一種視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及平面并聯(lián)平臺(tái)位置測(cè)量與跟蹤控制，尤其涉及一種視覺設(shè)備作為傳感 器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 精密定位平臺(tái)是精密操作，精密制造，精密測(cè)量領(lǐng)域中的重要組成部分。傳統(tǒng)的精 密定位平臺(tái)通常是由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔順機(jī)構(gòu)構(gòu)成，其特點(diǎn)是高精度，響應(yīng)時(shí)間快；但其固 有的行程短的缺點(diǎn)限制了其使用的范圍。當(dāng)今技術(shù)發(fā)展導(dǎo)致跨尺度的使用場(chǎng)合越來越多， 大行程、高精度成為了精密定位平臺(tái)的瓶頸，為了實(shí)現(xiàn)大行程的目標(biāo)，宏微結(jié)合的方法被提 出。宏微結(jié)合的方法是把微動(dòng)平臺(tái)放到宏動(dòng)平臺(tái)上，采用大行程的宏動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行粗定位，然 后再用微動(dòng)的精密定位平臺(tái)進(jìn)行精定位。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，宏動(dòng)平臺(tái)的定位精度必須 在微動(dòng)平臺(tái)的工作空間內(nèi)，這就為宏動(dòng)平臺(tái)的定位精度提出了很高的要求。由于缺乏合適 的傳感器，傳統(tǒng)的并聯(lián)平臺(tái)都是半閉環(huán)的定位平臺(tái)，也就是只有關(guān)節(jié)閉環(huán)的平臺(tái)。由于實(shí)際 應(yīng)用當(dāng)中，加工誤差、裝配誤差、關(guān)節(jié)間隙、摩擦、彈性變形等各種不確定性因素廣泛存在， 盡管并聯(lián)平臺(tái)的關(guān)節(jié)能精確定位，但傳遞到平臺(tái)末端后，會(huì)引入各種前述的誤差，因此，必 須保證末端的定位精度，而不單純是關(guān)節(jié)的定位精度。
[0003]目前還沒有一種可以測(cè)量平面3自由度（兩個(gè)平動(dòng)，一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)）的傳感器可用于 平面并聯(lián)平臺(tái)的末端反饋。為了精確測(cè)量平面3自由度的誤差，可通過三個(gè)單自由度傳感 器，例如激光位移傳感器，通過一定的排布測(cè)量后計(jì)算平臺(tái)的位置與姿態(tài)角誤差，但這無疑 增加了整個(gè)機(jī)構(gòu)的體積，使得機(jī)構(gòu)不能應(yīng)用于例如掃描電鏡腔體等有尺寸限制的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于為了克服平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)沒有合適的平面3自由度測(cè)量傳感器 存在的問題和不足，提供一種視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置與方法。本發(fā) 明采用CCD相機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)并結(jié)合位置跟蹤反饋控制裝置作為傳感器，不僅能通過圖像 處理測(cè)量的方法解決平面3自由度的測(cè)量問題，還能實(shí)現(xiàn)末端位置與姿態(tài)角的實(shí)時(shí)反饋， 實(shí)現(xiàn)并聯(lián)平臺(tái)的全閉環(huán)控制，對(duì)提高平面并聯(lián)定位平臺(tái)的末端精度有顯著的作用。并且CCD 相機(jī)視覺測(cè)量設(shè)備只需要CCD相機(jī)、鏡頭、光源等設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，適合集成于空間 尺寸狹小的場(chǎng)合。本發(fā)明能使動(dòng)平臺(tái)在毫米級(jí)行程下達(dá)到亞微米級(jí)別定位精度。
[0005] 本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置，包括并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)、CCD相機(jī) 視覺測(cè)量系統(tǒng)、位置跟蹤反饋控制裝置；
