CN106338250A - 一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光电子封装领域的柔性并联平台末端位姿检测系统及方法，该系统包括动平台、定平台、动平台连接件和五套位姿检测装置，五套所述位姿检测装置用于实时检测及控制所述动平台的六个自由度的位姿值。该方法包括宏观位姿检测和微观位姿检测。本发明宏观位姿检测采用五个激光位移传感器对动平台的位姿进行检测，整套检测系统具有体积小、成本低等优点；动平台连接件放置在定平台的下方，两者不接触，不会对动平面的运动造成干扰；有两个激光位移传感器放置在柔性并联平台的外面，不会增加对动平台的压力。微观位姿检测是利用光功率计进行调整，通过光功率计的透光量来进行微调。

Description

一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法

技术领域

本发明涉及柔性并联平台检测技术领域，更具体地，涉及一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法。

背景技术

光电子封装是将光电子器件与输入、输出阵列光纤进行光学对准耦合的过程。光电子封装的运动平台需要实现六自由度的运动和亚微米级的定位精度，并联式运动平台具有承载力强、刚度好、结构紧凑、动态性好和精确定位能力好等优点，可以弥补传统的串联式运动平台的结构精度差、误差有累积和无法消除回程间隙等缺点。

柔性并联平台具有高精度、大行程的优点，已经广泛应用于光学精确定向系统、精密/超精密加工和军事等领域。为了满足光电子封装的要求，将六自由度柔性并联平台用于光电子封装领域，来实现各芯片位姿的调整，实现多个模场之间的高精度耦合。采用六自由度的柔性并联平台装置通过多组柔性腿的协调运动实现运动平台的位置定位以及姿态的调整。

由于现有的六自由度柔性并联平台的控制都是通过计算光栅尺的位移间接得到柔性并联平台的末端位姿，无法实现直接对柔性并联平台末端位姿的直接检测，影响平台位姿的检测与调整的效果。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法，该检测方法可使得该平台具有较高的位姿精度。

根据本发明的一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统，该系统包括动平台、定平台、动平台连接件和五套位姿检测装置，五套所述位姿检测装置用于实时检测及控制所述动平台的六个自由度的位移和姿态；所述动平台、定平台和动平台连接件自上而下依次平行设置，所述动平台通过六个连接杆与所述定平台连接。

所述位姿检测装置包括激光位移传感器。所述位姿检测装置的位姿检测精度为10μm。五套位姿检测装置的目的在于检测动平台中心的位姿。

在动平台上构建XYZ直角坐标系，X轴和Y轴均位于动平台上，所述动平台的下方设有与其平行设置的动平台连接件，Z轴沿着动平台连接件的中心指向定平台的中心，定平台为检测平台。

所述位姿检测装置包括两个用于检测动平台相对于定平台沿X轴和Y轴方向位移的第二传感器和三个用于检测动平台相对于定平台的位姿的第一传感器。

三个所述第一传感器固定在所述动平台连接件上，三个所述第一传感器均布在以所述动平台连接件的中心为圆心的圆上，在该圆上的所述第一传感器两两之间的夹角均为60度，可避免激光位移传感器对动平台连接件造成过大的偏转力矩，在实际设计时，还需要进行校正；两个所述第二传感器分别固定于所述动平台之外的X轴和Y轴上，且在所述动平台上设有与两个所述第二传感器相对应的用于接收信号的挡板。

三个所述第一传感器用于检测动平台相对于定平台的位姿，并可计算得到分别绕X轴、Y轴和Z轴转过的角度和Z轴的直线位移，通过两个所述第二传感器用于检测X轴和Y轴的直线位移。将第一传感器放置好之后，测量光垂直于运动平台照射到被测平面上，通过激光位移传感器的测量值计算被测平面在坐标系平面的位姿。

本发明采用五个激光位移传感器对动平台的位姿进行检测，整套检测装置的体积小，节省占地空间及成本；动平台连接件放置在定平台的下方，两者不接触，不会对动平面的运动造成干扰；有两个激光位移传感器放置在柔性并联平台的外面，不会增加对动平台的压力。

