CN108106547A - 基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，包括支座平台、系统控制与驱动子系统、激光传感器测量与反馈子系统、设置在支座平台上的宏微并联平台子系统，所述宏微并联平台子系统包括3‑RRR宏动并联机构、3‑RRR微动柔顺并联机构，所述激光传感器测量与反馈子系统用于分别实时获取3‑RRR宏动并联机构、3‑RRR微动柔顺并联机构的输出动平台位置与姿态角偏差信号并反馈至所述系统控制与驱动子系统，所述系统控制与驱动子系统通过电路与宏微并联平台子系统电路连接。本发明还公开了一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位方法。本发明同时具备快速高效的平面三自由度粗定位和纳米级精定位功能。
Description
技术领域
本发明涉及大行程纳米级精度平面三自由度宏微复合定位系统，尤其涉及一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统及方法，采用激光位移传感器与激光尺分别实时获取宏、微并联平台末端位置与姿态角偏差信号，通过设计反馈系统实现大行程纳米级精度平面三自由度宏微复合系统定位过程中的末端位置实时反馈与全闭环轨迹跟踪校正。
背景技术
随着微电子技术、航空航天等学科的迅速发展，目前已进入“纳米时代”。纳米级精度精密定位平台技术是现代精密操作，精密测量，微机电系统、精密制造加工、精密装配领域中的关键组成部分。在相关领域中迫切需要高精度、高分辨率的微位移系统，用以直接工作或配合其他机构设备完成高精度研究使用。传统的纳米级精密定位平台通常是由压电陶瓷驱动的柔顺机构构成。随着微观领域的研究对定位精度的要求不断提高，其固有的行程短的缺点却大大限制了其使用的范围。于是，大行程、高精度成为了精密定位平台的瓶颈。为了实现确保纳米级精密定位同时扩大平台定位扩大行程的目标，通过宏微复合系统进行精密定位的方法被提出。
宏微复合系统是由两部分组成：一个是以地面为参考物的大行程宏动平台，实现系统的大范围的移动和定位；另外一个是由串联叠加在宏动平台上的实现高定位精度的微动平台。当这个串联叠加的宏微两级平台末端位置进入设定范围内，宏动台停止运动，然后由微动台进行精密定位，并由传感器控制系统对全局末端位置进行闭环控制。前者完成大行程和粗定位任务，后者则在小范围内进行微小校正以及精定位，从而兼顾了大行程和高精度。
目前还少见有能实现平面3自由度(两个平动一个转动)大行程位移以及纳米级精度定位的实时检测反馈宏微结合复合系统，以及没有一种通过两套精度不同的激光类传感器(激光位移传感器与激光尺)分别实现测量宏动台、宏微复合平台末端(即微动台末端)位置与姿态角并实时跟踪反馈平台末端轨迹的检测方法。
发明内容
针对上述技术问题，本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于激光传感器的大行程纳米级精度平面三自由度宏微复合实时反馈定位系统及方法，由于并联机构在其可用工作空间内有较高定位精度，故选择并联3RRR机构分别作为宏、微定位平台构型。该装置采用激光位移传感器与激光尺分别测量宏微复合平台的宏动并联平台与微动并联平台(全局末端平台)两种机构末端，是非接触式测量，不改变结构特征，不增加结构附加质量，具有采样频率高、测量精度高的优点。
为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：
一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，包括支座平台、系统控制与驱动子系统、激光传感器测量与反馈子系统、设置在所述支座平台上的宏微并联平台子系统，所述的宏微并联平台子系统包括设置在支座平台上的3-RRR宏动并联机构、固定在所述3-RRR宏动并联机构输出动平台上的3-RRR微动柔顺并联机构，所述激光传感器测量与反馈子系统用于分别实时获取3-RRR宏动并联机构、3-RRR微动柔顺并联机构输出动平台位置与姿态角偏差信号并反馈至所述系统控制与驱动子系统，所述的系统控制与驱动子系统通过电路与宏微并联平台子系统电路连接，用于实时控制宏微并联平台子系统末端位置。
进一步地，所述的3-RRR宏动并联机构包括宏动输出平台、三个与所述宏动输出平台活动连接的动力并联分支，每个动力并联分支均包括安装在所述支座平台上的伺服电机、固定在所述伺服电机输出轴上的主动杆、铰接在所述主动杆另一端的从动杆，所述从动杆的另一端与宏动输出平台活动铰接，三台伺服电机安装在支座平台的边沿处呈等边三角形分布。
进一步地，所述的3-RRR微动柔顺并联机构包括居中设置的末端微动平台、以及三个用于驱动末端微动平台运动的并联式传递机构，每个所述的传递机构均包括有一端连接末端微动平台、另一端依次连接电容式位移传感器和压电陶瓷驱动器的两级杠杆式柔性铰支链，所述的压电陶瓷驱动器及电容式位移传感器通过电路连接系统控制与驱动子系统。
进一步地，所述激光传感器测量与反馈子系统包括：用于实时测量所述宏动输出平台的平面三自由度的激光位移传感器探测装置、用于实时测量所述末端微动平台的平面三自由度与激光尺探测装置，
