CN1864069A - 测试头定位系统 - Google Patents

Abstract

一种用于操纵负载的装置(1)，其包括用于支承该负载的第一支承结构(60)和用于支承该负载的第二支承结构(4)。该装置还包括在第一支承结构(60)和第二支承结构(4)之间耦合的联接器(3)。该联接器(30)包括顺从机构(340a)，其用于向该负载提供绕旋转轴的顺从运动范围，其中该负载的重心定位在远离该旋转轴的位置。该旋转轴是非垂直轴。

Description

测试头定位系统

技术领域

本发明涉及用于定位和操纵负载的系统，更特别的是，涉及用于定位和操纵测试头的系统。

背景技术

测试头经常用在集成电路的测试中。为了使用测试头来测试集成电路，通常将测试头“对接”到一件外围设备，如探针器或设备处理器(在下文称作“外部设备”)上。测试头操纵器通常用于在对接操作过程中定位和操纵测试头。

在将测试头对接到外部设备中，希望该测试头可在多个方向上移动(即，该测试头具有多个自由度)。此外，还希望该测试头相对于各个自由度顺从地移动(即，该测试头基本上是失重的，或者在受到相对少量的外加力时可以相对于每个自由度移动)。

由于测试头在空间移动，因此其相对于操纵器的位移和角定向改变。为了描述本发明，规定两个直角坐标系是很方便的，一个坐标系附着于该测试头上，一个坐标系附着于操纵器上。

图1绘出测试头150，该测试头具有附着于其上的彼此正交的坐标轴I102、J104和K106。因此，这组轴随测试头在空间移动。测试位置160位于测试头150的表面上，并且包括在测试中与设备接触放置的电触点(“dut”)。图中示出J轴104与测试位置表面正交，并且其正向为远离该测试位置表面的方向。绕I102的旋转通常称作“俯仰”、“翻转”或“上下摆动”。绕K106的旋转通常称作“滚动”。绕J104的旋转在工业中通常称作“θ”。简单地，当使测试头对接时，希望外部的测试位置160与该外部设备上对应的位置对准。通常，测试头150稍微远离该外部设备，测试头150首先在五个自由度上对准，这五个自由度包括I、K位移、俯仰和滚动旋转(建立平面化)以及θ旋转。然后沿J方向操纵测试头150直到适当地接合这些试验触点，从而使其对接。当操纵测试头进入最终对接位置时，常常要提供精密对准结构来实现最终的精密对准。因此，一般希望为了对接而在六个自由度上同时操纵该测试头。

图2示出用于描述该操纵器的运动的一组彼此正交的坐标轴200。将这组坐标轴固定到操纵器上，从而使其在空间中固定。X轴202表示线性左右方向。同样，Y轴204表示线性上下或垂直方向，希望测试头沿该方向是可移动的，Z轴206表示线性进出方向，希望测试头沿该方向是可移动的。为了这种应用，绕这三个轴的旋转分别称作“U”、“V”和“W”。

如果测试头能够沿X轴202、Y轴204和Z轴206中的每一个轴移动(连同测试头操纵器)，并且绕该每一个轴旋转，那么称该操纵器提供了至少六个(6)自由度。如果测试头能够相对于其轴I102、J104和K106线性且旋转地顺从移动，那么称该测试头顺从六个(6)自由度。

由于测试头通常非常昂贵，因此常常希望使用同一个测试头与各种不同的外部设备对接。例如，同一个测试头可以用于在水平面(即，与J104垂直)内与设备处理器(例如测试头可以从该设备处理器下面与设备处理器对接)和探针器(例如，测试头可以与探针器从该探针器的上面对接)对接。为了与各种不同类型的外部设备对接，希望测试头操纵器具有长垂直冲程(例如长的垂直运动范围)。但是，由于对测试头和相关操纵器的尺寸限制，这并不一定实际。另外，某些测试头操纵器系统利用气压缸在垂直方向上定位和操纵测试头。在这种设计中，由测试头操纵器提供的垂直冲程受到气压缸装置的冲程的限制。利用较大的测试头，气压缸装置的冲程常常不足以提供适合于将测试头与不同类型的外部设备对接的垂直运动范围。

在其他情况下，可能需要与其中测试位置160处于垂直平面内的外部设备对接。在这种情况下，测试头150必须从水平方向滚动90度从而使J 104轴位于水平面内。因此，在垂直平面内出现θ旋转。关于固定的操纵器轴200，在XY平面或YZ平面内需要这种垂直平面对接是很普通的。其他垂直平面和任意成角度的平面当然也是可能的。

在设法将测试头与不同类型的外部设备对接时出现的其他问题是，在操纵测试头的过程中，可能损失一个自由度。例如，在测试头处于其J104轴平行于操纵器的X轴(即，当在YZ平面内对接时)的某些配置中，可能损失了θ顺从自由度。

常规的尝试减轻这种损失的自由度已经导致日益复杂和昂贵的操纵器系统。例如，Holt的美国专利US5450766和Slocum的美国专利US5931048示出了避免上述情况的装置。

如上面所提供的，在测试头对接的系统中，有时希望在测试头的六个(6)自由度的每一个上提供顺从运动。这意味着在对接过程中，希望测试头操纵器使得在这六个(6)自由度中的每一个上都处于基本上失重状态的测试头达到平衡，从而使操作人员可以用相对很小的力在这些方向的每一个上手动地移动测试头。但是，由于测试头变得较大和较重，因此对于某些操作人员来说，沿某些方向(甚至处于顺从状态下)手动操纵测试头所需的力即使不是不可能的，那也有可能是非常困难的。

同样，希望提供解决上述不足的测试头定位和操纵系统。

发明内容

在本发明的示范性实施例中，提供一种用于操纵负载的装置。该装置包括用于支承该负载的第一支承结构和用于支承负载的第二支承结构。该装置还包括在第一支承结构和第二支承结构之间耦合的联接器。该联接器包括顺从机构，该顺从机构用于向负载提供绕旋转轴的顺从运动范围，其中该负载的重心定位在远离该旋转轴的位置。该旋转轴是非垂直轴。

根据本发明的另一个示范性实施例，提供了一种操纵负载的方法。该方法包括提供用于支承负载的第一支承结构。该方法还包括将第一支承结构旋转地耦合到用于支承绕旋转轴的负载的第二支承结构，从而使负载的重心定位在远离该旋转轴的位置，该旋转轴是非垂直轴。该方法还包括向负载提供绕该旋转轴的顺从运动范围。该方法还包括利用该顺从运动范围绕该旋转轴操纵该负载。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种操纵负载的装置。该装置包括用于支承该负载的第一支承结构。第一支承结构向该负载提供第一个基本上垂直的运动范围。该装置还包括用于支承负载的第二支承结构。第二支承结构向该负载提供相对于第一个基本上垂直的运动范围的第二个基本上垂直的运动范围。该装置还包括在第一支承结构和第二支承结构之间的联接器。该联接器向负载提供沿一定方向或绕一轴的至少一个附加的运动范围。该附加的运动范围不是沿着基本上垂直的方向。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种操纵负载的方法。该方法包括将负载移动到该负载的第一个基本上垂直的运动范围内的第一位置。第一支承结构提供该第一个基本上垂直的运动范围。该方法还包括将该负载移动到相对于第一个基本上垂直的运动范围的第二个基本上垂直的运动范围内的第二位置。第二支承结构提供该第二个基本上垂直的运动范围。该方法还包括提供在第一支承结构和第二支承结构之间的联接器。该联接器向负载提供沿一定方向或绕一轴的附加运动范围。该附加运动范围不是沿着基本上垂直的方向。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供了一种用于远程改变调节控制机构的位置的装置。该调节控制机构调节用于至少部分支承负载的力。该装置包括用于改变流体压力的远程单元。流体压力的变化与调节控制机构在至少一个方向上的位置变化相对应。该装置也包括在远程单元和调节控制机构之间耦合的联接器。该联接器也配置为根据流体压力的变化来改变调节控制机构的位置。该装置还包括用于提供从远程单元到联接器的流体压力变化的流体载体。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种远程改变调节控制机构的位置的方法。调节控制机构调节用于至少部分地支承负载的力。该方法包括通过远程单元改变流体压力，其中流体压力的变化与调节控制机构在至少一个方向上的位置变化相对应。本方法还包括通过流体载体提供从远程单元到联接器的流体压力变化，该联接器耦合在远程单元和调节控制机构之间。该方法还包括根据流体压力变化通过联接器来改变调节控制机构的位置。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种用于操纵负载的装置。该装置包括用于支承负载的支承结构。该支承结构向该负载提供运动范围，其中该运动范围是顺从运动范围。该装置还包括远程单元，其用于调整通过流体载体的流体系统的流体压力。该流体系统提供用于支承在顺从运动范围内的负载的至少一部分力。通过远程单元调整流体压力而对用于支承负载的力进行调整。例如，可以将该流体压力调整为使处于基本上失重状态的负载在顺从运动范围内达到平衡。可选择的是，可以调整流体压力，以便调整负载在顺从运动范围内的位置。

