。更具体地，本发明涉及冗余并联定位台设备，用于对重负载的样品、仪器和/或装置精确定位，例如，属于用于同步加速器设施的衍射仪机器的领域和用途。
背景技术
在现有技术中，用于不同目的的样品的定位的定位系统和设备长期以来是公知的。
对新的或现有材料的一些研究涉及同步加速器X射线工具和衍射仪(Dm)机器，以研究物理和/或化学性质。为发现固有的分子和/或原子结构及其在不同环境条件下的表现，这些大(显微镜)中的测量基于衍射技术。为了对样品模拟真实的或虚拟的条件(例如压力、温度等)，有时需要附加的仪器和/或装置。这些可能重达几十或几百公斤，且尺寸可观，并且，这些聚集体(样品及仪器/装置)必须在朝向入射X射线束的正确位置中操作。标准的实验过程包括几个操作(和/或阶段)-快速设置，对齐，校准，转到确切需要的位置，将姿态保持相对长的时间(例如数小时或数天)，随后重新开始另一个研究的整个周期。在这些之后，所需的定位装置应能够在足够精度和速度下执行简单和复杂的运动，这同时归因于用于承载相对高的负载的功率，并将其维持相对长的时间。尤其是，它必须能够围绕关于距仪器基座一定距离(dc)的样本中心的固定的任意选择点(被称为旋转中心C或枢轴点P)作球面运动。
近来，越来越多地研究并联运动学(PK)原则，其作为相对标准串联(堆叠)原则有一定优势的定位概念。被称为六足的最常见的六自由度拓扑结构源自GOUGH[V.E.Gough，Contribution to discussion of papers on research in automobile stability，control and tyre performance Proc.Auto Div.Inst.Mech.Eng，1956-1957]和STEWART[D.Stewart，A platform with six degrees of freedom，Proc.Institution ofMechanical Eng.(UK)，1965-1966]的工作。GOUGH-STEWART平台机构首先被应用为运动模拟器[C.L.Klaus，Motion manipulator，US 3295224，Jan.03，1967]，然后后者作为在机床行业中定位的工具[P.C.Sheldon，Six-axis machine tool，US4988244，Jan.29，1991]。用于定位的实际六足结构(例如6-SPS)是全并联的运动学机构(PKM)，其由具有6个可变长度致动器(被称为支柱)的对称结构构成，其分别被布置在两个近似六边(或盘)形——基座和移动平台部分之间。平台的位置(和朝向)由线性致动的伸缩杆的强耦合运动组合决定。由于其固有的坚固的棱锥结构，优点关于以下方面：增加的有效载荷、精度和动力学性能。为精确定位设计的有特色的类别被称为精确六足。
提出了几个解决方案；其中的一些作为可用产品。然而，当意欲在衍射仪(例如，Dm5021/107/DLS，HUBER GmbH Co&KG，DLS-Diamond Light Source，I07-Beam line)内部使用时，它们显示出与以下相关的一些缺点：所需操控(例如，负载：>50公斤，dc＝170毫米，可重复性：±2微米，速度：3毫米/秒)；以及可用Dm工作空间(D×A＝400×420毫米，D-直径，A-高度)参数：a)最大操控负载不够(对于满足D×A或dc的那些来说)，b)旋转中心点距离(dc)不在D×A之内(对于关心更大负载的全部)，以及c)工作空间相对小(对于上述两个情况)。简而言之，与它们对所分配的Dm空间而提供的性能相比，六足体积，尤其是高度太大(或太小)。另外，该平台用于大型仪器的安装面并不总是充分准备好的(例如用于线缆管理的大孔径)。
这是因为，设计者面临：a)在致动支柱(伸缩杆)“内”组装可观组件(如马达，减速机/谐波驱动器、导轨、传感器等)的必要性；b)因为致动器的相交数量和大小，工作空间的形状由此复杂；c)对于移动电动腿来说不理想的动态效应，有时是可观的，影响最大速度。并且，对于精密任务来说，必须检测和避免所发生的奇异点(和冲突)；然而，这难以完成，因为其直接与接合处和组件的数目相关。最后，当要在实验室中完成简单且快速的对齐操作时，非并联运动学专业人员难以预测简单的运动：平移-X、Υ、Z(和/或旋转-Rx、Ry、Rz)。
在精密6自由度定位任务的时间期间，已研究了其它架构。