所述激光位移传感器探测装置包括三个激光位移传感器探测头，每个激光位移传感器探测头均通过定位装置和磁性底座安装设置在支座平台上且发射的光点均落在3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的侧边上，其中两个激光位移传感器探测头相互平行且发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的同一边，另一个激光位移传感器探测头发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的另一边且垂直于另两个激光位移传感器探测头的激光射出方向，各激光位移传感器探测头分别与激光位移传感控制器电路连接；
所述激光尺探测装置包括一个固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构输出平台上的双轴高反射率平面镜和三个激光尺发射头，所述的双轴高反射率平面镜8固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台上，所述的三个激光尺发射头分别通过三个发射头支架底座固定在所述支座平台上，其中两个激光尺发射头的光路同时垂直于双轴高反射率平面镜的x轴并且与支座平台平行，同时，所述的两个激光尺发射头中有一条光路通过双轴高反射率平面镜原点重合于y轴；另一激光尺发射头的光路垂直于所述双轴高反射率平面镜的y轴且平行于所述支座平台。
所述激光位移传感器探测装置、激光尺探测装置实现了3-RRR宏动并联机构输出平台和3-RRR微动柔顺并联机构输出平台的位置实时反馈与全闭环轨迹跟踪校正。
进一步地，所述的系统控制与驱动子系统包括电路连接的计算机、Dspace半物理仿真板卡，所述的Dspace半物理仿真板卡通过电路分别连接压电陶瓷驱动器及电容式位移传感器、伺服电机驱动器、所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置，用于将所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置测量的位置姿态信息反馈至计算机、以及，将计算机的控制驱动信号D/A转换后输出至3-RRR宏动并联机构和3-RRR微动柔顺并联机构。
进一步地，所述Dspace半物理仿真板卡的采样频率达1000HZ以上，所述激光尺探测装置的分辨率为10nm，所述激光位移传感器探测装置的精度为微米级。
一种基于根据所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统的定位方法，包括步骤：
(1)3-RRR宏动并联机构接受到系统控制与驱动子系统的控制信号运动到目标位置以后，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR宏动并联机构进行定位补偿，实现对宏动输出平台的控制；当目标位置进入设定误差范围内时，系统控制与驱动子系统切断3-RRR宏动并联机构的供电停止运动，完成微米级宏定位；
(2)所述的3-RRR微动柔顺并联机构的以定姿态移动定位到目标位置，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR微动柔顺并联机构进行定位补偿，即可完成宏微并联平台子系统的全局纳米级定位。
进一步地，步骤(1)中，所述检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(11)基于激光位移传感器探测装置的第一、第二和第三激光位移传感器探测头所在平面建立一直角坐标系，y01、x02、x03分别表示第一、第二、第三激光位移传感器探测头距坐标原点的距离，d0表示第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头之间的距离，c表示动平台的边长，60°为宏动输出平台的角度值，x01和x01′分别表示第一激光位移传感器探测头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值，同理y02和y02′，y03和y03′分别表示第二、三激光位移传感器探测头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值；
(12)得到宏动输出平台在采样前后两个时刻的转角为：
其中，若α＞0，表示宏动输出平台顺时针转动，反之，若α＜0，表示宏动输出平台逆时针转动；
宏动输出平台沿x方向的平动位移值为：
其中， 若Δx＞0，表示宏动输出平台沿x方向的平动远离第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头，若Δx＜0，表示宏动输出平台沿x方向的平动靠近第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头；
宏动输出平台沿y方向的平动位移值为：
其中，若Δy大于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动远离第一激光位移传感器探测头，若Δy小于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动靠近第一激光位移传感器探测头。