根据本发明的再一个示范性实施例，提供一种操纵负载的方法。该方法包括提供用于支承负载的支承结构。该支承结构向负载提供顺从运动范围。该方法还包括经远程单元改变通过流体载体的流体压力，其中该流体压力提供用于支承在顺从运动范围内的负载的至少一部分力。例如，可以改变流体压力以便使处于基本上失重状态的负载在顺从运动范围内达到平衡。可选择的是，可以改变流体压力以便调整负载在顺从运动范围内的位置。

根据本发明再一个示范性实施例，提供一种操纵负载的方法。该方法包括通过对流体增压而至少部分地支承在一定方向上或绕一轴处于顺从状态的负载，从而利用第一手动控制量级的力使该负载沿该方向或绕该轴移动。该方法还包括远程调整流体压力从而可以利用第二手动控制量级的力使该负载沿该方向或绕该轴移动，直到操作人员能够操纵沿该方向或绕该轴的该负载。第二手动控制量级的力小于该第一手动控制量级的力。

附图说明

参考附图描述本发明的示范性实施例，在附图中：

图1是测试头和附着于其上的第一坐标系的透视图；

图2是在说明本发明各个示范性实施例中有用的第二坐标系的透视图；

图3是依照本发明示范性实施例的测试头操纵器的透视图；

图4是依照本发明示范性实施例的测试头连接单元的透视图；

图5是图4中所示测试头连接单元的局部分解透视图；

图6是图4中所示测试头连接单元的后透视图；

图7是图4中所示测试头连接单元的局部分解后视图；

图8是依照本发明示范性实施例的摆动单元子配件的后透视图；

图9是图8中所示摆动单元子配件的前透视图；

图10是图8中所示摆动单元子配件的分解前透视图；

图11是依照本发明示范性实施例的θ顺从托架(thetacompliance carrier)的后透视图；

图12是图11中所示θ顺从托架的前透视图；

图13是图11中所示θ顺从托架的分解透视图；

图14是依照本发明示范性实施例的气压缸、支架接头和凸轮随动件的分解透视图；

图15是图14中所示支架接头和凸轮随动件的分解透视图；

图16是依照本发明示范性实施例的X托架子配件的后透视图；

图17是图16中所示X托架子配件的前透视图；

图18是依照本发明示范性实施例的垂直托架子配件的后透视图；

图19是图18中所示垂直托架子配件的前透视图；

图20是依照本发明示范性实施例的吊架子配件的后透视图；

图21是图20中所示吊架子配件的前透视图；

图22是依照本发明示范性实施例的可用于提供辊运动的吊架安装板的透视图；

图23是依照本发明示范性实施例的可用于提供俯仰运动的吊架安装板的透视图；

图24是依照本发明示范性实施例的摆动单元子配件和θ顺从托架的侧视图；

图25是沿图24的截面B-B获得的横截面视图；

图26是依照本发明示范性实施例的气动控制盒的局部的内部视图；

图27是沿图26的截面A-A获得的截面图；

图28是依照本发明示范性实施例的调节器控制机构的透视图；

图29是图28中的一部分的详细透视图；

图30是图28的另一个详细的局部透视图；

图31A-31C是图28中所示调节器控制机构的略图；

图32是依照本发明示范性实施例的气动控制悬架式操纵台的透视图；

图33是图28中所示调节器控制机构的各种部件和相互连接的示意图；

图34是依照本发明示范性实施例的压力调节系统的示意图；

图35是依照本发明示范性实施例的测试头操纵器的透视图；

以及

图36是图35的一部分的详细视图。

具体实施方式

现在参考这些附图来描述本发明选定实施例的优选特征。应该理解，本发明的精神和范围不限于为说明而选择的这些实施例。并且，应该注意，这些附图不是按照任何特殊的比例尺或比例而绘制的。可以预料，可以在本发明的范围内对下文描述的任何构造和材料进行修改。

图3是测试头操纵器1的透视图。测试头操纵器1包括底座2、垂直柱单元4、控制盒4a、测试头连接单元10、在柱单元4和测试头连接单元10之间延伸的导轨6(图3中只有一个导轨6是可见的)，以及同样在柱单元4和测试头连接单元10之间延伸的活塞杆8。活塞杆8从柱单元4中容纳的“主垂直气压缸”伸出，并且为测试头连接单元10提供垂直运动范围。因此，操纵器1可具有由Smith首先在美国专利US4589815(例如参见图9至12)，随后在美国专利US4705447和US5149029中描述的流体平衡型。这三篇专利在这里整体引入作为参考。如在这三篇专利中所述，在垂直或Y轴204上提供基本上失重状态(因此提供顺从的运动)。

可以看到，柱单元4支承测试头连接单元10，该测试头连接单元10又支承测试头(图3中未示出)，如测试头150。柱单元4可按照公知的方式借助于线性轨道9和低摩擦线性轴承沿进-出轴或Z轴206的方向相对于底座2移动。因此，提供了沿Z轴206的顺从运动。

图4是测试头连接单元10的透视图。测试头连接单元10包括各种子系统和子配件，它们提供在多个自由度的至少一个自由度上的支承、运动范围、和/或顺从运动。这些子系统/子配件包括摆动单元子配件20、θ顺从托架30、X托架子配件40、垂直托架子配件50和吊架子配件60。测试头(图4中未示出)耦合到吊架子配件60上或与该吊架子配件60啮合。

现在简要地描述由每个子配件所提供的运动。如上面所提供的，由柱单元4和底座2的结合来提供顺从的垂直运动(即，沿Y轴204的运动)和顺从的进-出运动(即，沿Z轴206的运动)。

摆动单元配件20借助于垂直枢轴可旋转地连接到柱单元4上，从而提供绕Y轴204的顺从的V旋转。当在水平面(从上面或下面)中对接时，这提供了θ顺从。当在垂直面中对接时，这提供了帮助平面化的顺从。

θ顺从托架30由水平轴连接到摆动单元20上。该θ顺从托架可以绕水平轴旋转几度(例如正和负2.5度)。当在测试头从水平方向滚动90度的平面中对接时，可提供θ顺从。在水平面中对接时有助于平面化顺从。当在通过使测试头90从水平方向绕I(翻转)轴102旋转90度而到达的垂直面中对接时，也有助于平面化顺从。

借助于水平轨道和线性导向支承将X托架子配件40安装到θ顺从托架30。这样，X托架子配件40提供了沿水平方向的顺从线性运动。这提供了平行于测试头150的I轴102的顺从定位。(在该示范性构造中，提供了水平定位的两个顺从轴；但是，根据摆动单元20的旋转位置，它们不一定总是正交的。只要它们不平行，就足以提供在水平面上的两个线性自由度。如果摆角变为使这两个轴平行，那么将损失一个自由度。)

借助于垂直定向的线性轨道、线性导向支承和螺杆将垂直托架子配件50连接到X托架子配件40。因为由主垂直气压缸在柱单元4中提供垂直顺从，因此在所描述的实施例中并不向垂直托架50增加顺从；但是，这样的实施例是可以预料的。

将吊架子配件60绕水平轴枢转地安装到垂直托架50上，该水平轴与测试头的I轴102正交。优选的是，将该轴安排为穿过该测试头的重心或位于该重心附近，从而使该测试头相对于该轴平衡或接近平衡。这样，为该测试头提供了顺从旋转。当在该测试头从水平方向绕K轴106滚动九十度的水平面或垂直面中对接时，提供了有助于平面化的旋转顺从。当在测试头从水平方向绕I轴102旋转90度的垂直面中对接时，提供了顺从θ旋转。