美国专利申请US5301566涉及六自由度并联-(迷你)操纵器，其具有3个不可伸长的肢体，用于操纵经由3个非共线的万向节和两自由度并联驱动器附接的平台。通过使用最小数目的致动和支撑点、以及双向平面电机，与Stewart/Gough机构相比，除了其它优势(直接运动学、少量组件等)之外，已断言了增加的工作空间、刚度和精度。然而，静态和动态特性非常依赖仅一轴对称布置的组件的数目(3个)。
也有对作为定位台设备工作的PK机制的若干建议。国际专利申请WO07/055339A1描述了由于主要两个分离的定位装置的组合动作而具有执行高精度运动的能力的三维定位台(矩形)。升降(Z)和台板(XYRz/PKM)装置都通过平面轴承支撑板和三个垂直直线导轨连接。升降装置包括2个引导楔的台系统，它们以对于固定支撑的相对运动产生平台的升降。然而，这些组合的混合并联-串行结构不能提供整个运动能力范围(6自由度)。日本专利申请JP20102051054A描述了一种定位台，其使用各自通过3个线性引导部分(一个附接马达，第二个附接球形轴承)提供升降运动的3个移动支撑的。通过几个运动部分和引导部件，利用这种三足架构来定位空间(3自由度)中的负载，这认为会影响总刚度。
冗余是应用于并联运动学机构的相对新的概念。它对于空间和平面结构两者均增加了刚度、工作空间、准确性和速度这些机械能力。至今，两个概念已被研究，分别为运动学冗余(增加链/腿)和致动冗余(增加主动接头)。冗余还具有避免奇点、以及当一个或多个致动器故障时在困难条件下工作的优点。然而，至今，仅发布了很少的操纵和/或定位产品。
日本专利申请JP2010264526A涉及一种冗余空间并联机构，其使用4对双致动器，其各自具有一个自由度。该架构类似于基于支柱致动器的六足架构，但在顶端有特殊设计的互连接头。为了执行所需的运动任务，控制功能必须考虑仅六个合适的所选主动支柱。所得到的与致动器长度相关的装置的高度(高)类似于六足情况。
法国专利申请FR2965207A1描述了具有6自由度的冗余并联机器人。该机构可以被看作包括四个铰接式运动学闭合链，其各自具有相对于基座的2自由度致动。通过旋转接头从它处支撑主串行链，然后，其通过分离的旋转接头(包括枢轴)而连接到平台。致动器对位于移动平台并沿角动作的四边形旁边。避免了并联型奇点。并且，通过使用旋转马达和臂(棒)，可投放高工作空间和灵活度操纵任务，但不同时具有精度；因为刚度不处于其最佳状态。在使用线性致动器的实施例中得到了可能的改进值(FR2964337A1)，但平台大小仍然被认为远小于基座。
中国专利申请CN1730235涉及具有6自由度的冗余并联机构，其用作用于机床的结构，以便通过使用通过作为其滑动块部分的旋转对而各自绕着环形基座运动的4个伸缩腿，来增加其轴向刚性和工作空间。圆形导轨实现大范围的旋转运动，并增加了姿态空间，但主动接头被置于被动接头之间，减小了最大刚度。
上述所有这些装置具有使用非冗余(例如，并联或混合)或冗余(例如，并联)结构而部分(小于6个自由度)或完全(6自由度)在空间中定位本体的能力。然而，上述装置均不完美适于特定同步加速器相关的衍射仪应用。
发明内容
因此，本发明的目的是：提供具有优异性能和能力的6dof(6自由度)定位装置，其与实际存在的结果和成就相比适于更大范围。
本发明的第一目的是提供一种定位台，其具有用于承载特定衍射仪负载的增大了尺寸(包括孔径)和充足的外形(平)的支撑和固定面。本发明的第二目的是提供一种定位台，其更紧凑(例如，较低的轮廓)而适于匹配最严格的紧密空间需求。本发明的第三目的是提供一种定位台，其用于增加的精度(包括稳定性)。本发明的第四目的是提供提高速度的概念。本发明的第五目的是提供一种方法，用于直观地执行：自动(或手动)设置简单的笛卡尔运动(例如平移和/或旋转)。
本发明的发明人惊奇地发现，根据本发明的以下几方面的设备提供对本发明的上述目的的解决方案，并另外提供对于现有技术来说意外和惊讶的技术效果和优点。从下面伴随此公开的示例，这些技术效果和优点将被说明，且变得清楚。
在第一方面，提供了一种并联定位台设备(Rd-PPT)，包括静基座(B)和可移动台(T)。该并联定位台设备可以是冗余并联定位设备台。可移动台可以在全部六个自由度(6dof)上相对于静基座移动。可移动台可具有固定表面(ΣT)。固定表面可以是这样的固定表面，可在其上安装用于研究的样品(Sp)或相关本体(Bo)。至少一组四个支撑腿可被对称且成对布置在基座中心周围，一端与静基座连接，另一端与可移动台连接。支撑腿之一可以是冗余的。所有的支撑腿可为213动力链(K)。在本公开的上下文中，冗余是指具有至少一组四个支撑腿的任意定位台设备，其中，至少一个支撑腿对于其它腿来说是多余的。