进一步地，所述步骤(2)中，检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(21)基于激光尺探测装置的第一、第二、第三激光尺发射头所在平面建立一直角坐标系，所述第一、第二、第三激光尺发射头距坐标原点的距离分别为y11、0、d1，同时d1表示第二激光尺发射头和第三激光尺发射头之间的距离，x11和x11′分别表示第一激光尺发射头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜的y轴距离值，同理y12和y12′，y13和y13′分别表示第二、三激光尺发射头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜的x轴的距离值，双轴高反射率平面镜转角与平动位移即为3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台的转角与位移；
(22)得到所述末端微动平台在采样前后两个时刻的转角为：
所述末端微动平台沿x方向的平动位移值为：
其中，
若Δx′＞0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动远离第二激光尺发射头和第三激光尺发射头，若Δx＜0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动靠近第二激光尺发射头和第三激光尺发射头；
所述末端微动平台沿y方向的平动位移值为：
其中，若Δy大于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动远离第一激光尺发射头，若Δy小于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动靠近第一激光尺发射头。
进一步地，所述3-RRR宏动并联机构位移过程中，还通过伺服电机配置的24位增量式编码器检测伺服电机实际位置；所述3-RRR微动柔顺并联机构位移过程中，还通过配置的三个连接计算机的电容式位移传感器测量3-RRR微动柔顺并联机构三个自由度输出位移形成末端微动平台自身的全闭环控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明提出一种新型平面三自由度宏微复合定位系统，系统本体实现平面三自由度(两个平动一个转动)的大行程纳米级定位精度，并且通过激光类传感器检测与反馈。
(2)本发明使用两套激光类传感器实时检测反馈系统，高采样频率与高检测精度都达到对宏微复合系统的轨迹追踪要求，可以校准定位过程中的轨迹追踪误差。
(3)本发明利用激光位移传感器与激光尺分别检测宏并联机构的动平台与全局末端平台，属于非接触式测量，具有不增加结构附加质量、不改变结构特征、测量精度高、采样频率快的优点。
附图说明
图1为基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统总体立体结构示意图；
图2为基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统的俯视图；
图3是图1中3-RRR微动柔顺并联机构及激光尺探测装置的俯视图；
图4为基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统的侧视图；
图5为三个激光位移传感器探测头测量3-RRR宏动并联机构的宏东输出平台位置原理图；
图6为三个激光尺发射头测量3-RRR微动并联机构的末端微动平台位置原理图；
图7为基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统工作流程示例。
图8为基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统在0mm位置与12mm位置之间往复运动过程中的轨迹示意图。
图9为图8中在位移位置5mm处的轨迹放大示意图。
图10为图8中在位移位置10mm处的轨迹放大示意图。
图中示出：1-第三激光位移传感器探测头、2-第二激光位移传感器探测头、3-第一激光位移传感器探测头，4-第一激光尺发射头、5-第二激光尺发射头、6-第三激光尺发射头，7-伺服电机，8-双轴高反射率平面镜，9-电容式位移传感器，10-3-RRR宏动并联机构，11-3-RRR微动并联机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，包括支座平台、系统控制与驱动子系统、激光传感器测量与反馈子系统、设置在所述支座平台上的宏微并联平台子系统，所述的宏微并联平台子系统包括设置在支座平台上的3-RRR宏动并联机构10、固定在所述3-RRR宏动并联机构10输出动平台上的3-RRR微动柔顺并联机构11，所述激光传感器测量与反馈子系统用于分别实时获取3-RRR宏动并联机构10、3-RRR微动柔顺并联机构11的输出动平台位置与姿态角偏差信号并反馈至所述系统控制与驱动子系统，所述的系统控制与驱动子系统通过电路与宏微并联平台子系统电路连接，用于实时控制宏微并联平台子系统末端位置。下面结合图对上述各单元进行具体说明。
如图1、2和图4所示，所述的3-RRR宏动并联机构10包括宏动输出平台、三个与所述宏动输出平台活动连接的动力并联分支，每个动力并联分支均包括安装在所述支座平台上的伺服电机7、固定在所述伺服电机输出轴上的主动杆、铰接在所述主动杆另一端的从动杆，所述从动杆的另一端与宏动输出平台活动铰接，三台伺服电机7采用安川伺服电机，其型号为SGM7A-15AFA61，分别安装在支座平台的边沿处呈等边三角形分布，即沿支座平台中心呈120°角分布，伺服电机7配置有24位增量式编码器，用于检测电机实际位置。