测试头可绕一轴旋转地连接到吊架60上，该轴平行于测试头的I轴102并优选穿过或接近其重心。这样，使该测试头相对于该轴顺从地平衡。此外，该轴与测试头一起移动，并可将该轴认为是该测试头的一部分。绕该轴旋转提供了在所有对接状态中的平面化顺从。该顺从旋转与上述旋转中之一结合，确保了在外部设备处于所有对接状态中使测试位置平面化所必需的两个独立的旋转。

图5是图4中所示测试头连接单元10的局部分解透视图。同样地，在图5中稍微更详细地示出了摆动单元子配件20、θ顺从托架30、X托架子配件40、垂直托架子配件50和吊架子配件60中的每一个。

图6是图4中所示测试头连接单元10的后透视图。同样地，在图6中示出了摆动单元子配件20、θ顺从托架30、X托架子配件40、垂直托架子配件50和吊架子配件60的不同视图。

图7是测试头连接单元10的分解的后透视图，其示出了摆动单元子配件20、θ顺从托架30、X托架子配件40、垂直托架子配件50和吊架子配件60的附加细节。

图8是摆动单元子配件20的后透视图。摆动单元子配件20包括确定安装孔211a和211b的底座210。如图3中所示，安装孔211a和211b的每一个都容纳各自的导轨6。摆动单元子配件20还包括块220、锁块240、θ枢轴250a和250b，以及安装块260a和260b。将枢轴250a和250b安排为使它们同轴并确定水平XZ平面内的轴。

利用锁手柄246来启动锁块240的锁定机构。在锁块240上提供垫圈(或轴承)242和止挡盖244。如图4中所示，θ顺从托架30绕θ枢轴250a和250b枢转。安装块260a和260b确定各自的曲面265a和265b(图8中未示出曲面265a)，各自的凸轮随动件345a和345b(图11中示出凸轮随动件345a和345b)支撑在该曲面265a和265b上。块220经安装用法兰217旋转地安装在底座210上。图8中还可以看到由块220确定的通孔224a和224b。

图9是摆动单元子配件20的前透视图。如上面关于图8所描述的，图9中所示的摆动单元子配件20包括底座210、块220、锁块240、垫圈242、止挡盖244、锁手柄246、θ枢轴250a和250b、安装块260a和260b、曲面265a和265b、安装孔211a和211b，以及通孔224a和224d。

如在图9中所看到的，底座210也确定安装孔212，该安装孔容纳活塞杆8(图3中示出)的端部。块220确定了用于容纳各自的弹簧325a-d(图11中示出)的弹簧容纳孔222a-222d。通孔224a和224d用于容纳和检查为调整弹簧325a和325d而使用的调节螺钉，如下面更详细地解释的。

图10是摆动单元子配件20的分解前视图。如图10中所示，轴215从安装法兰217伸出。当组装时，轴215延伸通过垫圈(或轴承)230、衬套(或轴承)232、衬套(或轴承)234、以及垂直通孔228(在块220的底部确定)。垂直通孔228自始至终延伸通过块220，并且这样，块220绕轴215旋转。这样，轴215用作关于垂直Y轴204的顺从摆动运动的轴。衬套232和234装配在垂直通孔228内，并促进轴215的旋转。止挡盖244固定到轴215上(例如利用图10中未示出的螺钉)。

图11是θ顺从托架30的后透视图。θ顺从托架30包括用于确定狭槽315的安装板310。狭槽315沿水平方向延伸，是为水平锁而提供的。θ顺从托架30还包括θ枢轴块350a和350b，每个枢轴块都确定了各自的θ枢轴孔351a和351b。θ枢轴250a和250b延伸通过θ枢轴孔351a和351b中与其相对应的孔。当组装时，θ枢轴垫圈(或轴承)352a和352b(在图11中仅仅示出θ枢轴垫圈352b)置于θ枢轴块350a-b中对应的那个以及安装块260a-b中相应的那个之间。另外，θ枢轴轴承354a和354b  于θ枢轴孔351a-b中对应的那个与θ枢轴250a-b中相应的那个之间。因此，θ顺从托架30绕着由枢轴250a和250b确定的水平轴而旋转。

图11还示出弹簧325a-325d，以及一部分线性轨道330a和330b。线性轨道330a和330b提供水平运动。图11还示出气压缸340a和340b，包括各自的支架接头342a和342b、凸轮随动件345a和345b、以及活塞杆347a和347b。

图12是θ顺从托架30的前透视图，其中示出与上面关于图11所描述的类似的特征，包括安装板310、顶板360、狭槽315、线性轨道330a和330b、θ枢轴轴承354a、θ枢轴孔351a、θ枢轴块350a以及气压缸340a。

图13是θ顺从单元30的分解透视图。如图13中所示，安装板310确定了弹簧容纳孔322a-322d，其用于容纳各自的一个弹簧325a-325d的端部。注意，容纳孔322a-322d的深度小于安装板310的厚度，如图25中所示。这样，弹簧325a-325d可以抵靠在孔322a-322d的底部。

图14是气压缸340(例如图13中所示的气压缸340a和340b)的透视图。从气压缸340a伸出的是包括远端348的气动活塞杆347。气动活塞杆347的另一端与活塞(图14中未示出)耦合。远端348容纳支架接头342。支架接头342保持凸轮随动件345。如上所述，凸轮随动件345(即345a和345b)支撑在曲面265a和265b中与其对应的那个曲面上。

图15是保持凸轮随动件345的支架接头342的详细透视图。

当测试头安装在吊架子配件60中时，测试头的重量趋于沿向下的方向拉吊架子配件60。更特别的是，吊架子配件60(以及θ顺从托架30、X托架子配件40和垂直托架子配件50)会趋于绕θ旋转轴(由θ枢轴250a-b和θ枢轴孔351a-b的结合所提供的旋转轴)向下旋转。为了抵抗该测试头(以及测试头连接单元10的其他部分)的重力效应，提供了弹簧325a-d和气压缸340a-b(包括例如弹簧325a-d、气压缸340a-b和θ枢轴259a-b的这些特征的组合可以被称作联接器，这种联接器提供了绕θ轴的旋转耦合)。例如，弹簧325a-d提供了关于θ轴的一定量的顺从支承，从而使吊架子配件60在某一位置之下不能向下旋转。

为了使吊架子配件60上升到由弹簧325a-d提供的最小支承位置之上，提供了气压缸340a和340b。例如，可以利用流体(例如空气)向气压缸340a和340b中的一个或两个增压，以使吊架子配件60(和测试头)绕θ旋转轴上升到所需的位置。特别是，弹簧325a-d和气压缸340a和340b的组合提供了几乎恒定的转矩，该转矩抵消了由负载通过在绕θ轴的运动范围内而产生的转矩。这样，该测试头相对于该轴保持在平衡状态下，并且可以使其顺从地移动。

同样地，当在测试头的J轴104从垂直方向绕水平轴旋转90度的垂直面中对接时(例如在YZ平面内对接)，其中该水平轴与其I轴102正交，提供关于θ轴的“轴肩转动顺从性”，以便提供关于试验接口的“θ顺从性”。

如上面提供的，测试头的负载导致绕着由枢轴250a和250b确定的轴施加转矩。在使用中，缸340a和340b以及弹簧325a-d的组合提供了相等且相反的转矩。这些弹簧提供转矩的分量，其正比于随旋转而改变的弹簧长度；但是，由于所设计的运动仅仅是正或负的2.5度，因此，弹簧弹力的变化与弹簧合力相比相对较小。气压缸340a和340b在封闭调节的空气源的情况下工作，因此这些气压缸所提供的力和转矩分量基本上是恒定的。可以通过旋转调节螺钉270a和270d(在图25中示出)来调整两个外弹簧325a和325d的长度和力。例如可以通过将六角扳手插入通过检查孔275a和275d(也在图25中示出)来旋转(并由此启动)调节螺钉270a和270d。

最初，可以将该系统建立为不向气压缸340a和340b供应空气，这样，由弹簧325a-d单独提供的转矩使负载在水平面下面的位置处达到平衡。通过对调节螺钉270a和270d进行调整，可以将弹簧弹力调整为变化的负载。然后可以将气压缸340a和340b增压到负载处于水平位置的那一点。然后可以利用相对较小的力使该负载绕着由枢轴351a和351b确定的轴顺从地旋转。可以提供压力调节系统来调整缸340a和340b中的压力，并在旋转该负载时保持压力为常数。通过提供绕θ轴的这一顺从运动，提供了以另外方式可能损失的自由度。