在本发明的优选实现中，并联定位台设备可以是模块化的。在本公开的上下文中，模块化意味着台设备以模块化方式包括静基座、可移动台和支撑腿。支撑腿可以被作为定位模块(Pm)提供。定位模块可相对于一个对称轴(Z)垂直并联布置，且相对于第二对称轴(X/Y)正交，优选为主动2自由度支柱。
每个定位模块可以是一个主动Ac-平面驱动和两个非主动El-倾斜升降和Gu-球形引导定位单元(Pu)的堆叠组合，前面两者(Ac、E1)可为具有相同的基本形状和大小的紧凑的平行六面体块。
此外，主动定位单元Ac可以是二自由度并联致动A单元。致动(A)单元可包括四个正交运动轴，其中，它们之中相邻的两个作为一组两个线性致动主要部分(A11、A12)，余下(A'11、A'12)是冗余的，垂直位于具有平面引导面(Σ1)的公共移动器(M)边上。
在优选实现中，并联定位台设备的升降定位单元(El)可以包括一对平行楔(W)，其具有V型可调倾斜引导面(Σ21、Σ22)。引导面(Σ21、Σ22)的下部(W1)可被固定在致动(A)上，上部(W2)可支撑球形(S)定位单元，形成(El)定位单元的具有相对腿的V型形状。
引导定位单元(Gu)可以是紧凑的球形接头(S)。紧凑的球形接头(S)可以具有与可调(Σ31、Σ32)表面接触的凸凹球形。第一部分可以是一端具有精密校准球形(S)的截断圆锥柱p。另一部分垂直安装在升降(Pu)的上侧，其容纳在台的底侧集成的互连(H1、H2)部分。
在优选实现中，四个平面2P接头的全部可成对安装在静基座上(2x2P)，其具有彼此正交(P1P3/P2P4)、且基本上与静基座表面(ΣB)平行的轴，形成共面致动模块(Am)，作为6-4-(2P)PS并联运动机构的一部分，分别仅具有线性和球形接头、以及全部倾斜同样角度(α)的被动接头(P)。
定位模块(Pm)可位于中间侧，或者在静基座正方形和/或可移动台的关于中心孔(D)的角部。
在本发明的另一个方面，提供了根据本公开的第一方面的冗余并联定位台的使用，用来产生简单笛卡尔空间：平移-TX或TY或TZ和旋转-RX或RY或RZ运动和线性-X或Y或Z以及角-αX或αY或αZ位移，通过使用相应的主动轴线性运动(tx、ty)和位移(X、Y)中的全部或仅一些，作为具有同等或等价位移的运动的直接参与。
在第三方面，本发明涉及一种冗余并联定位台设备。该冗余并联定位台设备可包括静基座和可移动台。可移动台可在全部六自由度上相对于静基座移动。可移动台可具有在其上可安装用于研究的样品或相关仪器的固定面。优选地，至少一组四个支撑腿被对称布置在基座中心周围，一端连接到基座、另一端连接到可动台。
理论上，台定位设备可被构想为模块化，且具有作为定位模块的支撑腿，其相对于一个对称轴垂直并联布置，并相对于其它对称轴成对正交。
每个定位模块可为一个主动和两个非主动定位单元的预定组合。
台定位设备还可包括两自由度并联致动组件，其各自具有至少两个正交运动轴和平面引导面。
在优选实现中，台定位设备还包括基于倾斜引导面的升降组件，该倾斜引导面的所述第一底部被固定在致动上，并且，所述上部的第二部分支撑引导单元，形成具有成对相对组件的V型形状。
台定位设备还可包括引导组件，其具有将升降组件的上侧与台的下侧连接的凸凹面。
全部主动定位单元可被安装在平面基座上，且成对地彼此正交，且均与基座表面基本平行。
在每个升降单元上可垂直安装引导定位单元，其能够允许定位模块的定向运动和位移，并且，通过它们的组合工作，整个台设备能够平移和/或定向。
通过仅选择部分致动轴，还可形成具有少于六个自由度的定位设备。
在本发明的第四方面，提供了一种基本方法，其用于产生空间运动和位移，作为根据本发明的第三方面的台定位设备生成的主动平移运动和/或位移中的全部或一些的组合序列。
本发明现在将通过工作示例来被进一步说明。但应该理解的是，这些示例不会限制本发明的保护范围，仅用于说明性目的的意图而呈现。
例子
在本发明的实际上下文中，精密涉及很少的(小于10)微米(或者，弧秒)，并且意指精度、可重复性、分辨率；以及稳定性(几微米或弧秒/小时)。
附图说明
为了说明本发明的目的，包括了以下附图：
图1表示冗余并联定位台设备的6-4-213拓扑概念；
图2表示用于冗余并联定位台设备的6-4-(Pl)2XS通用运动学模型；
图3表示用于冗余并联定位台设备的6-4-(2P)PS机构的运动学模型；
图4是冗余并联定位台设备设计概念的三维视图；
图5是定位模块(Pm)的例子和两个组装实施例；
图6描绘了用于定位台设备的基本操作原理；
已使用了如下标记：
Figure GDA0002158558590000071