所述的3-RRR微动柔顺并联机构11包括居中设置的末端微动平台、以及三个用于驱动末端微动平台运动的并联式传递机构，每个所述的传递机构均包括有一端连接末端微动平台、另一端依次连接电容式位移传感器9和压电陶瓷驱动器的两级杠杆式柔性铰支链，所述压电陶瓷驱动器采用PI Ceramic公司的P-841.30压电陶瓷驱动器，所述的电容式位移传感器9和压电陶瓷驱动器沿平台中心呈120°角分布，并通过电路连接系统控制与驱动子系统，三个电容式位移传感器7测量3-RRR微动柔顺并联机构11三个自由度坐标值作为3-RRR微动柔顺并联机构11自身半闭环反馈传感器。所述并联式传递机构包括三个并联的两级杠杆式放大机构，采用柔顺铰链作为转动副，保证了运动传递的无间隙、无摩擦、免润滑、高精度和高稳定性度。
如图2所示，所述激光传感器测量与反馈子系统包括：用于实时测量所述宏动输出平台的平面三自由度的激光位移传感器探测装置、用于实时测量所述末端微动平台的平面三自由度与激光尺探测装置，
所述激光位移传感器探测装置包括三个激光位移传感器探测头，分别是第一激光位移传感器探测头3、第二激光位移传感器探测头2、第三激光位移传感器探测头1，每个激光位移传感器探测头均通过定位装置和磁性底座安装设置在支座平台上且发射的光点均落在3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的侧边上，其中第一激光位移传感器探测头3、第二激光位移传感器探测头2相互平行且发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的同一边，第三激光位移传感器探测头1发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的另一边且垂直于第一激光位移传感器探测头3和第二激光位移传感器探测头2的激光射出方向，各激光位移传感器探测头分别与激光位移传感控制器电路连接，所述三个激光位移传感器探测头型号为基恩士LKH080的激光位移传感器，激光位移传感控制器的型号为LKH5000控制器。
如图3所示，所述激光尺探测装置采用RLE系统激光尺探测装置，包括一个固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构输出平台上的双轴高反射率平面镜8、三个RLD10激光尺发射头，每个RLD10激光尺发射头分别与光纤传导的轻型RLU激光装置连接；所述三个RLD10激光尺发射头包括第一激光尺发射头4、第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6，所述的双轴高反射率平面镜8固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台上，整体呈T字形，所述的三个RLD10激光尺发射头分别通过三个发射头支架底座固定在所述支座平台上，其中第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6的光路同时垂直于双轴高反射率平面镜8的x轴并且与支座平台平行，同时，所述的第二激光尺发射头5发射的光路通过双轴高反射率平面镜8原点重合于y轴；第一激光尺发射头4的光路垂直于所述双轴高反射率平面镜8的y轴且平行于所述支座平台，此时，第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6的双轴高反射率平面镜8的x轴平面镜上，第一激光尺发射头4的光点落在所述双轴高反射率平面镜8的y轴平面镜中心。
所述激光位移传感器探测装置、激光尺探测装置实现了3-RRR宏动并联机构输出平台和3-RRR微动柔顺并联机构输出平台的位置实时反馈与全闭环轨迹跟踪校正。
如图1所示，所述的系统控制与驱动子系统包括电路连接的计算机、Dspace半物理仿真板卡，所述的Dspace半物理仿真板卡通过电路分别连接压电陶瓷驱动器及电容式位移传感器9、伺服电机驱动器、所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置，用于将所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置测量的位置姿态信息反馈至计算机、以及，将计算机的控制驱动信号D/A转换后输出至3-RRR宏动并联机构和3-RRR微动柔顺并联机构，驱动机构运动。所述Dspace半物理仿真板卡的采样频率达1000HZ以上，所述激光尺探测装置的分辨率为10nm，所述激光位移传感器探测装置的精度为微米级，即可完成计算机对于纳米级定位过程中已规划轨迹的实时追踪与位姿调整，使整个系统达到纳米级定位精度。
一种基于所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统的定位方法，包括步骤：
(1)3-RRR宏动并联机构接受到系统控制与驱动子系统的控制信号运动到目标位置以后，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR宏动并联机构进行定位补偿，实现对宏动输出平台的控制；当目标位置进入设定误差范围内时，系统控制与驱动子系统切断3-RRR宏动并联机构的供电停止运动，完成微米级宏定位，所述3-RRR宏动并联机构位移过程中，还通过伺服电机配置的24位增量式编码器检测伺服电机实际位置；