图16是X托架子配件40的后透视图。X托架子配件40包括板410和线性导向支承430a和430b。线性导向支承430a和430b与线性轨道330a和330b中与其对应的那一个啮合以实现水平运动。图16中也可以看见线性导向支承420a和420b的一部分。线性导向支承420a和420b以及线性导向支承420c和420d(图16中未示出)与线性轨道520a和520b(图16中未示出)啮合以实现垂直运动。X托架子配件40还包括锁手柄组件446，该锁手柄组件借助于螺纹部分476与柱状锁块447啮合，该螺纹部分延伸穿过θ顺从单元30中的狭槽315(图13)。例如，柱状锁块447包括螺纹孔来容纳锁手柄组件446。通过旋转锁手柄组件446，可以启动或停用柱状锁块447的锁定机构。

图17是X托架子配件40的前透视图，包括安装板410、锁手柄组件446、柱状锁块447、线性导向支承430b和线性导向支承420a-d。图17中还示出螺母460，该螺母配置为容纳螺杆530(图17中未示出)。螺母460和螺杆530之间的啮合促进垂直位置调整。

图18是垂直托架子配件50的后透视图，该垂直托架子配件包括安装板510以及线性轨道520a和520b。如上面关于图16-17所说明的，线性导向支承420a-420d与线性轨道520a和520b中与其对应的那个啮合以促进垂直运动。垂直托架子配件50还包括下轴承532和上轴承534，每个轴承都支承螺杆530的一端。更特别的是，下轴承532支承螺杆530的下端，上轴承534支承螺杆530的上端。棘轮手柄550用于通过下轴承532和上轴承534(以及螺母460)旋转螺杆530，从而提供垂直位置调整。如稍后详细说明的，棘轮手柄550的可选择方案很容易成为可能。

安装板510确定孔575，如图18中所示。图19是垂直托架子配件50的前透视图，该垂直托架子配件50包括安装板510、线性轨道520a和520b、棘轮手柄550和上轴承534。图19中还示出在安装板510上形成的凸台570。孔575延伸穿过凸台570。孔575配置为容纳吊架子配件60(图19中未示出)的安装轴635。在孔575和吊架安装轴635之间提供轴承580。

安装板510还确定了为其他装置留出间隙的槽560。例如，可以提供这种间隙来便于检查连接到吊架子配件60的其他部件。

如上所述，常规的测试头操纵器系统不能提供有效和有用的方式来将测试头与不同外围设备在基本上不同的高度和测试位置定向(例如探针器和设备处理器)处对接。本文公开的包括测试头连接单元10的测试头操纵器克服了这种不足。根据本发明的各个示范性实施例，由至少两个不同的子系统来提供测试头沿垂直方向的定位和操作。例如，在延伸通过气动箱4(参见图3)的活塞杆8中提供第一子系统，该第一子系统能够在垂直运动范围内上下地使测试头连接单元10(包括测试头)上升和下降。另外，垂直托架子配件50通过使用棘轮手柄550(或其他设备)、螺杆530、下轴承532、上轴承534和螺母460提供沿垂直方向的附加运动范围。尽管在这些子系统中的每一个所提供的运动范围之间存在重叠，但是这两个子系统的组合提供了沿垂直方向的更宽运动范围，从而允许将测试头与可变高度的外围设备对接。此外，与在单一结构中具有整个垂直运动范围的常规垂直定位系统相比，由垂直托架子配件50提供的垂直运动范围简单、有效且相对便宜。

尽管由垂直托架子配件50提供的垂直运动范围是利用棘轮手柄550来旋转螺杆530来实现的，但是这也可以通过可选择的装置来实现。例如，可以提供轮型手柄来旋转螺杆530。此外，可以提供具有适当齿轮装置的电动机来促进该垂直运动范围。在典型的应用中，可以通过调整螺杆530使其进入与活塞杆8一起工作的范围而将该测试头相对于特殊外部设备粗略定位。此后，通过主垂直气压缸(或者是其他垂直顺从运动设备，如果这样装备了的话)的操作来提供更精确的定位和顺从对接。

图20是吊架子配件60的后透视图，该吊架子配件包括吊架后部610以及吊架侧面620a和620b。吊架安装板630与吊架后部610耦合(用于提供绕着与测试头I轴102正交的水平轴旋转)，吊架安装板630确定半圆槽631，凸轮随动件632(连接到吊架后部610上)沿着该半圆槽行进。吊架安装轴635延伸通过吊架安装板630，并且如上所述吊架安装轴635装配在孔575内的轴承580中。盖636耦合(例如用螺丝拧紧)到吊架安装轴635的端部，从而一旦已经安装就将吊架子配件60保持在适当位置。为所描述的旋转提供分度孔633a-c，这些分度孔沿吊架安装板630的半圆部分以-90度、0度和+90度分布(在图20中只能看见分度孔633c)。为了将分度销638(例如，可伸缩的、弹簧承载的分度销638)连接到吊架安装板630，提供托座637。为了绕旋转轴锁定吊架60，提供锁手柄组件639。

安装板640a和640b(用于提供绕着测试头I轴102的俯仰旋转)与吊架侧面620a和620b中与其对应的那个耦合。为了使测试头与吊架子配件60耦合，提供安装板640a和640b(在图23中更详细地示出)。此外，还利用安装板640a和640b提供绕I轴的运动范围。每个安装板640a和640b都确定了各自的半圆槽641a-b，用以容纳各自的凸轮随动件642a-b。每个凸轮随动件642a和642b都连接到吊架侧面620a和620b中与其对应的那一个上。

为了可枢转地容纳安装板640a和640b，提供安装轴644a和644b(图20中看不见644b)，以及法兰646a和646b(在图20中看不见法兰646a)。测试头刚性地连接到板640a和640b上。这样，该测试头可以绕着由同轴设置的安装轴644a和644b所确定的轴枢转。

提供托座647a和647b，用以将各自的分度销648a和648b(例如可伸缩的、弹簧承载的分度销)连接到与其对应的安装板640a和640b上。另外，为了锁定绕U旋转轴的转动，提供锁手柄组件649a和649b。

图21是吊架子配件60的前透视图。在图21中可以看见连接到枢轴635的法兰634。另外，该图示出了分度孔643ac、643ba和643bc。这些分度孔是用于为绕着I轴102旋转而提供固定点的一组六个分度孔(643aa、643ab、643ac、643ba、643bb和643bc)的一部分，并且它们沿着其各自安装板的弧以-90度、0度和+90度位置分布。

图22是吊架安装板630的透视图。吊架安装板630确定了半圆槽631和通孔631a。如上面提供的，半圆槽631容纳凸轮随动件632。通孔631a容纳吊架安装轴635。图22中还示出分度孔633a和633b，该分度孔633a和633b连同分度孔633c提供预定的旋转点，并绕着吊架安装板630的弧以-90度、0度和+90度位置分布。图22中还示出耐磨衬套651a、651b和651c。衬套651a、651b和651c供给线性分度孔633a-c。例如，这些耐磨衬套由钢制成而安装板630可由铝制成。

图23是安装板640(例如安装板640a和640b中之一)的透视图。如上面所提供的，安装板640确定用于容纳凸轮随动件642的半圆槽641。安装板640还确定用于容纳连接到法兰(法兰646a或646b)的轴(看不见)的通孔641a。测试头刚性地连接到安装板640a和640b上，这两个安装板可旋转地连接到吊架上。图23还示出耐磨衬套651a、651b和651c，用于插入到各自的线性分度孔中。此外，图23中示出的安装板640还确定了大量测试头安装孔655。测试头安装孔655允许将测试头安装在不同位置，从而将测试头的重心置于如相对于枢轴所需的位置。优选的是，该枢轴穿过或尽可能地接近该测试头的重心，从而提供顺从运动的平衡状态。

图24是与θ顺从托架30耦合的摆动单元子配件20的侧视图。图24中示出了摆动单元子配件20的各个零件，包括底座210、安装块260a、块220、锁块240和锁手柄246。另外，图24中还示出θ顺从托架30的各个部件，包括安装板310、线性轨道330a和330b、气压缸340a、θ枢轴块350a、θ枢轴孔351a和气动活塞杆347a。