Figure GDA0002158558590000081
具体实施方式
定位装置的架构是关于其能力的重要因素。所选择的结构、运动学、几何学和最佳的设计影响所需的最终静态、运动学和动态参数。
图1示出了作为定位台设备工作的结构的图形表示。拓扑运动学概念基本上是基于两个刚体(或元素)—被称为底座(B)的第一元件(1)，一般被固定在地面；以及被称为平台或台(T)的可移动的第二元件(2)。两者通过四个相同的动力链或腿(Ki)连接，其中i＝1、...、4—一系列移动刚性链路对(li.1、li.2)和三级(j＝I、…、III)布置的三接头(Ji.j)，其从主元件(1)开始按照关于接头自由度(fij＝213)的同一次序。位于基座上的第一级(I)的所有接头被称为致动(主动)接头(JiI)，其被致动(以粗体和下划线表示)，而位于级别二(II)和三(III)的其余接头未被致动，被称为被动关节(JiII、JiIII)。通过这种对称结构布置，机构的总自由度或移动性(M)通过用于空间机构的Kuzbach-Grübler公式计算：
Figure GDA0002158558590000091
结果为6(M＝6)，这是因为移动部分n＝9，接头数目j＝12，且其自由度fi＝2、1和3，(j＝1…4,5…8,9…12)。结果使运动机构(6-4-213)能够具有充分的移动性；然而，这是以冗余为代价得到的。冗余度来自一个链路添加(RdK＝1)和致动器数目(RdA＝2)。事实上，上图不仅表示一类机构的拓扑，而是整个QUATTROPOD(QP)的6自由度冗余PM家族。这些构件中的每个取决于接头的特定选择，例如，1-P(棱柱)、2-PR(R-旋转)、3-S(球形)。这些特定的非常对称的、过致动的、和过约束的构件易于在增大的静态和动态能力下执行重负载稳定运动，这是由于，与三个(三足)相比有补充接触/动作点和功率，同时比六点(六足)结构有更全面的能力。
一般的运动学模型帮助定义基于运动接头及其互惠性布置的实际存在的(或开发的)组合的特殊机制。它也用于制定建立输入/输出(闭环)方程的方法。上述6-4-213图表允许自由选择致动和非致动型的接头，如下：1自由度-线性(P)、旋转(R)、螺旋地(H)、2自由度-(PP)、(PR)、(RR)和3自由度-球形(S)、(UR)、(RRR)接头。基于表面/移动器原理的一对主动2自由度接头可被使用，其具有-平面(∑P)、球形(∑S)、柱形(∑C)或圆环形(∑T)固定表面，其上，滑块的线性或曲线路径运动(1、…、8)相应移动，如图2所示，表示为2P、2RS、PR和2RT驱动接头。通过其同时或分离组合的动作，由一对机构的曲线一般化坐标(qi ，q i+1，i＝1、...、4)定义的表面移动器(m1、…、m4)或主动接头Bi(XBi，YBi，ZBi，i＝1、...、4)中的每个改变球形接头(S)中心Ai(Xi，Yi，Zi，i＝1、...、4)位置，其随之通常以三空间平移和/或旋转方向(3T/3R)的方式移动附接的样品(Sp)和仪器本体(Bo)。换句话说，这意味着Ai点在曲线(Ci，i＝1、...、4)上移动，各自具有2自由度(li-曲线坐标变量，也见图3)。由此，所得到的操纵对象各自的姿态-位置(XYZ)和朝向
Figure GDA0002158558590000092
值取决于：a)致动位移(q 1，i＝1、…、8)；和b)用于6-4-(Pl)2XS机构(X-未定义的1自由度、(Pl)2–一般化的曲线平面2自由度接头)的一般情况的几何(ai、bi、li、di、L、l、R、r)参数值。紧凑的球形(S)接头被给出简化形式，以制定并解决运动(位置)方程。在此上下文中，(Ci)和Ai分别被称为引导曲线和被引导点。可通过在两个笛卡尔系统(固定(B-XYZ)和移动(A-xyz))中表示它们的坐标，来容易地导出闭环公式；隐式地包括了输入(或输出)参数(X、Y、Z、ψ、
Figure GDA0002158558590000101
θ和qi)。