根据本发明的另一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测方法，该方法包括：以固定平面为参考系，位姿检测装置检测并反馈控制动平台的位姿，当位姿检测装置的宏观位姿控制柔性并联平台达到期望的位姿时，位姿检测装置的宏观位姿的控制停止。然后进行微观位姿的控制，通过光功率计的透光量反馈来实现进一步位姿检测调整，当光功率计的透光量达到指定值时，柔性并联平台达到指定的位姿，位姿检测调整完成。

该方法还包括，光源发射出的激光光束与光纤耦合，再经波导器件入射至光功率计的激光探测器上，光功率计用于显示具体的数值信息，通过光功率计的反馈值实现微小位移的对准。

所述对准的方法为单通道耦合对准方法与双通道耦合对准方法，微观位姿调整时先进行单通道耦合对准，再进行双通道耦合对准。

所述单通道耦合对准方法，采用坐标轮换的方法进行横向平面的耦合对准，先任意选择其中一个坐标轴，采用耦合模型拟合法找到一维耦合极值点，再选择另外一个轴，采用同样的方法找到耦合极值点，如此反复，直到找到横向平面的模场耦合极值点。

所述双通道耦合对准方法，首先以i通道为中心进行模场称合对准，然后绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值。

本发明对柔性并联平台的动平台姿态的检测调整分为宏观位姿检测和微观位姿检测两个部分：宏观位移使得位姿精度控制在十微米范围内，通过五套位姿检测装置测出六自由度平台的实际位姿，进行六自由度姿态的实时控制；微观位姿检测是利用光功率计进行调整，通过光功率计来观察透光量的数据，以进行微调。

附图说明

图1为本发明柔性并联平台的位姿检测调整过程示意图；

图2为本发明实施例的检测装置的示意图；

图3为根据本发明实施例的动平台连接件的示意图；

图4为根据本发明实施例的动平台上XY坐标系示意图；

图5为根据本发明实施例的第一传感器的示意图；

图6为根据本发明实施例的坐标系E的示意图；

图7为根据本发明实施例的微小位移控制示意图；

图8为柔性并联平台闭环控制流程图。

其中附图标记为：1.动平台，2.定平台，3.动平台连接件，4.连接杆，5.第二传感器，6.挡板，7.第一传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

柔性并联平台的位姿检测调整对准过程如图1所示。柔性并联平台由六个电机进行驱动，通过对六个电机的控制从而实现柔性并联平台的末端位姿检测调整，以往对于六自由度柔性并联平台的控制都是通过计算光栅尺的位移间接得到柔性并联平台的末端位姿，现在设计的宏微检测装置能够直接检测末端位姿。检测装置是作为控制时的反馈出现的，宏微结合的检测装置将柔性并联平台的控制分成了两个部分：宏观位姿控制和微观位姿对准。

控制时，首先进行的是宏观位姿的控制调整，反馈是通过宏观位姿检测装置作为反馈来实现的，当宏观位姿控制柔性并联平台达到期望的位姿时，宏观位姿的控制不再进行，而是进行微观位姿的控制；反馈通过光功率计的透光量来实现，当光功率计的透光量达到指定值时，说明柔性并联平台达到指定的位姿，位姿检测调整完成。

在根据本申请的一个实施例中，参考图2和图3，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统，该系统包括动平台1、定平台2、动平台连接件3和五套位姿检测装置，五套所述位姿检测装置用于作为实时检测及控制所述动平台1的六个自由度的位移和姿态的反馈。所述动平台1、定平台2和动平台连接件3自上而下依次平行设置，所述动平台1通过六个连接杆4与所述定平台2连接。

所述位姿检测装置包括激光位移传感器。所述位姿检测装置的位姿检测精度为10μm。五套位姿检测装置的目的在于检测动平台1中心的位姿。

在动平台1上建立XYZ直角坐标系，X轴和Y轴均位于动平台1上，如图4所示，所述动平台1的下方设有与其平行设置的动平台连接件3，Z轴沿着动平台连接件3的中心指向定平台2的中心，定平台2为检测平台。

