[发明专利]一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密制造、精密测量、精密定位领域，特别涉及一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，精密制造、精密测量及精密定位技术在科研前沿和工业生产中占据越来越重要的地位。如在生物工程，精密机械工程或材料科学领域中，常需使用微纳操作系统对样本进行研究。微纳操作系统包括观测器，定位平台与操纵器，现有商用观测器如扫描电子显微镜(SEM)等，其配备的定位平台常采用串联结构，精度低、易累积误差，不满足高精密操作的要求。

为达到高精度的定位要求，针对串联结构误差累计大、刚度低的缺点，研究者们提出了并联机构的概念；针对传统机构难以规避运动副间隙及装配误差等缺点，提出了柔顺机构的概念。

并联机构是指动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。它具有高刚度、高负载以及快速响应等特点。目前得到广泛应用的有Delta机构、Stewart机构、Tricept机构等。柔顺机构是指在外力或力矩作用下，利用材料弹性变形产生类似传统机构运动的一种运动副形式。它具有高精度、免装配、无间隙和摩擦等特点。目前已被广泛运用于微定位，微操作及微装配等领域。

然而，由于受工作原理限制，柔顺机构通常仅具有微米级的工作空间；并联机构能轻易实现毫米级以上工作空间，却难达到亚微米级定位精度。为解决大行程与高精度这一矛盾，研究者提出了宏微结合的定位方法，如K.H.帕克(K.H.PARK音译)等人所著论文《High Speed Micro Positioning System Based on Coarse/Fine Pair Control》中的实验样机。宏微结合的定位方法，能使机构具有毫米级行程与纳米级定位精度。但该方法需保证宏动平台的运动能精确定位至微动平台的工作空间内(通常为微米或亚微米级)，这就给宏动并联精密定位平台提出了极高的性能要求。

目前宏微结合的定位方法中，采用宏动并联机构与微动柔顺机构结合的方式相对较少。其中宏动并联机构设计上通常采用电磁旋转式电机(包括伺服电机、步进电机等)进行驱动，需要安装减速机构来降低转速，提高力矩，如高名旺所著论文：《平面并联机器人设计、分析与控制》中的3-RRR实验样机。这既增加了机构的结构复杂性，不利于SEM等空间狭小的地方应用，又使机构不可避免地产生了间隙、弹性形变及摩擦等非线性因素的影响，降低了机构的定位精度。此外，传统直线驱动的机械传动结构：如王晓云(Xiaoyun Wang音译)等人所著论文《Experimental Identification and Active Control of Configuration Dependent Linkage Vibration in a Planar Parallel Robot》中的实验样机,会引入滚珠丝杠、轴承等部件的间隙误差，导程误差等非线性因素，使得机构定位精度通常只能达到微米级。另一方面，电磁电机工作会产生电磁场，在某些对电磁场有严格限制的使用环境(如扫描电子显微镜真空腔)中并不适用。

公开号为CN1562578A的专利提出了一种宏微一体化的新型精密定位并联机器人，其思路是采用了柔顺铰链部分代替传统运动副以消除间隙。该方案的缺陷在于使机构的刚度及承重能力下降，高速定位运动中容易产生振动。

此外，以上所提及机构及目前已查文献，均未考虑对并联机构支链装配误差进行消除。并联机构尤其是平面并联机构，各支链的装配误差会导致动平台倾斜或变形，影响机构定位精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统。

本发明的另一目的在于提供一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微纳操作环境下的精密宏动并联定位系统，包括顺序相连的机械本体、标定装置和控制装置，通过标定装置标定机械本体的运动学参数，输入到控制装置进行实时补偿，再通过控制装置驱动机械本体按预定轨迹实现精密定位。

所述的机械本体，具有两平动一转动的自由度，包括底座、三组以上的相同的超声电机驱动支链，以及动平台；

其中，底座与地面或腔体内壁固定连接；超声电机驱动支链沿底座中心轴对称分布且与底座固定连接，相对底座平动及转动；动平台与超声电机驱动支链固定连接，相对超声电机驱动支链转动。

所述的标定装置，包括激光位移跟踪仪测量模块和直线光栅测量模块；