运动学方案有助于理解机构的工作行为，并制定运动方程。然后，基于输入/输出位移和几何参数，解决与问题相关的定位(直接/反演)。图3中示出了基于上述6-4-(Pl)2XS模型的用于定位台的并联机构运动学。其根据成对的四个同样的(Pl)2XS的对称布置而包括i＝1、…、4个开放动力链，其各自包括一个平面致动接头(2P)和两个(棱柱(P)和球形(S))非致动点，其将四边形平台(如台(T))与同样形状的基座(B)链接。(2P)接头提供基本上位于平面基座表面(∑B)上的平面中的2自由度。被对称布置的相对的致动点(2P 1、2P 3/2P 2、2P 4)中的每个使它们所有的线性运动轴彼此正交(例如，P 11┴P 12，等等)，并且，顺次与其它接头轴正交(P 11┴P 22┴P 33┴P 44)。致动轴的这个对称组合形成通常的4×2P平面致动模块(A m)，提供了用于分别沿着水平笛卡尔平面轴X(X 1，X 2，X 3，X 4)和Y(Y 1，Y 2，Y 3，Y 4)中的每个移动台的简单直接的方式。非致动相对棱柱接头对(P13P33/P23P43)全部具有相对于一个致动轴的相同倾角(αi，i＝1、…、4)。通过同时且并发位移的两组成对致动器运动，基于V型运动学原理，平台沿正交方向(Z)移动到先前位置(X和Y)。倾角可为从0到π(除了π/2)弧度中的任意角度；在图中，α<π/2。通过一对致动接头沿着与旋转轴不相关的方向(或者换句话说，在旋转轴位置上正交)同时运动，结果是围绕平面正交轴(例如-X 1，X 3/Ry)中一个旋转；同样的过程适用于Rx(-Y 2，Y 4)。通过所有四个(2P)接头在相同旋转方向上(且同时，例如，Rz/(-X 1，Y 1/-X 2，Y 2/X 3，-Y 3/(X 4，-Y 4))的动作，得到第三旋转运动(Rz)。通过此特定布置6-4-(2Pl)PS(或6-4-(PP)PS)，设备可通过解耦的马达运动，非常容易且直观地沿着或围绕三正交方向作出一些简单的平移或旋转运动，这大幅简化了其控制。从根本上说，在任何位置，用来在空间中定位本体的最小接头数目为三个(3)便足够了，然而，在此过约束且过致动并联机制的情况下，四个致动器(4)用作用于除了明显的基础静态稳定性之外还增大运动学(速度/加速度)和/或动态(惯性)能力的手段。此外，如果在一运动轴出现未知损坏，则其余运动轴可支撑工作，直到至少一个(或两个)机动化的轴(或腿)将被修理。注意：仅使用两个类型(线性和球形)的接头来构造该机构的整个运动学。这种较少的多样性可减少总制造成本。
实现运动学原理的好方法是实现所需静态、动态和/或动态性能的关键因素。在图4中，提出了一般的设计概念，其基于6-4-(2P)PS机构运动学模型。冗余并联定位台(Rd-PPT)设计包括在基本上为平面的基座表面(ΣB)上布置并支撑平台状台(T)(其均具有多边形(四边形)形状)的一组四个主动定位模块(Pmi，i＝1、…、4)。每个(Pm)包括两类定位单元(Pui，i＝1、2)，其与它们参与一般运动有关；第一类被称为致动的，第二类被称为非致动的(被动的)。致动(Ac i，i＝1、...、4)Pu是驱动部件，其提供由任何实际或进一步开发的线性双向机动驱动器(作为直接驱动，DD)激活的2自由度平面运动，所述驱动器例如为平面马达，源自步进、伺服、磁或压电效应中的每个或组合，或包括并联或串联或混合(并-串/串-并)机电致动原理，或标准(电机-减速机-运动丝杠-导杆)解决方案。后者在XY工作台的情况下提供随时间的高运动稳定性，然而，不是非常优选地，由于线缆管理难度和由此的相互误差(例如，垂直等)，对精度有直接影响。(注意：DD表示直接驱动负载而无需任何传动机构，如皮带轮、同步带、滚珠丝杠和齿轮，这允许高精度和高速定位。对于长行程，它们必须依赖先进的伺服技术，以确保高稳定性)。
第二类Pu分别包括升降(El)和引导(Gu)部件。
(Eli)单元基于平面楔运动原理，其包括两部分：较低的固定在(Aci)上的部分和较高的支撑(Gui)部分，其具有相互倾斜的运动平面和辅助引导部件(gi)。通过它们的相对运动、以及随之的组合致动单元运动的结果，上面的部分将在两个相对(Pmi)的距离约束下上下移动。对于重负载和精密运动，实现其的简单方法是拥有平坦的滑动面。然而，如果与最终所需性能匹配，也可考虑其他的接触表面，作为基于滚动/摇摆(轨)或流体(空气、液体)的原理。
引导(Gui)Pu基于球面运动原理，并包括两部分：较低的固定在(Eli)的上部的部分、以及较高的支撑台(T)并向台(T)提供3维朝向的机会的部分。以上部分的相对运动涉及球面引导表面，使台(T)执行所需转动。类型可为紧凑(滚动、滑动球面接头(S)原理)或甚至分离的(简单旋转接头(RRR))、及其组合(UR/RU)设计中的任一个。取决于应用，也可考虑其它基本原理，如空气或任意流体。
包括组件的大小和类型的优化设计不仅影响最终性能，也影响设备的整个特性和寿命。在图5中，示出了定位模块(Pm)实施例、以及用于整个设备的两个特定布置。(Pm)基于三个基本定位单元(Pui，i＝1、2、3)的堆叠组合，分别为：a)第一个(Pu1)-主动/致动的(A)；以及b)第二个(Pu2)和第三个(Pu3)非主动的(被动)-楔形(W)和球面接头(S)型。