所述位姿检测装置包括两个用于检测动平台1相对于定平台2沿X轴和Y轴方向位移的第二传感器5和三个用于检测动平台1相对于定平台2的位姿的第一传感器7。

三个所述第一传感器7固定在所述动平台连接件3上，三个所述第一传感器7均布在以所述动平台连接件3的中心为圆心的圆上，在该圆上的所述第一传感器7两两之间的夹角均为60度，如图3所示，可避免激光位移传感器对动平台连接件3造成过大的偏转力矩，在实际设计时，还需要进行校正；两个所述第二传感器5分别固定于所述动平台1之外的X轴和Y轴上，且在所述动平台1上设有与两个所述第二传感器5相对应的用于接收信号的挡板6，如图2所示。

三个所述第一传感器7用于检测动平台1相对于定平台2的位姿，并可计算得到分别绕X轴、Y轴和Z轴转过的角度和Z轴的直线位移，通过两个所述第二传感器5用于检测X轴和Y轴的直线位移。将第一传感器7放置好之后，测量光垂直于运动平台1照射到被测平面上，如图5所示，通过激光位移传感器的测量值计算被测平面在坐标系平面的位姿。

在动平台运动时，设(K_B)_E为平面B₁B₂B₃的法向量，K_B＝{K_m1 K_m2 K_m3}。

已知位姿检测系统中激光位移传感器的测量值L(L₁,L₂,L₃),如图6，在坐标系{E}中，激光位移传感器的坐标分别为A(A₁,A₂,A₃)，

激光位移传感器在被测平面的测量的B₁、B₂和B₃的坐标为

$\left\{\begin{array}{c}{\left(B_1\right)}_E={\left(\begin{array}{ccc}Rm& 0& l_1\end{array}\right)}^T\\ {\left(B_2\right)}_E=(\begin{array}{ccc}{\mathrm{Rmcos\θ}}_{m1}& {\mathrm{Rmsin\θ}}_{m1}& l_2{)}^T\end{array}\\ {\left(B_3\right)}_E=(\begin{array}{ccc}{\mathrm{Rmcos\θ}}_{m3}& -{\mathrm{Rmsin\θ}}_{m3}& l_3{)}^T\end{array}\end{array}\right.$

设(K_B)_E为平面B₁B₂B₃的法向量，则

$\begin{array}{c}{\left(K_B\right)}_E={\left(B_1{B}_2\right)}_E\×{\left(B_1{B}_3\right)}_E=\left[\begin{array}{ccc}i& j& k\\ Rm({\mathrm{cos\θ}}_{m1}-1)& {\mathrm{Rmsin\θ}}_{m1}& l_2-1_1\\ Rm({\mathrm{cos\θ}}_{m3}-1)& -{\mathrm{Rmsin\θ}}_{m3}& l_3-l_1\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{c}(l_3-l_1){\mathrm{Rmsin\θ}}_{m1}+(l_1-l_1){\mathrm{Rmsin\θ}}_{m1}\\ (l_2-l_1)Rm({\mathrm{cos\θ}}_{m3}-1)-(l_3-l_1)Rm({\mathrm{cos\θ}}_{m1}-1)\\ R^{2}m(1-{\mathrm{cos\θ}}_{m1}){\mathrm{sin\θ}}_{m3}+R^{2}m(1-{\mathrm{cos\θ}}_{m3}){\mathrm{sin\θ}}_{m1}\end{array}\right]\end{array}$

在坐标系{E}中，平面B₁B₂B₃的坐标系方程为

K_m1(x-R_m)+K_m2(y-0)+K_m3(z-l₁)＝0

则被测平面相对于Z轴转过的角度为θ_Z＝arctan(K_m2,K_m1)

则被测平面相对于Y轴转过的角度为θ_Y＝arctan(K_m3,K_m1)

则被测平面相对于X轴转过的角度为θ_X＝arctan(K_m3,K_m2)