(2)所述的3-RRR微动柔顺并联机构的以定姿态移动定位到目标位置，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR微动柔顺并联机构进行定位补偿，即可完成宏微并联平台子系统的全局纳米级定位，同时还通过配置的三个连接计算机的电容式位移传感器9测量3-RRR微动柔顺并联机构3三个自由度输出位移形成末端微动平台自身的全闭环控制。
具体而言，步骤(1)中，所述检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(11)如图5所示，基于激光位移传感器探测装置的第一激光位移传感器探测头3、第二激光位移传感器探测头2、第三激光位移传感器探测头1所在平面建立x-y直角坐标系，y01、x02、x03分别表示第一激光位移传感器探测头3、第二激光位移传感器探测头2、第三激光位移传感器探测头1距坐标原点的距离，d0表示第二激光位移传感器探测头2和第三激光位移传感器探测头1之间的距离，c表示动平台的边长，60°为宏动输出平台的角度值，x01和x01′分别表示第一激光位移传感器探测头3在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值，同理y02和y02′，y03和y03′分别表示第二激光位移传感器探测头2和第三激光位移传感器探测头1在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值；
(12)得到宏动输出平台在采样前后两个时刻的转角为：
其中，若α＞0，表示宏动输出平台顺时针转动，反之，若α＜0，表示宏动输出平台逆时针转动；
宏动输出平台沿x方向的平动位移值为：
其中， 若Δx＞0，表示宏动输出平台沿x方向的平动远离第二激光位移传感器探测头2和第三激光位移传感器探测头1，若Δx＜0，表示宏动输出平台沿x方向的平动靠近第二激光位移传感器探测头2和第三激光位移传感器探测头1；
宏动输出平台沿y方向的平动位移值为：
其中，若Δy大于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动远离第一激光位移传感器探测头3，若Δy小于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动靠近第一激光位移传感器探测头3。
图5中，点A0(x01,y01)和A(x01′,y01′)分别表示第一激光位移传感器探测头3在当前采样时刻和后一个采样时刻的检测点坐标，同理，点B0(x01,y01)B(x01′,y01′)和C0(x01,y01)C(x01′,y01′)分别表示第二激光位移传感器探测头2和第三激光位移传感器探测头1在当前采样时刻和后一个采样时刻的检测点坐标，点D0(x04,y04)D(x04′,y04′)分别表示宏动输出平台在当前采样时刻和后一个采样时刻的顶点坐标，点E0E分别表示宏动输出平台在当前采样时刻的和后一个采样时刻的几何中心点，k2和k20分别表示直线DE和D0E0的斜率，k1和k10分别表示直线AD和A0D0的斜率，k和k0分别表示直线BC和B0C0的斜率。
具体而言，所述步骤(2)中，检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(21)如图6所示，基于激光尺探测装置的第一激光尺发射头4、第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6所在平面建立x-y直角坐标系，所述第一激光尺发射头4、第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6距坐标原点的距离分别为y11、0、d1，同时d1表示第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6之间的距离，x11和x11′分别表示第一激光尺发射头4在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜8的y轴距离值，同理y12和y12′，y13和y13′分别表示第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜8的x轴的距离值，双轴高反射率平面镜8转角与平动位移即为3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台的转角与位移；
(22)得到所述末端微动平台在采样前后两个时刻的转角为：
所述末端微动平台沿x方向的平动位移值为：
其中，
若Δx′＞0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动远离第二激光尺发射头5和第三激光尺发射头6，若Δx＜0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动靠近第二激光尺发射头5和第三激光尺发射头6；
所述末端微动平台沿y方向的平动位移值为：
其中，若Δy大于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动远离第一激光尺发射头4，若Δy小于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动靠近第一激光尺发射头4。