图25是沿图24的截面B-B得到的截面图。图25提供了弹簧325a、325b、325c和325d的内部视图，这些弹簧的一端都插入到安装板310中与其对应的弹簧容纳孔322a-322b中。弹簧325a和325d通过弹簧帽370a和370d与各自的弹簧调节螺钉270a和270d连接。弹簧325a和325d以及弹簧帽370a和370d都容纳在弹簧容纳孔222a和222d中。弹簧调节螺钉270a和270d可以通过各自的弹簧调节检查孔275a和275d以及通孔224a和224d进行调整。

图25中示出的其他部件包括线性轨道330b、气压缸340a和340b、支架接头342a和342d、气动活塞杆347a和347b、凸轮随动件345a和345b、曲面265a和265b以及锁块240。

图26是根据本发明示范性实施例与测试头操纵器一起使用的气动控制盒700的局部的内部视图(已经去掉了内部的一部分)。例如，图26中示出的盒700可以用作图3中所示的气动控制盒4a。

图26中所示的控制盒700包括安装板710，该安装板可以是柱单元4的背面。盒700还包括侧板712a和712b。提供进气口713(例如快速连接进气口)以便于空气分布到该盒中。锁手柄714操纵用于锁定和防止气动系统工作的锁定机构。可以触发停止按钮716使空气停止流过进气口713。提供安装托座715和托座718来支承控制盒700中的部件。空气调节器720与调节器口722和723相连。例如，调节器口722和723中之一可以是入口，另一个可以是出口。为了对调节器720进行调节，提供调节器调整轴725(即，调节控制装置)。检查孔728允许操作人员通过对调节器调整轴725进行调整来调整空气压力(例如，利用六角形、有槽的或十字槽螺丝起子)。气动盒还容纳第一气压缸731、第二气压缸732、第一气动活塞杆735、U形夹738、第一控制阀741和第二控制阀742(下面将描述每一个元件的功能)。

图27是图26沿截面A-A获得的截面图。如上面所提供的，可以由操作人员(通过检查孔728)对调节器调整轴725进行调整，以便调整来自调节器720的空气压力分配。为了对调节器调整轴725的位置进行远程控制，提供下面描述的部件。连杆755将调节器调整轴725连接到枢销752。枢销752将连杆755连接到U形夹738。枢销752延伸通过弹簧夹739。第一气动活塞杆735从U形夹738延伸到第一气压缸731。第一气压缸731与第二气压缸732相连。为了安装第二气压缸732提供枢轴支座750。

图28是图26-27中所示调节器控制机构的各个元件的透视图。调节器调整轴725至少部分地延伸通过轴锁块760。螺钉757a和757b将连杆755连接到轴锁块760上。螺钉761a和761b压挤轴锁块760以便将其紧紧地夹到调节器调整轴725上。通过松开螺钉757a、757b、761a和761b并相对于轴锁块760移动连杆755，然后重新拧紧这些螺钉，可以控制图28中所示通过调节器控制机构提供的调节器720的调节量(对应于调节器调整轴725的旋转量)。如上所述，枢销752将连杆755连接到U形夹738。第一气动活塞杆735将第一气压缸731连接到U形夹738。第一气压缸731与第二气压缸732相连，该第二气压缸又被连接到枢轴支座750，并利用其进行安装。

图29是图28的一部分的详细透视图。图30是图28的一部分的甚至更详细的透视图。

图26-30中所示的装置可以用于帮助操作人员定位由气压缸支承的负载。例如，主气压缸中的活塞可以支承测试头连接单元和测试头的负载。此外，通过外力使测试头上升和下降时，提供调节器使缸内的气体保持在恒定的压力。这样，该测试头保持在基本上失重状态，例如在Smith所申请的美国专利US5149029及其同族中所述。

现在描述图26-30中所示的该装置的附加细节。如上面所提供的，图26提供了具有侧板712a和712b的气动控制盒中选定部件的局部设计图。为简单起见，没有示出使各个部件互联的管道等。调节器720用于向主立式气压缸提供调节的气体压力。所提供的示范性调节器720是SMC型IR 3020-F03。口722和723耦合到空气源和主立式气压缸。经快速连接联接器713向盒内的装置供应空气。托座715为快速连接713和调节器720提供安装支架。锁定装置将有害的意外事件减为最小，并通过手柄714来操纵该锁定装置。例如，当手柄714位于所示的3点钟位置时，切断向该装置供应空气，并应用制动器来阻止主立式气压缸的活塞的运动。这样，将测试头的垂直位置锁定在适当位置。当手柄714沿顺时针方向旋转通过与大约4:30对应的位置时，向调节器720施加空气，这样将该气压缸增压到由调节器720确定的压力。当手柄714进一步旋转到大约6点钟位置时，释放制动器，使测试头安全地垂直移动。相反地，将手柄714从6点钟位置旋转到3点钟位置导致首先使用制动器，然后断开向调节器装置供应空气。

操作人员可以通过使轴725旋转来调整由调节器720提供的压力。为了促进这种调整，轴725具有在其远端的螺丝起子槽。侧板712a包括检查孔728，用以在盖位于适当位置时进行检查。进一步提供用于远程地少量改变已调整的压力的装置。该装置除了包括所描述的其他零件之外还包括缸731和732、活塞杆735、U形夹738，和5/2控制阀741和742。

在使用中，通常对调节器720提供的压力进行调整，从而使升高负载所需的力约等于降低该负载所需的力。当运动所需的力与摩擦和主立式气压缸的脱离力结合时，该运动所需的力有时可以比所希望的大一些，特别是当需要微小、精确的运动时。如果所需运动向上则压力稍微增大，且所需运动向下则稍微减小的话，那么可以克服该困难。并且，可以调整该调节器使负载独立地运动。例如，如果调整该调节器以提供这样一个压力，该压力施加与气压缸向上的脱离力加上负载重量相比稍大的力，那么该负载上升。相反地，如果调整该调节器以提供与负载重量减去气压缸向下脱离力相比更小的力，那么负载将向下移动。在对调节器进行调整以提供运动的过程中，必须小心防止由于对安全运动的压力太大或不足而引起的意外事件。

图32示出手持悬架式控制操纵台770(即，远程单元770)，其包括摇杆开关772。悬架式操纵台770借助于管785、786和788(即流体载体785、786和788)与控制盒700相连。在下面的描述中，在普遍没有损失的情况下，假定沿顺时针方向旋转调节器轴725(即调节控制装置725)会增大压力，沿逆时针方向旋转该调节器轴会减小压力。在第一种操作方式(“方式一操作”)下，悬架式控制操纵台770可用于帮助操作人员手动地升高或降低负载。为了向上移动，操作人员将摇杆772推到“上”位置，并使其保持在该位置。这导致调节器轴725从其标称位置略微顺时针旋转，增大主立式气压缸中的压力，使操作人员能够很容易地向上移动负载。相反地，将摇杆772推到“下”位置并使其保持在该位置，导致调节器轴725从其标称位置略微逆时针旋转，减小主立式气压缸内的压力，使操作人员能够很容易地向下移动负载。释放摇杆772使其返回到空档位置，并将调节器轴725返回到其标称位置。

在第二种操作模式(“模式二操作”)下，可以在不施加外力的情况下利用悬架式操纵台770使操作人员升高或降低负载。在这种情况下，将摇杆772压到“上”或“下”位置引起调节器轴725的稍大的旋转，这又引起与第一操作模式相比主立式气压缸中压力的较大变化。将压力变化调整到在没有外加作用力的情况下足以移动负载那么大，但是将其调节到足够小，从而通过释放摇杆772使运动合理地慢并且可停止，这允许调节器轴725返回到其标称位置。这样，为了在第二操作模式下向上运动，操作人员将摇杆772推到“上”位置并使其保持在该位置。这使得调节器轴从其标称位置沿顺时针方向旋转，将主立式气压缸内的压力增大到负载向上移动的那一点。相反地，将摇杆772推到“下”位置并使其保持在该位置，使调节器轴725(即，调节控制装置725)从其标称位置沿逆时针方向旋转，将主立式气压缸内的压力减小到负载向下移动的那一点。释放摇杆772使其返回到空档位置，并使调节器轴725返回到其标称位置，负载的运动停止。

