一种视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统技术方案

本实用新型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。本实用新型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。

A planar three degree of freedom macro micro composite positioning system based on visual servoing

The utility model discloses a planar three-degree-of-freedom macro-micro composite positioning system with visual servo, which comprises a support platform, a system control and drive subsystem, a visual sensing measurement feedback subsystem, and a macro-micro parallel platform subsystem arranged on the support platform. The macro-micro parallel platform subsystem comprises a support. The 3_RRR macro-parallel mechanism on the platform and the 3_RRR micro-flexible parallel mechanism fixed at the output of the 3_RRR macro-parallel mechanism are described. The vision sensing measurement feedback subsystem is used to collect the position and attitude images of the macro-micro parallel platform subsystem in real time and feedback them to the system control and drive subsystem. The circuit is connected with the macro micro parallel platform subsystem circuit. The utility model also has a fast and efficient plane three degree of freedom coarse positioning and nanometer precise positioning.

【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
本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。
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，本技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。本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。为达到上述目的，本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。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；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。进一步地，所述伺服电机配置有用于检测伺服电机实际位置24位增量式编码器。进一步地，所述的位移传感器为电容式位移传感器。进一步地，所述的运动控制卡采用GALILDMC-1886八轴运动控制卡。进一步地，所述末端微动平台上的两个小孔中的其中一个小孔位于末端微动平台中心位置。进一步地，所述的可变焦相机镜头采用至少10倍的电动变焦镜头。本技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：(1)本技术提出一种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检测和全闭环控制，成本较低。(3)本技术利用机器视觉检测宏微结合并联机构的平台位置，是非接触式测量，具有不增加结构附加质量、不改变结构特征、测量精度高的优点。附图说明图1为本技术实施例的基于视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统立体结构示意图。图2为本技术实施例的3-RRR微动柔顺并联机构结构示意图。图3是图1中3-RRR微动柔顺并联机构上通过发光标志物计算两个平动和一个转动自由度的计算原理图。图4为图1的去掉相机及支架的宏微并联平台子系统侧视图。图5为本技术实施例的基于视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统侧视图。图6为基于视觉伺服的平面三自由度宏微复合定位系统工作流程示例。图7为基于视觉伺服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8为图7中在位移位置5mm处的轨迹放大示意图。图9为图7中在位移位置10mm处的轨迹放大示意图。图中示出：1—工业相机，2—可变焦相机镜头，3—3-RRR微动柔顺并联机构，4—3-RRR宏动并联机构，5—伺服电机，6—压电陶瓷驱动器，7—位移传感器，8—LED点光源标志物。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术做进一步详细说明，但本技术的实施不限于此。如图1所示，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4、固定在所述3-RRR宏动并联机构4输出端的3-RRR微动柔顺并联机构3，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，下面结合图对上述各单元进行具体说明。如图1、图4和图5所示，所述的3-RRR宏动并联机构4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5、固定在所述伺服电机5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5的型号为SGM7A-15AFA61，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5配置的是24位增量式编码器用于检测电机实际位置。如图2所示，所述的3-RRR微动柔顺并联机构3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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【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。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；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。...

【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：新型
国别省市：广东,44