CN106525100A - 一种姿态测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种测量传感装置，利用柔性铰链的并联机构实现微小六自由度位移的一级放大和角度转化，再利用光杠杆原理实现被测物体位移的二级放大，将纳米级微小六自由度微位移放大为位置探测器可以测量的μm级位移，从而用低成本的测量方案实现了六自由度微位移高精度测量，具有低成本、高精度、便于集成的优点。
Description
技术领域
本发明涉及测量领域，特别涉及一种姿态测量装置。
背景技术
在现代高精度装备制造业和科研中，空间六自由度位姿测量的需求非常广泛。如机器人的位姿测量标定、航空航天飞行器对接、纳米级工件工作台、光刻物镜多自由度调节机构的标定等领域，多自由度位姿测量技术都发挥关键作用。
目前空间多自由度位姿测量广泛采用的方法包括GPS技术、图像处理技术、多路位移传感器测量技术等。其中GPS技术适用于室外大空间的位姿测量，精度在亚米级；图像处理技术在机器视觉领域有广泛应用，精度相对也较低；在高精度多自由度位移测量方面，采用多路激光干涉仪或者电容传感器的测量技术可以做到nm级的位置测量精度，但是该类方法成本昂贵、测量系统装调复杂，例如双频激光干涉仪虽然各个测量部件已经模块化,但是要实现多自由度的位移测量,占用空间较大，且对测量环境的要求很高，不适合集成为小型专用传感器。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种姿态测量装置。
本发明提供一种姿态测量装置，包括位移放大系统、光杠杆位移测量系统，其中所述位移放大系统包括静平台、动平台以及位于所述动平台和所述静平台之间的柔性铰链支撑腿，所述柔性铰链支撑腿包括可转动安装在所述动平台上的动支腿以及可转动安装在所述静平台上的静支腿，所述光杠杆位移测量系统包括激光器、固定在所述动支腿上的上反射镜、固定在所述静支腿上的下反射镜以及安装在所述静平台上的位置探测器，所述上反射镜的镜面和所述下反射镜的镜面相对设置，由所述激光器发射的激光束经由所述上反射镜、所述下反射镜照射在所述位置探测器上。
可选地，在初始状态下，所述动支腿和所述静支腿平行设置，所述上反射镜与所述下反射镜之间平行间隔设置。
可选地，所述静平台上设有支架，所述激光器安装所述支架上。
可选地，所述支架的截面为等腰梯形，所述激光器竖直安装在所述支架的侧面上，所述位置探测器位于所述支架的上底面。
可选地，所述柔性铰链支撑腿还包括上柔性十字铰链及下柔性十字铰链，所述动平台的底部设有用于连接所述柔性铰链支撑腿一端的第一安装部，所述静平台的顶部设有用于支撑所述柔性铰链支撑腿另一端的第二安装部，所述上柔性十字铰链的一端和所述动支腿连接，所述上柔性十字铰链的另一端和所述第一安装部连接，所述下柔性十字铰链的一端与所述静支腿连接，所述下柔性十字铰链的另一端与所述第二安装部连接。
可选地，所述第一安装部与所述动平台之间可转动连接，所述第二安装部与所述静平台之间可转动连接。
可选地，所述柔性铰链支撑腿包括六个，所述位移放大系统为六自由度位移放大系统，所述第一安装部设有三个且均布在所述动平台的底部，所述第二安装部设有三个且均布在所述静平台的顶部，所述支架具有三个且与所述位于相邻两个第二安装部之间，所述第一安装部与所述第二安装部在垂直方向上的投影夹角为60度。
可选地，每相邻的两个柔性铰链支撑腿的一端共同连接在同一个第一安装部上，每相邻的两个柔性铰链支撑腿的另一端共同连接在同一个第二安装部上。
可选地，共用一个第一安装部的两个相邻的柔性铰链支撑腿与支架位于同一平面内。
可选地，所述柔性铰链支撑腿的材料为采用MEMS工艺在硅基材质上加工而成。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明的目的在于提供一种测量传感装置，利用柔性铰链的并联机构实现微小六自由度位移的一级放大和角度转化，再利用光杠杆原理实现被测物体位移的二级放大，将纳米级微小六自由度微位移放大为位置探测器可以测量的μm级位移，从而用低成本的测量方案实现了六自由度微位移高精度测量，具有低成本、高精度、便于集成的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中一种姿态测量装置的整体结构示意图；
图2是本发明实施例中一种姿态测量装置的光杠杆位移测量部分的结构示意放大图；