(A)Pu基于并联致动原理，总体上包括方形基座(b)，在其上，各自的运动轴(t 1、t 2)彼此正交的两个类似的线性致动单元(A 11、A 12)总体上移动矩形移动器(M)，其与和(b)基本上相同形状的台(t)结合，并通过几个(至少四个)固定件(f1，)和居中(例如，栓，至少一个)部件固定。另外，(t)具有支撑下一个Pu(W)的基本上平坦的表面。单个致动单元(A 11)和(A 12)中的每个优选包括线性的致动马达(m11)和(m12)，其具有固定在基座和其它(推进器)上的部分，其自由移动且在一端具有垂直和共面引导配件(g1、g2)，其中一部分(优选为轨)固定在(M)上。通过推(或拉)(A 11)或(A 12)，迫使(M)进入和沿着每个正交方向(t 11或t 12)移动，但更具体地，通过其组合动作按照(通常)平面运动(t 1)。可通过添加另一个优选正交的致动单元A'(A'11、A'12)、激发其动力，进一步开发这个正交致动单元(A)。由此，每个简单的主致动单元与附加单元联合工作(A 11、A'11/A 12、A'12)，以通过全部四(4)个致动器的完全工作、或作为部分工作而帮助(例如，在仅有三(3)个工作的情况下)，执行重负载运动周期。这个全新的致动单元(A、A')与方形基座(b)和台(t)的形状配合得甚至更好，从而在需要时形成稳固和紧凑的良好平衡的动力单元。对几个其它并联线性致动器数目(例如，如3个、5个等)、以及对应的基座/台的相应多边形形状的特定使用没有特殊限制；然而，最少有两个。在原则上，引导部件(g11、g12)优选依据滑动原理，但也可为任意其他原理，如滚动、磁等。除了能够不移动线缆的解决方案的优点(对增加精度有直接影响)之外，这个基座并联致动解决方案可使用用于移动器(M)的特定的重负载引导部件，例如2自由度平面轴承(∑1)。并且，多于两个致动器的情况开启了如下方式：对于与两个单元有相同动力参数的范围内的更紧凑的低姿态的模块，选择较小尺寸的马达和组件。在全部情况下，可为了更精确的运动而应用传感器。
Pu2单元包括楔(W)配件-固定的下部(W21)和可移动的上部(W22)，其总体上与台(t)A单元具有相同的支撑形状表面。
通过此对的相对运动，通过具有V形槽轮廓表面(∑21、∑22)的特定引导部件(g21、g22)，可精细地调节上部，用于通过沿着滑动引导件(g21、g22)之一切割、随后通过几个(至少两个)固定部件(f'2，例如，螺钉)固定的灵活侧肋(n)，相对下部平滑和精确移动。(g21、g22)引导件可具有配合该范围的任意其它形式(例如，角形)、或甚至用于执行平移导致的运动(t 2)的其它部件，其基于滚动原理，如球、交叉滚柱导轨、以及滑架；或者，用于更精细运动需求的空气导轨。
Pu3是球形接头(S)定位单元，其优选包括球(s)，如校准球，其被制造用于计量目的，具有小圆度误差，在具有相互凹陷表面(∑31、∑32)且由截断锥柱(p)支撑的两个腔(H1，H2)中密封(但移动)。(H1)是保持件(H2)，且其具有外引导面(g)，用于使用几个(至少四个)螺钉固定部件(f3)而与台(T)的精细平滑装配。(H1)和(H2)可调节，以允许中心基本共轴的凹凸球面的平滑旋转；锥形柱支撑轴总体上被垂直安装在上面的楔(W22)的平面支撑表面。在三个表面的相对运动之间，优选具有滑动接触原理。
图5的b1和图5的b2示出了使用作为整个并联台定位设备装配件的部分的以上(Pmi)的两个优选实施例。实施例包括：使用上述成对沿圆周、且以绕两者公共垂直对称轴等距布置的方式耦接(Pm1、Pm3/Pm2、Pm4)的模块(Pm)中的优选相同的四个，其中基座和台具有相同的方形尺寸(a＝b)。致动/支撑腿对称轴与以下相交：a)中点，图5的b1；以及b)角，分别为致动(b)/支撑(a)的，图5的b2。在两种情况下的刚性基座(B)预期为平坦表面(盘)，其直接或通过附加设备(例如，测向工作台)附接到机器基本结构(衍射仪)的通常更平坦的表面。注意，除了方形之外，基座和平坦的台也可具有各种平面多边形形状，例如，八角形。在所述两个实施例中，优选地，球形接头通过在台下表面和通过螺钉精细制造的引导面(g3)中被机械加工的部分通孔(hi)被固定在台中。在两个变体中，得到简单运动(例如，X和Y平移)的工作图是相同的。然而，对于其余的，它们如下所述：1)Z运动发生，如-a)四(4)和b)八(8)；以及2)Rx和Ry-a)二(2)和b)八(8)轴共同工作(图5的b1)，其对定位参数以及随之的性能有直接影响。另外，模块之间的距离(d)不同，分别我：a)da和b)db(da<db)。这意味着b)情况中的设备可被设计为具有较小的封装(紧凑)、或对于同样封装具有较大的中央孔径(D)，以便更容易进行线缆管理，如在衍射仪的环境中，这很经常是必要的。通过上述两种设计、(Pm)组件和整个装配，并联定位台显示出高度模块化，和可重配置性；且具有可接受的成本-效率产出，这是因为涉及相对少和简单的部件。