根据被测平面截坐标系{E}的Z轴与点D，将坐标(0,0，Z_D)带入平面方程得Z_D的坐标值，

运动平面坐标系的Z轴相对于固定平面的Z轴倾斜角度为а，

$\mathrm{\α}=\frac{\left|K_{m3}\right|}{\sqrt{{K^2}_{m1}+{K^2}_{m2}+{K^2}_{m3}}}.$

动平台的中心相对于定平台的距离为：Z_D*cosа。

第二传感器测到的位移值是在坐标系平面内X和Y方向的位移值，X＝l₄Y＝l₅。

综上可得，在固定平面内，运动平面相对于固定平面的位姿值。

这里最终检测的位移量是运动平面相对于固定平面的位姿值，以固定平面为参考系。若要得到以固定坐标系为参考系的角度量，需要进行运动学分析，即由与运动平台的坐标系转换到与固定平台固结的坐标系。

动平台的六个自由度的检测值如下表。

本发明采用五个激光位移传感器对动平台的位姿进行检测，整套检测装置的体积小，节省占地空间及成本；动平台连接件放置在定平台的下方，两者不接触，不会对动平面的运动造成干扰；有两个激光位移传感器放置在外面，不会增加对动平台的压力。

根据本发明的另一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测方法，该方法包括：以固定平面为参考系，位姿检测装置检测并反馈控制动平台的位姿，当位姿检测装置的宏观位姿控制柔性并联平台达到期望的位姿时，位姿检测装置的宏观位姿的控制停止。然后进行微观位姿的控制，通过光功率计的透光量反馈来实现进一步位姿检测调整，当光功率计的透光量达到指定值时，柔性并联平台达到指定的位姿，位姿检测调整完成。

该方法还包括，光源发射出的激光光束与光纤耦合，再经波导器件入射至光功率计的激光探测器上，光功率计用于显示具体的数值信息，通过光功率计的反馈值实现微小位移的对准。如图7所示。

具体地，当柔性并联平台在以位姿检测装置作为反馈装置，由电机驱动到达指定位姿后，即柔性并联平台的宏观位姿检测调整完成，这时控制系统进行微观位姿的检测调整。控制系统的反馈装置不再以激光位移传感器作为反馈装置，而以光功率计的透光量作为反馈，当透光量达到设定值时，说明平台达到了目标位姿，平台停止运动。

微观位姿检测的原理是：首先以某一通道i进行光功率计的调整，当光功率计达到设定值的时候，说明单一通道i的对准完成，那么接下来进行双通道位姿的调整。在i通道调整完毕后，然后柔性并联平台绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值，当j通道的对准完成时，也就是双通道的对准完成，说明微观位姿检测调整完成。

所述对准的方法为单通道耦合对准方法与双通道耦合对准方法，微观位姿调整时先进行单通道耦合对准，再进行双通道耦合对准。

所述单通道耦合对准方法，采用坐标轮换的方法进行横向平面的耦合对准，先任意选择其中一个坐标轴，采用耦合模型拟合法找到一维耦合极值点，再选择另外一个轴，采用同样的方法找到耦合极值点，如此反复，直到找到横向平面的模场耦合极值点。

所述双通道耦合对准方法，首先以i通道为中心进行模场称合对准，然后绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值。

图8为本发明的柔性并联平台闭环控制流程图。从图中可以看到整个检测分为宏观位姿检测和微观位姿检测两部分，宏观位姿检测通过5个激光位移传感器组成的宏观位姿检测装置来检测，检测的精度由激光位移传感器来保证，可以达到10μm，微观位姿检测调整是通过光功率计的透光量来实现，精度可达到亚微米级。整个柔性并联平台是通过电机来驱动的，通过控制器来对电机进行控制。对柔性并联平台进行控制时，本发明的宏微结合的检测装置主要体现在反馈部分，由宏微结合的反馈将整个控制流程分成了宏微结合的控制策略。

整个控制的流程为：首先根据柔性并联平台为了实现的光纤对准的目的设置好柔性并联平台的期望末端位姿值或者期望末端位姿路径，根据运动学逆解，由平台的末端位姿值得到驱动柔性并联平台的六个直线电机的位移量。对柔性并联平台的控制首先是进入到宏观位姿控制环节，由五个激光位移传感器组成的宏观位姿检测装置来作为反馈，当驱动柔性并联平台的电机运动后，由宏观位姿检测装置检测到宏观末端的实际位姿。