[0007] 所述并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)包括：靜平臺(tái)4、設(shè)置在靜平臺(tái)4上方的動(dòng)平臺(tái)3、三臺(tái)超聲直線 電機(jī)1、超聲直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；動(dòng)平臺(tái)3具有三個(gè)轉(zhuǎn)軸，分別呈等邊三角形分布在動(dòng)平臺(tái) 3的外邊緣；三臺(tái)超聲直線電機(jī)1分別呈等邊三角形分布并安裝在靜平臺(tái)4的邊沿處；各超 聲直線電機(jī)1上安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)軸10的軸端分別通過一根從動(dòng)桿2連接動(dòng)平臺(tái)3的其中一個(gè) 轉(zhuǎn)軸；各超聲直線電機(jī)1上分別設(shè)有直線光柵編碼器5;
[0008] -臺(tái)超聲直線電機(jī)1、一根從動(dòng)桿2和動(dòng)平臺(tái)3的一個(gè)轉(zhuǎn)軸，組成一個(gè)并聯(lián)分支；
[0009] 三臺(tái)超聲直線電機(jī)1聯(lián)合驅(qū)動(dòng)從動(dòng)桿2,使動(dòng)平臺(tái)3移動(dòng)定位到目標(biāo)位置；
[0010] 超聲直線電機(jī)1運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)直線光柵編碼器5運(yùn)動(dòng)，用于檢測(cè)電機(jī)1實(shí)際位 置；
[0011] 動(dòng)平臺(tái)3上安裝有兩個(gè)直線分布的聚焦藍(lán)光激光的第一點(diǎn)光源標(biāo)志物8-1、第二 點(diǎn)光源標(biāo)志物8-2,作為視覺檢測(cè)特征物；
[0012] 所述CCD相機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)包括：置于動(dòng)平臺(tái)3上方的CCD相機(jī)11、安裝在CCD相 機(jī)11端部的鏡頭6、設(shè)置在鏡頭6 -側(cè)的相機(jī)光源9、USB接口、計(jì)算機(jī)；所述C⑶相機(jī)11 通過USB接口連接計(jì)算機(jī)；
[0013] 鏡頭6垂直并正對(duì)動(dòng)平臺(tái)3,使鏡頭6的中心點(diǎn)與動(dòng)平臺(tái)3的原點(diǎn)重合；
[0014] 所述位置跟蹤反饋控制裝置包括：具有增量式編碼器接口模塊和D/AC接口的 Dspace半物理仿真控制器，所述D/AC接口連接超聲直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，各直線光柵編碼器 5與增量式編碼器接口模塊連接，增量式編碼器接口模塊連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接D/AC接 □〇
[0015] 所述CCD相機(jī)11還具有一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)包括帶活動(dòng)關(guān)節(jié)的支架7和用 于固定支架7的磁性底座12,所述CCD相機(jī)11固定在支架7的端部。
[0016] 上述視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置的控制方法如下：
[0017] (-）CCD相機(jī)視覺測(cè)量步驟
[0018]C⑶相機(jī)11拍照獲取動(dòng)平臺(tái)3圖像信號(hào)，并通過USB接口傳輸給計(jì)算機(jī)；
[0019] 計(jì)算機(jī)獲取圖像信號(hào)后經(jīng)過圖像處理，提取動(dòng)平臺(tái)3上第一點(diǎn)光源標(biāo)志物8-1及 第二點(diǎn)光源標(biāo)志物8-2的特征，計(jì)算得到坐標(biāo)；
[0020] 通過第一點(diǎn)光源標(biāo)志物8-1及第二點(diǎn)光源標(biāo)志物8-2坐標(biāo)計(jì)算動(dòng)平臺(tái)3運(yùn)動(dòng)的平 移量AX，Ay與轉(zhuǎn)動(dòng)角度A0;
[0021] 動(dòng)平臺(tái)3的兩個(gè)平動(dòng)位移值A(chǔ)X，Ay和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值A(chǔ)0通過以下公式計(jì)算 出：