图3是本发明实施例中一种姿态测量装置的光杠杆位移测量部分原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明提供一种姿态测量装置，包括位移放大系统、光杠杆位移测量系统，其中所述位移放大系统包括静平台6、动平台1以及位于所述动平台1和所述静平台6之间的柔性铰链支撑腿11，所述柔性铰链支撑腿11包括可转动安装在所述动平台上1的动支腿3以及可转动安装在所述静平台6上的静支腿4，所述光杠杆位移测量系统包括激光器7、固定在所述动支腿3上的上反射镜14、固定在所述静支腿4上的下反射镜13以及安装在所述静平台6上的位置探测器15，所述上反射镜14的镜面和所述下反射镜13的镜面相对设置，由所述激光器7发射的激光束经由所述上反射镜、14所述下反射镜13照射在所述位置探测器15上。
可选地，在初始状态下，所述动支腿3和所述静支腿4平行设置，所述上反射镜14与所述下反射镜3之间平行间隔设置。
可选地，所述静平台6上设有支架9，所述激光器7安装所述支架9上。
可选地，所述支架9的截面为等腰梯形，所述激光器7竖直安装在所述支架9的侧面上，所述位置探测器15位于所述支架9的上底面。
可选地，所述柔性铰链支撑腿11还包括上柔性十字铰链2及下柔性十字铰链5，所述动平台1的底部设有用于连接所述柔性铰链支撑腿11一端的第一安装部16，所述静平台6的顶部设有用于支撑所述柔性铰链支撑腿11另一端的第二安装部10，所述上柔性十字铰链2的一端和所述动支腿3连接，所述上柔性十字铰链2的另一端和所述第一安装部16连接，所述下柔性十字铰链5的一端与所述静支腿4连接，所述下柔性十字铰链5的另一端与所述第二安装部10连接。
可选地，所述第一安装部16与所述动平台6之间可转动连接，所述第二安装部10与所述静平台之6间可转动连接。
可选地，所述柔性铰链支撑腿11包括六个，所述位移放大系统为六自由度位移放大系统，所述第一安装部16设有三个且均布在所述动平台1的底部，所述第二安装部设有三个且均布在所述静平台6的顶部，所述支架9具有三个且与所述位于相邻两个第二安装部10之间，所述第一安装部16与所述第二安装部10在垂直方向上的投影夹角为60度。
可选地，每相邻的两个柔性铰链支撑腿11的一端共同连接在同一个第一安装部16上，每相邻的两个柔性铰链支撑腿11的另一端共同连接在同一个第二安装部10上。
可选地，共用一个第一安装部16的两个相邻的柔性铰链支撑腿11与支架9位于同一平面内。
可选地，所述动平台1为圆形板，所述动平台1的圆心处设有用于安装被测物体的接口12。
可选地，所述柔性铰链支撑腿的材料为采用MEMS工艺在硅基材质上加工而成。
如图1所示，在本实施例中，姿态测量装置包括柔性六自由度位移放大系统、光杠杆位移测量系统两部分组成。其中柔性六自由度位移放大系统由动平台1、静平台6、六个相同的柔性铰链支撑腿11构成；光杠杆位移测量系统由激光器7、固定在动支腿3上的上反射镜14、固定在静支腿4上的下反射镜13、位置探测器15以及固定动平台1和位置探测器15的支架9组成，被测物体通过接口12与动平台1连接，完成被测六自由度位移的输入。
柔性铰链支撑腿11上分布有上柔性十字铰链2和下柔性十字铰链5，上柔性十字铰链2和下柔性十字铰链5分别等效于一个球铰，中间支腿部分由静支腿4和动支腿3组成，静支腿4和动支腿3在动平台输入位移作用下，两者之间的夹角会发生变化，引起柔性十字铰链2和下柔性十字铰链5之间的长度发生变化，通过测量静支腿4和动支腿3之间夹角的变化，根据三角函数关系即可获得柔性十字铰链2和下柔性十字铰链5之间长度变化，然后根据6-SPS构型的斯图尔特平台正解模型可以计算得到动平台1的六自由度位移，而静支腿4和动支腿3之间夹角的变化通过光杠杆角位移测量系统来获得。其中，6-SPS构型中，S表示运动学中的球形铰链(Spherical joint)，P表示运动学中的移动铰链(Prismatic joint)，SPS表示由一个球形铰链、一个移动铰链、一个球形铰链组成的运动链。
光杠杆角位移测量装置8的结构如图2所示：上反射镜14和下反射镜13平行相对，上反射镜14固定在动支腿3上，下反射镜13固定在静支腿4上，入射光源采用激光器7，激光器7可以采用半导体点激光器，激光器竖直向上安装在支架9上，入射光线通过下反射镜13上的通孔入射到上反射镜14上，经过多次反射后出射在在反射镜末端的位置探测器15上，光杠杆角位移测量装置8的原理如图3所示：当静支腿4和动支腿3夹角变化Δθ时，上反射镜14和下反射镜13之间的夹角也变化Δθ。光线在上反射镜14和下反射镜13间经过n次折射，则根据反射定律出射角变化量Δφ和入射角变化Δθ的数学关系为：Δφ＝2n·Δθ。再根据几何关系，在角度很小的前提下s＝Δφ·h，其中s表示位置探测器15上光点的位移量，h表示光线出射点到位置探测器15的距离，最终从而实现了微角度的测量。
柔性铰链支腿13的材料包括但不限于不锈钢，可以采用不锈钢，也可以采用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)工艺在硅基材质上加工而成，还可以采用其他弹性材料。优选的实施方式中，柔性铰链支腿13的材料为采用MEMS工艺在硅基材质上加工而成，能够更加便于装置的小型化和微小尺度集成。