如图6所述，点A1(x11,y11)和A1′(x11′,y11′)分别表示第一激光尺发射头4在当前采样时刻和后一个采样时刻的检测点坐标，同理，点B1(0,y12)B1′(0,y12′)和C1(-d1,y13)C1′(-d,y13′)分别表示第二激光尺发射头5和第三激光尺发射头6在当前采样时刻和后一个采样时刻的检测点坐标，点O O′分别表示末端微动平台在当前采样时刻的和后一个采样时刻的双轴高反射率平面镜8的原点，y11、x12、x13分别表示第一激光尺发射头4、第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6距坐标原点距离，d1表示第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6之间的距离，x11和x11′，y12和y12′，y13和y13′分别表示第一激光尺发射头4、第二激光尺发射头5、第三激光尺发射头6发射在当前采样时刻和后一个采样时刻检测的距反射镜的距离值。
本发明基于激光测量设备作为传感器的宏微结合并联机构，旨在实现宏微并联机构的全闭环控制，显著提高宏微结合并联机构的末端精度，能使平台在毫米级行程下达到纳米级别定位精度。
本发明通过对系统控制与驱动子系统、激光传感器测量与反馈子系统、由3-RRR宏动并联机构和固定在所述3-RRR宏动并联机构输出端的3-RRR微动柔顺并联机构组成的宏微并联平台子系统的有机整合，通过两套精度不同的激光类传感器(激光位移传感器与激光尺)分别实现测量宏动输出平台、末端微动平台位置与姿态角并实时跟踪反馈平台末端轨迹的检测，实现3-RRR宏动并联机构和3-RRR微动柔顺并联机构的位置检测和全闭环控制，成本较低。同时，由于采用计算机和Dspace半物理仿真板卡同时对3-RRR宏动并联机构10和3-RRR微动柔顺并联机构进行联合控制，使其成为有机整体，同时具备快速高效的平面三自由度粗定位和精确细微的平面三自由度精定位功能，实现对宏微结合并联机构位置末端跟踪定位与控制的目的，很好的满足市场化和工业化的需求，因此，本实施例提供的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统作为整体而言，其整合的过程需要付出大量艰辛的创造性劳动。
图7表明该基于激光传感器平面三自由度宏微复合定位系统的实际工作流程示例，当3-RRR宏动并联机构的定位误差不大于0.20μm时，则驱动3-RRR微动柔顺并联机构补偿该误差，从而保证定位精度。
图9、10分别表示该平面三自由度宏微复合定位系统在如图8所示的0mm位置与12mm位置之间往复运动过程中，在位移位置5mm与10mm处的放大示意图，结合附图可观察到微动并联机构有效地补偿了定位误差，大幅提高了整体定位系统的精度，定位误差在5mm处由1.50μm消减至0.20μm，在10mm处定位误差由3.0μm消减至0.25μm，实现了从微米级精度到纳米级精度的定位。
本发明基于激光传感器测量设备(激光位移传感器与激光尺)的大行程纳米级精度平面三自由度宏微复合定位系统，旨在实现宏微复合平台的全闭环控制，确保平台在毫米级行程下达到纳米级分辨率定位精度。本发明不仅能够显著提高宏微结合并联机构的末端定点定位精度，并且可以通过在平台运动过程中以高采样频率对平台末端的轨迹进行在线跟踪采样，同时保证平台运动过程中的轨迹跟踪精度。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于，包括支座平台、系统控制与驱动子系统、激光传感器测量与反馈子系统、设置在所述支座平台上的宏微并联平台子系统，所述的宏微并联平台子系统包括设置在支座平台上的3-RRR宏动并联机构、固定在所述3-RRR宏动并联机构输出动平台上的3-RRR微动柔顺并联机构，所述激光传感器测量与反馈子系统用于分别实时获取3-RRR宏动并联机构、3-RRR微动柔顺并联机构的输出动平台位置与姿态角偏差信号并反馈至所述系统控制与驱动子系统，所述的系统控制与驱动子系统通过电路与宏微并联平台子系统电路连接，用于实时控制宏微并联平台子系统末端位置。
2.根据权利要求1所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于，所述的3-RRR宏动并联机构包括宏动输出平台、三个与所述宏动输出平台活动连接的动力并联分支，每个动力并联分支均包括安装在所述支座平台上的伺服电机、固定在所述伺服电机输出轴上的主动杆、铰接在所述主动杆另一端的从动杆，所述从动杆的另一端与宏动输出平台活动铰接，三台伺服电机安装在支座平台的边沿处呈等边三角形分布。
3.根据权利要求2所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于，所述的3-RRR微动柔顺并联机构包括居中设置的末端微动平台、以及三个用于驱动末端微动平台运动的并联式传递机构，每个所述的传递机构均包括有一端连接末端微动平台、另一端依次连接电容式位移传感器和压电陶瓷驱动器的两级杠杆式柔性铰支链，所述的压电陶瓷驱动器及电容式位移传感器通过电路连接系统控制与驱动子系统。
4.根据权利要求3所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于，所述激光传感器测量与反馈子系统包括：用于实时测量所述宏动输出平台的平面三自由度的激光位移传感器探测装置、用于实时测量所述末端微动平台的平面三自由度与激光尺探测装置，