再返回到图28至30，提供了装置的斜视图。图中包括两个小气压缸731和732。气压缸732安装为使其能够绕枢轴支座750枢转，该枢轴支座又连接到盒700上。气压缸731连接到气压缸732的活塞杆(未示出)的远端。这样，气压缸731与气压缸732的活塞一起移动。气压缸731的活塞杆735具有连接到其远端的U形夹738。借助于U形夹销752和弹簧夹739将连杆755以常规的方式连接到U形夹738上。

轴锁块760环绕调节器轴725，且是如图所示的狭缝。可以将螺钉761a和761b拧紧以便将锁块760牢固地夹紧到轴725上。特别是，当拧紧螺钉761a和761b时，可以通过旋转锁块760来使轴725旋转。当松开螺钉761a和761b时，可以通过螺丝起子在不改变块760位置的情况下使轴725旋转。

借助于螺钉757a和757b将连杆755连接到块760上，这两个螺钉穿过连杆755中示出的狭缝。连杆755安装在块760中的狭缝内，该连杆垂直于轴725。当松开螺钉757a和757b时，可以将连杆755相对于轴725正交定位。当拧紧螺钉757a和757b时，连杆755相对于轴725的位置是固定的。这样，可以调整在轴725和U形夹销752之间的距离，即连杆755的工作长度。

现在通过图31A、31B和31C来描述该机构的操作，这三幅图示意性地示出该装置位于三个不同的位置。图31A示出该机构处于其标称位置。气压缸732中的活塞及其活塞杆736是缩回的，气压缸731中的活塞及活塞杆735是伸长的。轴725处于标称压力位置，如垂直的狭缝所表示的。

在图31B中，气压缸732中的活塞和杆736已经伸长，移动到右边，使气压缸731和杆735移动到右边。这导致连杆755和轴725顺时针旋转，由此改变压力。在该过程中，包括气压缸731和732、杆735和736以及U形夹738的组件绕枢轴支座750旋转。

在图31C中，两个气压缸731和732的活塞缩回，导致连杆755和轴725都逆时针旋转，由此沿相反方向改变压力。

图33是说明示范性控制方案的原理图。通过管道790向控制盒提供空气(或其他适当流体)，其可以与快速连接713(例如图26中示出的快速连接713)相连。然后从该控制盒经管788向悬架式操纵台770提供流体。注意，这一概念可适用于可压缩的(例如，气体)或不可压缩的(例如，液体)流体。但是，在半导体试验环境中，用户一般优选气体，如空气。

两个手动致动的控制阀781和782在手持悬架式操纵台770中。阀781和782可以都是3/2型，具有三个口和两个位置。摇杆772启动阀781和782。阀781和782都因其包括的弹簧而靠在摇杆772上。正常情况下，不启动任一个阀；这样，空气流入管785和786，这两个管与控制盒内阀(将在后面描述)中的启动口相连。当将摇杆772推到“上”位置时，启动阀782，切断供给管786的空气。类似地，当将摇杆772推到“下”位置时，启动阀781，切断供给管785的空气。

控制盒700中的阀741和742分别用于控制气压缸731和732。如图33中所示示范性实施例中所指示的，阀741和742是五口、两位置，或5/2阀。此外，阀741和742是利用复位弹簧进行气体致动的。管785中的压力启动阀741，管786中的压力启动阀742。这样，利用标称位置的摇杆772(既不推到“上”也不推到“下”)，可以启动阀741和742。这提供了使气压缸732中的活塞杆736缩回并使气压缸731中的活塞杆735伸长的压力。这是图31A中所示的情况，其对应于调节器调整轴725的标称设置。

将摇杆772压下到“上”位置致使将阀742停用。这又减轻了缸732中活塞以前被增压的那一侧的压力，并将该压力施加于相反的一侧。这样，活塞杆736伸长，并且活塞杆736和735都将伸长。这对应于图31B中的构形，其中调节器调整轴725顺时针旋转，在该示范性系统中，增大了施加于主立式气压缸的压力，使负载升高或更易于提升负载。释放摇杆772允许阀782返回到其未启动位置，向742的致动器施加压力。这样，活塞杆736将缩回，系统返回到图31A中所示的标称压力构造。

按照类似的方式，将摇杆772推到“下”位置将致使气压缸731的活塞杆735缩回。这导致调节器调整轴725沿逆时针方向旋转，如图31C中所示。这样，在该示范性系统中，降低了供给该主立式气压缸的压力，通过外力降低负载或使负载更易于向下移动。

在图31-33中所示的本发明的示范性实施例中，由于摇杆772的构造以及阀741、742、781和782之间的配置和相互连接，阀741和742不可能被停用。这只能够出现在从输入管道790去掉压力时。

根据本发明的示范性实施例，进行下面的程序以设立和调整该系统：切断供给系统的压力并使测试头下降到其最低位置，主立式气压缸的活塞缩回。螺钉757a、757b、761a和761b都被松开。将调节器调整轴725旋转到已知的存在不足以升高测试头的压力的那个位置。例如通过将锁714旋转到开启(如前面描述的6点钟)位置来向系统施加空气。缓慢地旋转调节器调整轴725，以便增大主立式气压缸中的压力。当压力增大时，监控提升测试头所需的力。压力增大到可以手动地升高该测试头。然后将测试头负载手动地升高到近似中间的位置，在该位置处，主立式气压缸的活塞杆8大致伸长50％。对调整轴725进行调整(沿两个方向)，直到压力处于升高测试头所需的力与降低该测试头所需的力大致相同的这一点。这可以在许多情况下通过手动“触摸感知”来测量。否则可以采用弹簧秤或其他仪器。现在拧紧螺钉761a和761b，以及螺钉757a和757b。将摇杆772推到并保持在“上”位置。可以进行检查来确保轴725已顺时针方向旋转。可以进行进一步的检查来确保对于模式一操作来说已经充分地降低了升高负载所需的力，或者确保对于模式二操作来说负载以所希望的速率向上移动。将摇杆722推到并保持在“下”位置。可以检查轴725是否已经逆时针旋转。可以进行进一步的检查以确保对于模式一操作来说已经充分地减少了向下移动负载所需的力，或者确保对于模式二操作来说负载以所希望的速率向下移动。可以将螺钉757a和757b松开，并且可以根据需要调整连杆755相对于轴725的位置。增大先前规定的工作长度可增大压力变化，因此增大对于移动所需的力的变化，减小先前规定的工作长度可减小压力变化和所需的力的变化。当调整连杆755的工作长度时，对锁块760的位置做小的调整以保持所需的标称设置可能成为必需的。这利用螺钉761a和761b来实现。注意，可以将连杆755的工作长度调节到压下摇杆772产生测试头的迅速独立的垂直运动的那一点。

在某些情况下，如果不对运动进行控制，那么出于安全考虑应当避免这种情况；但是，如已经描述的，在本发明的某些示范性实施例中，可以使用悬架式操纵台770(即远程单元770)来控制测试头在沿垂直轴的运动范围内的位置。在这些实施例中，这种基本上垂直的运动范围可以是顺从运动范围(即，测试头可以在运动范围中处于基本上失重状态)。此外，可以将通过悬架式操纵台770的操作(或在操纵器处本地操作，例如在控制盒700处)而提供的基本上垂直的运动范围与第二个基本上垂直的运动范围(例如，由用于支承负载的第二支承结构所提供的第二个基本上垂直的运动范围，该第二支承结构如图19中示出的垂直托架子配件50)结合使用，从而向测试头提供很宽的基本上垂直的运动范围。

通过图26-33中示出的本发明的示范性实施例，对于模式一操作来说，可以相当大地减少沿给定轴或绕给定轴(甚至在顺从状态下)在给定方向上手动操纵负载所需的力，该负载如测试头。所描述的实施例还能实现模式二操作，其中在没有人或其他外力的情况下负载沿给定方向或绕给定轴(甚至在顺从状态下)可控制地移动。例如，可将该系统配置为单独地压下远程开关(例如开关772上的“上”或“下”按钮)可以引起轴725的预定量的旋转，与沿给定轴或绕给定轴在给定方向上操纵测试头所需力的预定减少/增加相对应。在这种配置中，对于模式一操作来说，受过训练的人可以逐渐增大轴725的旋转，然后手动检查在所需方向上操纵负载所需的力，调整连接，并继续这一过程直到在所需方向上操纵测试头所需的力适用于不太熟练的操作人员进行操作。类似地，对于模式二操作来说，受过训练的人可以逐渐增大轴725的旋转，然后手动检查负载在所需方向上的适当运动，调整连接，并继续这一过程直到在所需方向上的运动是以适合于不太熟练的操作人员进行安全操作的速率。