基于传入的输出运动(或位移)产生输出运动的方式是理解工作行为以及评估新设备的能力的必要步骤。图6中描述了基本操作原理的方法。Rd-PPT设备假定具有标称位置(Pn)中的直接驱动(平面马达)。这意味着对于台中心(A；X＝Y＝0，Z＝h)来说没有朝向(Rx＝Ry＝Rz＝0)和位移，这对应于致动单元Ac i的0位移(Bi；X 1＝Y 1＝0；X 2＝Y 2＝0；X 3＝Y 3＝0，X 4＝Y 4＝0)。基本运动顺序：a)X、Y或Rz以及b)施加到台的Rx、Ry和Z看起来与致动模块(Ac i)变化相关。最终位置(Pf)被标记为点划线。
通过所有致动器沿特定轴且沿同一方向(t i1，i＝1、…、4)的同步化运动，来实现沿着X轴(Tx)的来回平移运动；其余运动-沿Y轴(t i2，i＝1、…、4)为非主动的(或自由的)，见图6的a1。假定从初始到最终(A')位置的点(A)的正位移(X)，与同一轴相关的所有马达必须被激活，且沿同一方向以相同值运动(X＝X 1＝X 2＝X 3＝X 4)；或者，其至少三个(第四个可在此方向上不被激活)。例如，如果Ac1(X 1)、Ac2(X 2)和Ac3(X 3)正在运动，则Ac4(X4)可完全自由。存在下面的关系：X＝X 1＝X 2＝X 3(＝X 4)；Y 1＝Y 2＝Y 3＝Y 4＝0。
同样的过程应用于第二正交和共面轴(Y)，见图6的a2。通过所有致动器沿特定轴(t i2，i＝1、…、4)且沿同一方向的同步化平移运动，来实现沿着Y轴(Ty)的来回平移运动。假定沿点A(Y)的Y轴的线性位移，与Y轴相关的所有致动单元(Aci，i＝1,..,4)的同步化运动必须被激活，且沿同一方向(Y＝Y 1＝Y 2＝Y 3＝Y 4)运动；或者，其至少三个。例如，这意味着，如果Ac1(Y1)、Ac2(Y2)和Ac3(Y3)被激活和运动，可不激活Ac4(Y4)：Y＝Y 1＝Y 2＝Y 3(＝Y 4)；X 1＝X 2＝X 3＝X 4＝0。
可通过所有致动单元(Aci、i＝1、…、4)(或其至少三个)的同时并发运动，来执行台的垂直来回平移运动(Tz)，见图6的b3。假定沿Z轴(Z)的A点位移，则所有致动单元(Ac)被激活，且沿朝向Z轴(或点(B)-基座中心)的相反方向，一起并发成对移动，Z＝tgαX 1＝tgαY 2＝tgαX 3(＝tgαY 4)；或者，其至少三个(对应的第四个不被激活)。这意味着，例如，Ac1(-X 1)、Ac2(-Y 2)和Ac3(X 3)被激活和移动，而A4(Y 4)不是。
通过一对两个(或至少一个与转轴不共线的)致动器Aci(i＝1,2)的组合来回运动(t i1(2)，i＝1、2)，实现绕X或Y轴的对称旋转(Rx或Ry)，见图6的b1和b2。为了得到正角位移α(β)，必须执行沿对应正交轴的相反方向的同时线性位移动作。例如，对于Rx(α)，施加A2(-Y 2)和/或A4(-Y 4)，并且，对于Ry(β)，施加A1(X 1)和A3(X 3)，以工作于α(β)＝arctg(Z i/ai)，其中Zi＝X i(Y i)arctg(αi)。
通过四个致动器(Ac i(i＝1、…、4))，或其至少三个的组合来回线性运动(t i1(2)，i＝1、…、4)，实现绕Z轴的对称旋转(Rz)，见图6的b3。为了得到正角位移γ，必须执行沿绕Z轴的同一方向的同时线性位移动作。例如，对于Rz(γ)，施加A 1(-X 1，Y 2)、A 2(-X 2，-Y 2)和A 3(X 3，-Y 3)，以工作于γ＝arctg(Y i/X i)。
由上可得，通过将四腿动作和支撑点的数目选择为最小稳定性所需的三点和用于完全运动能力最大6个之间的数目，并通过使用紧凑的双向线性致动器，此并联定位台提供增加的准确度、速度和稳定性与灵活性之间的折中，能够提供高功率、高能量效率的3D定位轨迹。
上述并联冗余定位台(RD-PPT)概念可被应用于精确、高速、台状的自动或手动驱动的应用，如：对准、仿真、机械加工、组装、测量、控制或测试或任何其它操作，包括机械、光学、半导体(光刻、LCD、晶片、印刷等)生产过程、航空、医疗或生物技术领域，包括其在极端环境(真空、低温、磁，等等)中的使用。