[0022] 設(shè)第一點(diǎn)光源標(biāo)志物8-1運(yùn)動(dòng)前的坐標(biāo)為（XpyD，運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)為（x/，y/ )， 第二點(diǎn)光源標(biāo)志物8-2運(yùn)動(dòng)前的坐標(biāo)為（x2,y2)，運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)為（x' 2,y'J，設(shè)運(yùn)動(dòng)前第 一點(diǎn)光源標(biāo)志物8-1與第二點(diǎn)光源標(biāo)志物8-2組成矢量S= ((x2_Xl)，（y2_yi))，運(yùn)動(dòng)后變 為矢量S' =((V_Xl' )，（y2' -y/ ));
[0023] 動(dòng)平臺(tái)3平移量
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置，其特征在于，包括并聯(lián)平臺(tái)機(jī) 構(gòu)、CCD相機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)、位置跟蹤反饋控制裝置； 所述并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)包括：靜平臺(tái)（4)、設(shè)置在靜平臺(tái)（4)上方的動(dòng)平臺(tái)（3)、三臺(tái)超聲直 線電機(jī)（1)、超聲直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；動(dòng)平臺(tái)（3)具有三個(gè)轉(zhuǎn)軸，分別呈等邊三角形分布在 動(dòng)平臺(tái)（3)的外邊緣；三臺(tái)超聲直線電機(jī)（1)分別呈等邊三角形分布并安裝在靜平臺(tái)（4) 的邊沿處；各超聲直線電機(jī)⑴上安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)軸（10)的軸端分別通過一根從動(dòng)桿⑵連接 動(dòng)平臺(tái)（3)的其中一個(gè)轉(zhuǎn)軸；各超聲直線電機(jī)（1)上分別設(shè)有直線光柵編碼器（5); 一臺(tái)超聲直線電機(jī)（1)、一根從動(dòng)桿（2)和動(dòng)平臺(tái)（3)的一個(gè)轉(zhuǎn)軸，組成一個(gè)并聯(lián)分 支； 三臺(tái)超聲直線電機(jī)（1)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)從動(dòng)桿（2)，使動(dòng)平臺(tái)（3)移動(dòng)定位到目標(biāo)位置； 超聲直線電機(jī)（1)運(yùn)動(dòng)過程中帶動(dòng)直線光柵編碼器（5)運(yùn)動(dòng)，用于檢測(cè)電機(jī)（1)實(shí)際 位置； 動(dòng)平臺(tái)（3)上安裝有兩個(gè)直線分布的聚焦藍(lán)光激光的第一點(diǎn)光源標(biāo)志物（8-1)、第二 點(diǎn)光源標(biāo)志物（8-2)，作為視覺檢測(cè)特征物； 所述CCD相機(jī)視覺測(cè)量系統(tǒng)包括：置于動(dòng)平臺(tái)（3)上方的CCD相機(jī)（11)、安裝在CCD相 機(jī)（11)端部的鏡頭（6)、設(shè)置在鏡頭（6) -側(cè)的相機(jī)光源（9)、USB接口、計(jì)算機(jī)；所述CCD 相機(jī)（11)通過USB接口連接計(jì)算機(jī)； 鏡頭（6)垂直并正對(duì)動(dòng)平臺(tái)（3)，使鏡頭（6)的中心點(diǎn)與動(dòng)平臺(tái)（3)的原點(diǎn)重合； 所述位置跟蹤反饋控制裝置包括：具有增量式編碼器接口模塊和D/AC接口的Dspace 半物理仿真控制器，所述D/AC接口連接超聲直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，各直線光柵編碼器（5)與 增量式編碼器接口模塊連接，增量式編碼器接口模塊連接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)連接D/AC接口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述視覺設(shè)備作為傳感器的并聯(lián)平臺(tái)跟蹤控制裝置，其特征在于： 所述CCD相機(jī)（11)還具有一個(gè)支撐機(jī)構(gòu)，該支撐機(jī)構(gòu)包括帶活動(dòng)關(guān)節(jié)的支架（7)和用于固 定支架（7)的磁性底座（12)，所述CCD相機(jī)（11)固定在支架（7)的端部。
3. 權(quán)利要求1或