所述激光位移传感器探测装置包括三个激光位移传感器探测头，每个激光位移传感器探测头均通过定位装置和磁性底座安装设置在支座平台上且发射的光点均落在3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的侧边上，其中两个激光位移传感器探测头相互平行且发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的同一边，另一个激光位移传感器探测头发射的光点落在所述3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台的另一边且垂直于另两个激光位移传感器探测头的激光射出方向，各激光位移传感器探测头分别与激光位移传感控制器电路连接；
所述激光尺探测装置包括一个固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构输出平台上的双轴高反射率平面镜和三个激光尺发射头，所述的双轴高反射率平面镜固定在所述3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台上，所述的三个激光尺发射头分别通过三个发射头支架底座固定在所述支座平台上，其中两个激光尺发射头的光路同时垂直于双轴高反射率平面镜的x轴并且与支座平台平行，同时，所述的两个激光尺发射头中有一条光路通过双轴高反射率平面镜原点重合于y轴；另一激光尺发射头的光路垂直于所述双轴高反射率平面镜的y轴且平行于所述支座平台。
5.根据权利要求4所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述的系统控制与驱动子系统包括电路连接的计算机、Dspace半物理仿真板卡，所述的Dspace半物理仿真板卡通过电路分别连接压电陶瓷驱动器及电容式位移传感器、伺服电机驱动器、所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置，用于将所述激光位移传感器探测装置、所述激光尺探测装置测量的位置姿态信息反馈至计算机、以及，将计算机的控制驱动信号D/A转换后输出至3-RRR宏动并联机构和3-RRR微动柔顺并联机构。
6.根据权利要求5所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述Dspace半物理仿真板卡的采样频率达1000HZ以上，所述激光尺探测装置的分辨率为10nm，所述激光位移传感器探测装置的精度为微米级。
7.一种基于权利要求1至6中任一项所述的基于激光传感器的平面三自由度宏微复合定位系统的定位方法，其特征在于，包括步骤：
(1)3-RRR宏动并联机构接受到系统控制与驱动子系统的控制信号运动到目标位置以后，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR宏动并联机构进行定位补偿，实现对宏动输出平台的控制；当目标位置进入设定误差范围内时，系统控制与驱动子系统切断3-RRR宏动并联机构的供电停止运动，完成微米级宏定位；
(2)所述的3-RRR微动柔顺并联机构的以定姿态移动定位到目标位置，通过所述激光传感器测量与反馈子系统进行反馈补偿控制：首先检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度反馈至系统控制与驱动子系统产生控制驱动信号；然后通过D/A转换，将控制信号输送至3-RRR微动柔顺并联机构进行定位补偿，即可完成宏微并联平台子系统的全局纳米级定位。
8.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，步骤(1)中，所述检测3-RRR宏动并联机构的宏动输出平台在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(11)基于激光位移传感器探测装置的第一、第二和第三激光位移传感器探测头所在平面建立一直角坐标系，y01、x02、x03分别表示第一、第二、第三激光位移传感器探测头距坐标原点的距离，d0表示第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头之间的距离，c表示动平台的边长，60°为宏动输出平台的角度值，x01和x01′分别表示第一激光位移传感器探测头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值，同理y02和y02′，y03和y03′分别表示第二、三激光位移传感器探测头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距宏动输出平台边沿的距离值；
(12)得到宏动输出平台在采样前后两个时刻的转角为：
<mrow>
<mi>&alpha;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
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<mi>a</mi>
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<msub>