可选择的是，可以将该系统配置为只要压下遥控开关(例如开关772上的“上”或“下”按钮)轴725就连续旋转。在这种情况下，操作人员可以将一只手放在测试头上，以确定在所需方向上操纵测试头所需的力什么时候是可接受的，然后释放该开关。

当只有流体(例如空气)管道与悬架式操纵台770相连时，本文中示出的悬架式操纵台770不包括电连接。在一些应用中，这可能是所希望的，因为降低了电击、发火花、飞弧等的危险；但是，在一些应用中，具有基于电的、电子的或微处理器的控制的悬架式操纵台可能是所需的。图26示出与任选的计算机800相连的任选的悬架式操纵台700a。计算机800例如可以安装在控制盒700中。在这种配置中，悬架式操纵台700a可用于向计算机800发送信号(例如增大或减小压力信号)，计算机800可用于控制调节器720的调节。当然，计算机800可以是任何类型的基于微处理器(或其他处理器)的系统，如个人计算机或可编程序逻辑控制器。可选择的是，计算机800可以用不可编程的系统来代替，如硬布线逻辑电路或电机(例如继电器)系统。利用这种先进的控制器可以增加许多附加特征和操作模式。

图34是用于控制气压缸340a和340b的压力调节装置的示范性示意图。提供该示意图作为关于可以怎样控制在本发明中所用的气压缸的例子。压缩空气从空气源通过快速连接5310输入到压力调节装置，该空气源在大多数试验或其他工业设备中通常是可用的。

压力调节系统包括精密压力调节器5320，可以对该精密压力调节器进行调整以提供足够的压力来支承气压缸340a和340b上的负载。

通过在负载处的压力下降时允许更多空气从输入连接5310流动并且通过在负载处压力升高时释放空气，压力调节器5320试图保持其输出的恒定压力。调节器5320提供这种稳态控制。还提供单向节气门5330a和5330b，这促进在流动中为了定位而通过外力强加给负载的小运动而作出适当瞬态响应。节气门5330a和5330b设置为防止从气压缸340通过它们回流。

如果现在应该相对于气压缸340a和340b手动地升高负载(即通过外加力在伸长活塞杆348a和348b的方向上移动)，那么根据上升力来降低缸340a和340b中的压力。压力调节器5320确认压力降低，并通过将附加流体送入缸340a和340b而增大流体压力直到达到原始目标压力。可选择的是，如果相对于其缸340a和340b向下按压负载，那么缸340a和340b中的压力增大。压力调节器5320确认该压力增大并使流体转到气压缸340a和340b外面直到再次达到原始目标压力。

在所描述的示范性实施例中，两个缸340a和340b是相同的。单个调节器5320馈送到气压缸340a和340b，从而使这两个缸中的压力相同。因此，提供了对称的力，这帮助保持摩擦和可能的粘合最小。因此，两个缸所提供的合力总是与活塞面积两倍于缸340a和340b中任一个的面积的单个缸所提供的力相同。

如上面参考图3-34所描述的，本发明为负载的改进操纵提供了大量新颖的特征；但是本发明的某些实施例不包括这些特征中的每一个和各个。例如，图35是测试头操纵器3500的透视图。测试头操纵器3500包括许多与上面参考图3中所示测试头操纵器1而描述的类似的特征。例如，试验操纵器3500包括垂直柱单元3504、控制盒3504a、X托架子配件3540、垂直托架子配件3550和吊架子配件3560。测试头操纵器3500向负载(即测试头)提供绕旋转轴3570的旋转运动范围。与上面参考测试头操纵器1所描述的对应的旋转轴对比(绕图11中所示的θ枢轴孔351a和351b的旋转)，绕旋转轴3570的旋转运动范围不是顺从的。

图36是测试头操纵器3500的一部分的详图。如图36中所示，X托架子配件3540包括线性支承3544a和3544b，它们与轨道3542a和3542b啮合并相对于轨道3542a和3542b运动。测试头操纵器3500还包括锁定沿左右方向运动的锁3546。测试头操纵器3500还包括螺钉手柄3572，可以对其进行手动调整(或者可以自动地并且远程地操作)以使负载相对于旋转轴3570倾斜。

尽管主要依据位于柱上的测试头连接单元对本发明进行了描述，其中利用气体力学提供在基本上失重状态中的垂直运动，但是本文中描述的新颖概念也可以用于其他类型的操纵器，这些类型的操纵器包括但不限于平衡操纵器。本发明不取决于提供垂直支承和运动的装置。

利用对可压缩流体进行操作的气动系统描述了本发明的各个方面。流体的可压缩性对于顺从单元是优选的，这受益于变化体积中的恒压。上面参考图26-33描述的用于调整压力的装置包括两个缸731和732，它们也对气体进行操作。在该实施例中，可以取代不可压缩的水力学流体，但是水力学在某些应用中不是优选的，因为可能由泄漏导致损害等。同样地，基于气体的系统(例如空气)通常是优选的。

如本文所用的，术语“流体”指的是广义范畴的流体，包括气体和液体。

如本文所用的，术语“顺从机构”指的是在一定方向上或绕一轴以基本上失重状态至少部分地支承负载的机构(例如，弹簧、气体致动器等)。

如本文所用的，术语“顺从运动范围”指的是负载沿一定方向或绕一轴运动的范围，在该范围中支承的负载沿该方向或绕该轴处于基本上失重状态。

尽管主要依据用于测试集成电路的测试头对本发明进行了描述，但本发明不限于此。本发明的各个方面可以应用于大量不同负载中的任一个，特别是精密操纵和/或定位的重负载。

尽管主要依据为气压缸供应作为增压流体的空气对本发明进行了描述，但本发明不限于此。在这些实施例中可以利用任何类型的流体，不管是液体还是气体。

应该理解，可以在不背离本发明范围的情况下对所说明的实施例进行其他修改，本发明的范围由随附的权利要求书独立地限定。

Claims (52)

1.一种用于操纵负载的装置，所述装置包括：

用于支承该负载的第一支承结构；

用于支承该负载的第二支承结构；以及

在所述第一支承结构和所述第二支承结构之间耦合的联接器，所述联接器包括顺从机构，该顺从机构用于向负载提供绕旋转轴的顺从运动范围，其中该负载的重心定位在远离所述旋转轴的位置，所述旋转轴是非垂直轴。

2.根据权利要求1的装置，其中所述顺从机构配置为被手动调整以适应负载的变化。

3.根据权利要求1的装置，其中所述顺从机构包括至少一个气动致动器。

4.根据权利要求1的装置，其中所述顺从机构包括至少一个弹簧。

5.根据权利要求1的装置，其中所述联接器向负载提供沿一定方向或绕一轴的至少一个附加运动范围。

6.根据权利要求1的装置，其中所述装置是用于操纵测试头的操纵器，该测试头用于测试集成电路。

7.根据权利要求1的装置，其中所述第二支承结构通过第二联接器支承所述负载，所述第二联接器向该负载提供绕第二旋转轴的运动范围。

8.根据权利要求1的装置，其中所述第一支承结构向该负载提供第一个基本上垂直的运动范围，所述第二支承结构向该负载提供第二个基本上垂直的运动范围，所述第二个基本上垂直的运动范围与所述第一个基本上垂直的运动范围不同。

9.根据权利要求8的装置，其中所述第一个基本上垂直的运动范围与所述第二个基本上垂直的运动范围中的至少一个是顺从的垂直运动范围。

10.根据权利要求9的装置，其中通过调整供给所述装置的流体压力来调整该负载在所述顺从的垂直运动范围内的位置，该流体压力通过定位在远离所述装置的位置处的控制单元来调整。

