一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种视觉伺服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、视觉传感测量反馈子系统、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3‑RRR宏动并联机构输出端的3‑RRR微动柔顺并联机构，所述视觉传感测量反馈子系统用于实时采集宏微并联平台子系统的位姿图像反馈至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，用于实时控制宏微结合并联机构末端位置。本发明专利技术还公开了一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位方法。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统及方法
本专利技术涉及宏微结合并联机构精密定位及控制，尤其是涉及一种基于视觉测量设备作为传感器结合电容传感器的平面三自由度宏微结合并联机构精密定位控制系统与方法。
技术介绍
精密定位平台在扫描探针显微镜样品扫描台、纳米压印光刻、微纳操作、MEMS精密电子制造、精密加工、微测量等许多领域应用广泛。当今技术发展导致需要大行程、高精度精密定位的使用场合越来越多。大行程驱动以及传动方式如精密丝杠传动的精度局限在微米级；而纳米级精度定位平台(以压电陶瓷驱动器为代表)，虽然具备纳米级的定位精度，但是行程通常只有几十微米。为了实现扩大机构定位扩大行程同时兼顾高分辨率的目标，宏微结合并联机构精密定位的方法被提出。许多国内外著名公司与研究机构开发了较大行程的精密定位平台，但大多局限于单自由度与平面二自由度精密定位，并且以激光干涉仪作为平台闭环反馈检测仪器，价格昂贵。宏微结合并联机构是由两部分组成：一个是用地面为参考物的大行程并联宏动机构，实现系统的大范围的移动和定位的宏动台；另外一个是由附着在宏动台上的实现高定位精度的并联微动机构，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。为了达到大行程纳米级定位具体步骤是由宏动平台跟踪参考位置信号完成宏定位后(即宏运动位置误差进入微定位行程范围)，需要用微动平台进行纳米级定位。目前还没有一种可以实现平面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宏微结合并联机构，并且通过视觉图像处理测量的方法同时测量宏动并联机构位置、标定宏动并联机构与微动并联机构的相对位置、微动并联机构位置、实现末端位置与姿态角的实时反馈的检测方式。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。本专利技术的目的是提供一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统及方法。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案实现：一种视觉伺服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、视觉传感测量反馈子系统、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宏动并联机构输出端的3-RRR微动柔顺并联机构，所述视觉传感测量反馈子系统用于实时采集宏微并联平台子系统的位姿图像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，用于实时控制宏微结合并联机构末端位置。进一步地，所述的3-RRR宏动并联机构包括动平台，三个与所述动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动平台活动铰接，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、以及三个用于驱动动平台运动的并联式传递机构，所述末端微动平台上设置有两个小孔，且其中一个小孔位于末端微动平台中心位置；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，所述的电容式位移传感器和压电陶瓷驱动器通过电路连接系统控制与驱动子系统。进一步地，所述的视觉传感测量反馈子系统包括通过支架固定在所述宏微并联平台子系统上方的工业相机、与相机相连的可变焦相机镜头、安装在所述末端微动平台小孔内的两个LED点光源标志物，所述可变焦相机镜头垂直正对动平台安装且通过串口通讯模块与计算机相连接。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、运动控制卡，所述的运动控制卡通过电路分别连接压电陶瓷驱动器、伺服电机驱动器，所述计算机通过电路连接视觉传感测量反馈子系统。一种基于所述的视觉伺服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，通过视觉传感测量反馈子系统检测并确定3-RRR宏动并联机构位姿的误差并反馈到系统控制与驱动子系统，所述系统控制与驱动子系统将3-RRR宏动并联机构的实际位姿和期望位姿作差产生偏差信号，所述偏差信号通过相应的位置控制算法产生控制信号，使3-RRR宏动并联机构运动到期望位置完成粗定位；(2)调整视觉传感测量反馈子系统的检测模式，从大视场低精度转为小视场高精度，确定3-RRR微动柔顺并联机构的末端位姿和目标位姿的偏差，所述系统控制与驱动子系统根据该偏差控制3-RRR微动柔顺并联机构精密定位。进一步地，所述步骤1和2中，所述视觉传感测量反馈子系统通过检测位于末端微动平台的两个LED发光标志物确定末端微动平台的位姿误差。