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</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，若α＞0，表示宏动输出平台顺时针转动，反之，若α＜0，表示宏动输出平台逆时针转动；
宏动输出平台沿x方向的平动位移值为：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>x</mi>
<mo>=</mo>
<msup>
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<mi>x</mi>
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<mn>3</mn>
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<mn>2</mn>
</msup>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中， 若Δx＞0，表示宏动输出平台沿x方向的平动远离第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头，若Δx＜0，表示宏动输出平台沿x方向的平动靠近第二激光位移传感器探测头和第三激光位移传感器探测头；
宏动输出平台沿y方向的平动位移值为：
<mrow>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>y</mi>
<mo>=</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，若Δy大于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动远离第一激光位移传感器探测头，若Δy小于零，表示宏动输出平台沿y方向的平动靠近第一激光位移传感器探测头。
9.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述步骤(2)中，检测3-RRR微动柔顺并联机构在水平方向上的平动位移和转动角度的步骤具体包括：
(21)基于激光尺探测装置的第一、第二、第三激光尺发射头所在平面建立一直角坐标系，所述第一、第二、第三激光尺发射头距坐标原点的距离分别为y11、0、d1，同时d1表示第二激光尺发射头和第三激光尺发射头之间的距离，x11和x11′分别表示第一激光尺发射头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜的y轴距离值，同理y12和y12′，y13和y13′分别表示第二、三激光尺发射头在当前采样时刻和下一个采样时刻检测的距双轴高反射率平面镜的x轴的距离值，双轴高反射率平面镜转角与平动位移即为3-RRR微动柔顺并联机构的末端微动平台的转角与位移；
(22)得到所述末端微动平台在采样前后两个时刻的转角为：
<mrow>
<mi>&beta;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
<mi>t</mi>
<mi>a</mi>
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</mrow>
<msub>
<mi>d</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
所述末端微动平台沿x方向的平动位移值为：
其中，
若Δx′＞0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动远离第二激光尺发射头和第三激光尺发射头，若Δx＜0，表示所述末端微动平台沿x方向的平动靠近第二激光尺发射头和第三激光尺发射头；
所述末端微动平台沿y方向的平动位移值为：
<mrow>
<msup>
<mi>&Delta;y</mi>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>tan</mi>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<msup>
<msub>
<mi>y</mi>
<mn>12</mn>
</msub>
<mo>&prime;</mo>
</msup>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中，若Δy大于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动远离第一激光尺发射头，若Δy小于零，表示所述末端微动平台沿y方向的平动靠近第一激光尺发射头。
10.根据权利要求7所述的定位方法，其特征在于，所述3-RRR宏动并联机构位移过程中，还通过伺服电机配置的24位增量式编码器检测伺服电机实际位置；所述3-RRR微动柔顺并联机构位移过程中，还通过配置的三个连接计算机的电容式位移传感器测量3-RRR微动柔顺并联机构三个自由度输出位移形成末端微动平台自身的全闭环控制。
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