检测位姿的时候需要注意，这套宏观位姿检测装置检测的位移量都是在于固定平面固结的坐标系中，运动平台相对于固定平台的位移量，至于角度量，是在于运动平台相固结的坐标系中求得的固定平台相对于运动平台的角度变化，想得到在与固定平台相固结的坐标系中，运动平台相对于固定平台的角度变化，还需要进行坐标系的转换。

然后控制系统计算出宏观末端位姿误差，事先设定好柔性并联平台的宏观位姿理论值与实际值的误差值，当宏观位姿检测装置检测到的宏观位姿理论与实际值大于设定值时，用控制算法进行算出末端位姿误差的补偿值，再根据运动学逆解，得到需要修正的电机位移量，电机运动后，由宏观位姿检测装置进行位姿检测，重复以上循环，直至宏观位姿误差小于设定值，说明柔性并联平台的宏观位姿检测调整结束，接下来进行柔性并联机器人的微观位姿检测调整。

进行微观位姿检测调整控制的时候，首先进行单通道对准，然后进行双通道光纤对准，再根据控制算法计算出微观末端位姿的调整值，通过运动学逆解，得到微观修正电机的位移量，再重新进行通道对准，直至双通道耦合效率大于指定的阈值，说明微观位姿检测调整结束，柔性并联平台末端位姿检测调整结束

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统，其特征在于，包括动平台、定平台、动平台连接件和五套位姿检测装置，五套所述位姿检测装置检测及控制所述动平台的六个自由度的位姿值；所述动平台、定平台和动平台连接件自上而下依次平行设置，所述动平台通过六个连接杆与所述定平台连接。

2.根据权利要求1所述的位姿检测系统，其特征在于，所述位姿检测装置包括激光位移传感器。

3.根据权利要求2所述的位姿检测系统，其特征在于，构建XYZ直角坐标系，X轴和Y轴均位于动平台上，所述动平台的下方设有与其平行设置的动平台连接件，Z轴沿着动平台连接件的中心指向定平台的中心，定平台为检测平台。

4.根据权利要求3所述的位姿检测系统，其特征在于，所述位姿检测装置包括两个用于检测动平台相对于定平台沿X轴和Y轴方向位移的第二传感器和三个用于检测动平台相对于定平台的位姿的第一传感器。

5.根据权利要求4所述的位姿检测系统，其特征在于，三个所述第一传感器固定在所述动平台连接件上，三个所述第一传感器均布在以所述动平台连接件的中心为圆心的圆上；两个所述第二传感器分别固定于所述动平台之外的X轴和Y轴上，且在所述动平台上设有与两个所述第二传感器相对应的用于接收信号的挡板。

6.根据权利要求5所述的位姿检测系统，其特征在于，三个所述第一传感器用于检测动平台相对于定平台的位姿，并可计算得到分别绕X轴、Y轴和Z轴转过的角度和Z轴的直线位移，通过两个所述第二传感器用于检测X轴和Y轴的直线位移。

7.根据权利要求1至6所述任一系统的检测方法，其特征在于，包括：

步骤1，以固定平面为参考系，位姿检测装置检测并反馈控制动平台的位姿，当位姿检测装置的宏观位姿控制柔性并联平台达到期望的位姿时，位姿检测装置的宏观位姿的控制停止；

步骤2，进行微观位姿的控制，通过光功率计的透光量反馈来实现进一步位姿检测调整，当光功率计的透光量达到指定值时，柔性并联平台达到指定的位姿，位姿检测调整完成。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，步骤2还包括：光源发射出的激光光束与光纤耦合，再经波导器件入射至光功率计的激光探测器，所述光功率计用于显示数值信息，并发送反馈值至计算机进行微小位移的对准。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，步骤2中，所述对准的方法为单通道耦合对准方法与双通道耦合对准方法，微观位姿调整时先进行单通道耦合对准，再进行双通道耦合对准。