开展测量前可通过标定建立动平台1和六个支腿角度变化的函数关系，然后根据前文建立的支腿角度变化同位置探测器PSD读数的几何关系获得六自由度输入位移同PSD读数的函数关系。具体标定方法不在本发明专利的描述范围之内，可采用公知技术进行。开展测量时，首先将被测物体与动平台1通过12连接后，然后即可输入六自由度位移，通过记录PSD的读数变化，即可反算出物体的六自由度微位移，完成一次测量。
与传统的六自由度测量装置相比，本发明具有以下特点：1、测量精度高，可以实现纳米级多自由度微位移测量；2、制造成本低，对比同一精度量级的测量方案，只有激光干涉仪或电容传感器多自由度位移测量方案的数分之一；3、便于集成为微小传感器，如采用MEMS制造工艺，在硅基上可以实现本测量装置的集成，占用空间极小，便于实际测量操作。4、测量时安装布置方便，只需连接一个接口即可开展测量。
本发明的目的在于提供一种低成本、高精度、便于集成为单一仪器或传感器的六自由度测量传感装置，利用柔性6-SPS构型的并联机构实现微小六自由度位移的一级放大和角度转化，再利用光杠杆原理实现被测物体位移的二级放大，将纳米级微小六自由度微位移放大为位置探测器PSD可以测量的μm级位移，从而用低成本的测量方案实现了六自由度微位移高精度测量。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种姿态测量装置进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种姿态测量装置，其特征在于，包括位移放大系统、光杠杆位移测量系统，其中所述位移放大系统包括静平台、动平台以及位于所述动平台和所述静平台之间的柔性铰链支撑腿，所述柔性铰链支撑腿包括可转动安装在所述动平台上的动支腿以及可转动安装在所述静平台上的静支腿，所述光杠杆位移测量系统包括激光器、固定在所述动支腿上的上反射镜、固定在所述静支腿上的下反射镜以及安装在所述静平台上的位置探测器，所述上反射镜的镜面和所述下反射镜的镜面相对设置，由所述激光器发射的激光束经由所述上反射镜、所述下反射镜照射在所述位置探测器上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在初始状态下，所述动支腿和所述静支腿平行设置，所述上反射镜与所述下反射镜之间平行间隔设置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述静平台上设有支架，所述激光器安装所述支架上。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述支架的截面为等腰梯形，所述激光器竖直安装在所述支架的侧面上，所述位置探测器位于所述支架的上底面。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述柔性铰链支撑腿还包括上柔性十字铰链及下柔性十字铰链，所述动平台的底部设有用于连接所述柔性铰链支撑腿一端的第一安装部，所述静平台的顶部设有用于支撑所述柔性铰链支撑腿另一端的第二安装部，所述上柔性十字铰链的一端和所述动支腿连接，所述上柔性十字铰链的另一端和所述第一安装部连接，所述下柔性十字铰链的一端与所述静支腿连接，所述下柔性十字铰链的另一端与所述第二安装部连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一安装部与所述动平台之间可转动连接，所述第二安装部与所述静平台之间可转动连接。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述柔性铰链支撑腿包括六个，所述位移放大系统为六自由度位移放大系统，所述第一安装部设有三个且均布在所述动平台的底部，所述第二安装部设有三个且均布在所述静平台的顶部，所述支架具有三个且与所述位于相邻两个第二安装部之间，所述第一安装部与所述第二安装部在垂直方向上的投影夹角为60度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，每相邻的两个柔性铰链支撑腿的一端共同连接在同一个第一安装部上，每相邻的两个柔性铰链支撑腿的另一端共同连接在同一个第二安装部上。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，共用一个第一安装部的两个相邻的柔性铰链支撑腿与支架位于同一平面内。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，所述柔性铰链支撑腿的材料为采用MEMS工艺在硅基材质上加工而成。
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