11.一种操纵负载的方法，所述方法包括以下步骤：

提供用于支承负载的第一支承结构；

将第一支承结构旋转地耦合到用于支承绕旋转轴的负载的第二支承结构，从而使负载的重心定位在远离该旋转轴的位置，该旋转轴是非垂直轴；

向绕该旋转轴的负载提供顺从运动范围；以及

利用该顺从运动范围操纵绕该旋转轴的该负载。

12.根据权利要求11的方法，其中所述操纵步骤包括手动地调节绕该旋转轴的该负载。

13.根据权利要求11的方法，其中提供顺从运动范围的所述步骤包括操作置于第一支承结构和第二支承结构之间的至少一个气动致动器。

14.根据权利要求11的方法，其中提供顺从运动范围的所述步骤包括在第一支承结构和第二支承结构之间提供至少一个弹簧。

15.根据权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：

通过在第一支承结构和第二支承结构之间的联接器向该负载提供至少一个附加运动范围。

16.根据权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：

将第二支承结构旋转地耦合到该负载以向该负载提供绕第二旋转轴的运动范围。

17.根据权利要求11的方法，进一步包括以下步骤：

通过第一支承结构向该负载提供第一个基本上垂直的运动范围；以及

通过第二支承结构向该负载提供第二个基本上垂直的运动范围，该第二个基本上垂直的运动范围与第一个基本上垂直的运动范围不同。

18.根据权利要求17的方法，其中提供的第一个基本上垂直的运动范围和第二个基本上垂直的运动范围中的至少一个是顺从的垂直运动范围。

19.根据权利要求18的方法，进一步包括以下步骤：

通过调整至少部分地提供顺从的垂直运动范围的流体压力来通过遥控单元调整负载在顺从的垂直运动范围内的位置。

20.一种操纵负载的装置，所述装置包括：

用于支承该负载的第一支承结构，所述第一支承结构向该负载提供第一个基本上垂直的运动范围；

用于支承该负载的第二支承结构，所述第二支承结构向该负载提供相对于所述第一个基本上垂直的运动范围的第二个基本上垂直的运动范围；以及

在所述第一支承结构和所述第二支承结构之间的联接器，所述联接器向负载提供沿一定方向或绕一轴的至少一个附加的运动范围，该附加的运动范围不是沿着基本上垂直的方向。

21.根据权利要求20的装置，其中所述第一个基本上垂直的运动范围与所述第二个基本上垂直的运动范围中的至少一个是顺从的垂直运动范围。

22.根据权利要求21的装置，其中通过调整供给所述装置的流体压力来调整该负载在该顺从运动范围内的位置，所述流体压力通过定位在远离所述装置的位置处的控制单元来调整。

23.根据权利要求20的装置，其中所述装置是用于操纵测试头的操纵器，该测试头用于测试集成电路。

24.根据权利要求20的装置，其中所述联接器是旋转联接器。

25.根据权利要求24的装置，其中所述旋转联接器包括顺从机构，该顺从机构用于提供附加运动范围作为绕旋转轴的旋转顺从运动范围。

26.根据权利要求24或25的装置，其中所述第二支承结构通过第二旋转联接器支承所述负载，所述第二旋转联接器向所述负载提供绕第二旋转轴的旋转运动范围。

27.根据权利要求25的装置，其中所述旋转轴不绕基本上垂直的平面旋转。

28.根据权利要求20的装置，其中所述至少一个附加运动范围包括基本上水平的运动范围。

29.一种操纵负载的方法，所述方法包括以下步骤：

将该负载移动到该负载的第一个基本上垂直的运动范围内的第一位置，由第一支承结构提供该第一个基本上垂直的运动范围；

将该负载移动到相对于第一个基本上垂直的运动范围的第二个基本上垂直的运动范围内的第二位置，由第二支承结构提供该第二个基本上垂直的运动范围；以及

提供在第一支承结构和第二支承结构之间的联接器，该联接器向该负载提供沿一定方向或绕一轴的附加运动范围，该附加运动范围不是沿着基本上垂直的方向。

30.根据权利要求29的方法，其中该第一个基本上垂直的运动范围与该第二个基本上垂直的运动范围中的至少一个是顺从运动范围。

31.根据权利要求30的方法，进一步包括以下步骤：

通过调整至少部分地提供顺从运动范围的流体压力来调整负载在顺从运动范围内的位置。

32.根据权利要求29的方法，其中提供联接器的所述步骤包括在第一支承结构和第二支承结构之间提供旋转联接器。

33.根据权利要求32的方法，其中旋转联接器向该负载提供绕旋转轴的旋转顺从运动范围。

34.根据权利要求32或33的方法，进一步包括以下步骤：

提供在第二支承结构和该负载之间的第二旋转联接器，该第二旋转联接器向该负载提供绕第二旋转轴的旋转运动范围。

35.根据权利要求29的方法，其中提供联接器的所述步骤包括在第一支承结构和第二支承结构之间提供联接器，该联接器向该负载提供沿基本上水平方向的附加运动范围。

36.一种用于远程改变调节控制机构的位置的装置，该调节控制机构调节用于至少部分支承负载的力，所述装置包括：

用于改变液体压力的远程单元，流体压力的变化与调节控制机构在至少一个方向上的位置变化相对应；

在所述远程单元和调节控制机构之间耦合的联接器，所述联接器配置为根据流体压力的变化来改变调节控制机构的位置；以及

用于提供从所述远程单元到所述联接器的流体压力变化的流体载体。

37.根据权利要求36的装置，其中将该调节控制机构配置为调节用于至少部分地支承在一定方向上或绕一轴处于顺从状态的负载的力。

38.根据权利要求37的装置，其中将该调节控制机构配置为调节用于至少部分地支承在基本上垂直方向上处于顺从状态的负载的力。

39.根据权利要求36的装置，其中调节控制机构的位置变化导致负载在其沿一定方向或绕一轴的运动范围内的位置的变化。

40.根据权利要求39的装置，其中调节控制机构的位置变化导致负载在其沿基本上垂直方向的运动范围内的位置的变化。

41.一种远程改变调节控制机构的位置的方法，该调节控制机构调节用于至少部分地支承负载的力，所述方法包括以下步骤：

通过远程单元改变流体压力，其中流体压力的变化与调节控制机构在至少一个方向上的位置变化相对应；

通过流体载体提供从远程单元到联接器的流体压力变化，该联接器耦合在远程单元和调节控制机构之间；以及

根据流体压力变化通过联接器来改变调节控制机构的位置。

42.根据权利要求41的方法，其中改变调节控制机构的位置的所述步骤导致力的相应变化，该力至少部分地支承在一定方向上或绕一轴处于顺从状态的负载。

43.根据权利要求42的方法，其中该力至少部分地支承在基本上垂直方向上处于顺从状态的负载。

44.根据权利要求41的方法，其中改变调节控制机构的位置的所述步骤导致负载在其沿一定方向或绕一轴的运动范围内的位置变化。

45.根据权利要求44的方法，其中负载在其运动范围内的位置变化是沿基本上垂直方向。

46.一种用于操纵负载的装置，所述装置包括：

用于支承该负载的支承结构，所述支承结构向该负载提供运动范围，所述运动范围是顺从运动范围；以及

远程单元，其用于调整通过流体载体的流体系统的流体压力，该流体系统提供用于支承在顺从运动范围内的负载的至少一部分力，

其中通过所述远程单元调整所述流体压力而对用于支承该负载的力进行调整。

47.根据权利要求46的装置，其中将所述远程单元配置为调整所述流体压力从而使处于基本上失重状态的负载在顺从运动范围内达到平衡。

48.根据权利要求46的装置，其中将所述远程单元配置为调整所述流体压力，从而调整该负载在顺从运动范围内的位置。

49.一种操纵负载的方法，所述方法包括以下步骤：

提供用于支承该负载的支承结构，该支承结构向负载提供顺从运动范围；以及

经远程单元改变通过流体载体的流体压力，其中该流体压力提供用于支承在顺从运动范围内的负载的至少一部分力。

50.根据权利要求49的方法，其中所述改变步骤包括改变流体压力从而使处于基本上失重状态的负载在顺从运动范围内达到平衡。

51.根据权利要求49的方法，其中所述改变步骤包括改变流体压力从而调整该负载在顺从运动范围内的位置。

52.一种操纵负载的方法，所述方法包括以下步骤：

通过对流体增压而至少部分地支承在一定方向上或绕一轴处于顺从状态的负载，从而利用第一手动控制量级的力使该负载沿该方向或绕该轴移动；以及

远程调整流体压力从而可以利用第二手动控制量级的力使该负载沿该方向或绕该轴移动，直到操作人员能够操纵沿该方向或绕该轴的该负载，第二手动控制量级的力小于该第一手动控制量级的力。

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