如上所述的示例提供设备和方法，用于以所需精度、速度和稳定性，自动(或手动)地在空间中定位一个本体或几个重的本体。定位台设备基于对称冗余6自由度空间并联运动学机构，其为四足家族成员。每个足(腿)被构建为通过并联2自由度机动化的单元所致动的垂直支撑定位模块，其中马达位于基座，并分别支撑两个非机动化的升降和引导定位单元。升降单元包括成对布置的两个相对的楔系统，其遵循球形轴承型的引导定位单元。通过它们的组合动作，平台状的台能够容易且直观地在线性和旋转笛卡尔方向上移动。为了如同它们通常在同步应用中那样操纵重负载，设备具有紧凑尺寸、低姿态、以及简单结构的特征，与现有技术相比，提供增加的刚性、精度、以及快速定位能力。

Claims (10)

1.一种冗余并联定位台设备(Rd-PPT)，包括：
静基座(B)；
可移动台(T)，其能够在全部六个自由度(6dof)上相对于静基座移动，
其中，可移动台具有固定表面(ΣT)，其上可被安装用于研究的样品(Sp)或相关本体(Bo)；
至少一组四个支撑腿，一个作为213动力链(K)是冗余的，被对称且成对布置在基座中心周围，一端与静基座连接，另一端与可移动台连接，其中，所述“213”表示2自由度致动、1自由度、3自由度。
2.根据权利要求1所述的冗余并联定位台设备，其中，并联定位台设备是模块化的，并具有作为定位模块(Pm)的支撑腿，其相对于一个对称轴(Z)垂直并联布置，且关于第二对称轴(X/Y)正交，作为主动2自由度支柱。
3.根据权利要求1所述的冗余并联定位台设备，其中，每个定位模块是一个主动Ac-平面驱动和两个非主动El-倾斜升降和Gu-球形引导定位单元(Pu)的堆叠组合，其中前两者(Ac、El)为具有相同的基本形状和大小的紧凑的平行六面体块。
4.根据权利要求3所述的冗余并联定位台设备，此外，主动定位单元Ac可以是2自由度并联致动A单元，其包括四个正交运动轴，其中，它们之中相邻的两个作为一组两个线性致动主要部分(A11、A12)，余下的(A'11、A'12)是冗余的，垂直位于具有平面引导面(Σ1)的公共移动器(M)边上。
5.根据权利要求3所述的冗余并联定位台设备，其中，并联定位台设备的升降定位单元(El)包括一对平行楔(W)，其具有V型可调倾斜引导面(Σ21、Σ22)，其下部(W1)被固定在致动(A)上，上部(W2)支撑球形(S)定位单元，形成El定位单元的具有相对腿的V型形状。
6.根据权利要求3所述的冗余并联定位台设备，其中，引导定位单元(Gu)是紧凑的球形接头(S)，其具有与可调(Σ31、Σ32)表面接触的凸凹球形，其中，第一部分是一端具有精密校准球形(S)的截断圆锥柱(p)，另一部分被垂直安装在升降(Pu)的上侧，其容纳在台的底侧集成的互连(H1、H2)部分。
7.根据权利要求3所述的冗余并联定位台设备，其中，四个平面2P接头的全部成对(2x2P)被安装在静基座上，其具有彼此正交(P1P3/P2P4)、且基本上与静基座表面(ΣB)平行的轴，形成共面致动模块(Am)，作为6-4-(2P)PS并联运动机构的一部分，分别仅具有线性和球形接头、以及全部倾斜同样角度α的被动接头(P)，其中，所述“6-4-(2P)PS”表示6自由度、4动作/支撑点、2自由度棱柱致动、棱柱和球形接头。
8.根据权利要求2所述的冗余并联定位台设备，其中，定位模块(Pm)位于中间侧，或者在静基座正方形和/或可移动台的关于中心孔(D)的角部。
9.根据权利要求1所述的冗余并联定位台设备，其中，(2)13腿中的每个包括一般化的2自由度平面致动接头(Pl)2，作为一对移动器(m)和一个球面(ΣS)、或圆环面(ΣT)、或圆柱形(ΣC)曲线固定表面部分，所述移动器(m)能够作为通常的6-4-(Pl)2XS并联机构的一部分而沿两个正交方向(q1、q2)滑动，其使球形接头(S)总是在末级，且X为未指定的1自由度接头(P、R、H)，
其中，所述“(2)13”表示2自由度致动、1自由度、3自由度，所述“6-4-(Pl)2XS”表示6自由度、4动作/支撑点、2自由度平面致动、未指定的1自由度接头、球形接头。
10.根据权利要求1至9中的任一个所述的冗余并联定位台设备的使用，其用来产生简单笛卡尔空间：平移-TX或TY或TZ和旋转-RX或RY或RZ运动和线性-X或Y或Z以及角-αX或αY或αZ位移，通过使用相应的主动轴线性运动(t11、t12、…、t41、t42)和位移(X1、Y1、…、X4、Y4)中的全部或仅一些，作为具有同等或等价位移的运动的直接参与。
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