进一步地，所述步骤(1)和(2)中，所述视觉传感测量反馈子系统通过如下步骤测量末端微动平台在水平方向上的平动位移和转动角度：(11)所述视觉传感测量反馈子系统将采集到的两个LED发光标志物图像数据通过串口通信模块以一定格式发送给系统控制与驱动子系统的计算机；(12)所述计算机获取图像数据后提取LED发光标志物特征，确定LED发光标志物的坐标并计算出动平台在平面三自由度运动的位移Δa,Δb与转角α。进一步地，所述计算出动平台在平面三自由度运动的位移Δa,Δb与转角α的步骤具体包括：(121)设位于末端微动平台中心位置的LED发光标志物发生位移前的坐标为(ao,bo)，位移后的坐标为(a′o,b′o)；另一LED发光标志物发生位移前的坐标为(am,bm)，位移后的坐标为(a′m,b′m)，则末端微动平台初始位置时两个LED发光标志物组成矢量i＝((am-ao),(bm-bo))，运动后两个LED发光标志物变成矢量i′＝((a′m-a′o),(b′m-b′o))；(122)末端微动平台在平面上的二自由度平移量即为Δa＝a′o-ao，Δb＝b′o-bo；若Δa大于零，表示动平台向a轴正方向运动，若Δa小于零，表示动平台向a轴负方向运动；若Δb大于零，表示动平台向b轴正方向运动，若Δb小于零，表示动平台向b轴负方向运动；(123)末端微动平台的转动角度为：其中i·i′＝(am-ao)(a′m-a′o)+(bm-bo)(b′m-b′o)，|i|2＝(am-ao)2+(bm-bo)2，若α大于零，表示动平台顺时针转动，若α小于零，表示动平台逆时针转动。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7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。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本专利技术提出一种3-RRR构型的宏动并联机构叠加3-RRR构型的微动并联机构的宏微结合并联机构，可以实现平面三自由度(两个平动一个转动)的大行程纳米级精密定位功能。(2)本专利技术利用机器视觉检测方式使用可变焦镜头从大视场低精度切换到小视场高精度，只需要一套测量仪器即实现宏动并联机构和微动并联机构的位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种视觉伺服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、视觉传感测量反馈子系统、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宏动并联机构输出端的3‑RRR微动柔顺并联机构，所述视觉传感测量反馈子系统用于实时采集宏微并联平台子系统的位姿图像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，用于实时控制宏微结合并联机构末端位置。

【技术特征摘要】
1.一种视觉伺服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、视觉传感测量反馈子系统、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宏动并联机构输出端的3-RRR微动柔顺并联机构，所述视觉传感测量反馈子系统用于实时采集宏微并联平台子系统的位姿图像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，用于实时控制宏微结合并联机构末端位置。2.根据权利要求1所述的视觉伺服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宏动并联机构包括动平台，三个与所述动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动平台活动铰接，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1所述的视觉伺服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、以及三个用于驱动动平台运动的并联式传递机构，所述末端微动平台上设置有两个小孔，且其中一个小孔位于末端微动平台中心位置；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，所述的电容式位移传感器和压电陶瓷驱动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所述的视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统，其特征在于：所述的视觉传感测量反馈子系统包括通过支架固定在所述宏微并联平台子系统上方的工业相机、与相机相连的可变焦相机镜头、安装在所述末端微动平台小孔内的两个LED点光源标志物，所述可变焦相机镜头垂直正对动平台安装且通过串口通讯模块与计算机相连接。5.根据权利要求3所述的视觉伺服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、运动控制卡，所述的运动控制卡通过电路分别连接压电陶瓷驱动器、伺服电机驱动器，所述计算机通过电路连接视觉传感测量反馈子系统。6.一种基于根据权利要求1至5中任一项所述的视觉伺服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，通过视觉传感测量反馈子系统检测并确定3-RRR宏动并联机构位姿的误差并反馈到系统控制与驱动子系统，所述系统控制与驱动子系统将3-RRR宏动并联机构的实际位姿和期望位姿作差产生偏差信号，所述偏差信号通过相应的位置控制算法产生控制信...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宪民，余竞，谢凌波，王瑞洲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44