一种位姿调节平台

1.本发明涉及六自由度平台技术领域，尤其涉及一种位姿调节平台。


背景技术：

2.同步辐射光源光束线站设备、实验样品的定位精度越来越高，对光学元件位置与姿态都提出了新的要求。光束线站样品测试台要求对支撑物有较高的稳定性以及多维度的调节功能。
3.现有的六个连杆并联调姿方案，采用六个连杆直接支撑上平台，每个连杆的伸缩通过步进电机驱动滚珠丝杆丝母副的形式实现。通过六个连杆的伸缩量控制上平台运动姿态。
4.该设置的缺点如下：
5.(1)支撑连杆的长短决定了整个平台高度方向的空间。支撑连杆上包含步进电机、滚珠丝杆丝母等调节机构，导致高度方向的空间难以压缩。同时，连杆长短也决定了各个方向的行程量。当需要较大的水平或高度行程量时，连杆的长度较长，导致调姿平台占用较大的高度空间。
6.(2)支撑连杆上的调节机构直接支撑起上平台，调姿平台的承载力直接取决于调节滚珠丝杆丝母副的驱动力，其中，驱动力至少需大于承载力


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种位姿调节平台，在需要相同的高度行程量的前提下，减小占用高度方向的空间；在承载相同重量的物体的前提下，减小驱动力的需求。
8.为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
9.本发明提供一种位姿调节平台，该位姿调节平台包括：
10.载物台，所述载物台的一端设有至少六个第一安装件，所述载物台具有最高位置和最低位置；
11.支撑件，所述支撑件的数量与所述第一安装件的数量相同，且一一对应设置，所述支撑件的一端通过球头轴承和所述第一安装件活动连接；
12.滑动件，所述滑动件的数量与所述支撑件的数量相同，且一一对应设置，所述支撑件的另一端通过所述球头轴承和所述滑动件活动连接；所述滑动件具有初始位置和终点位置，若干所述滑动件在所述初始位置和终点位置之间滑动，驱动所述载物台在所述最高位置和所述最低位置之间倾斜和/或升降和/或旋转；若干所述滑动件的滑动方向均平行于处于所述最低位置的所述载物台的承载面；
13.驱动件，所述驱动件用于驱动所述滑动件在所述初始位置和所述终点位置之间滑动。
14.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述位姿调节平台还包括安装台，所述安装
台为平板状结构，若干所述滑动件均设置在所述安装台，且均在平行于所述安装台的台面方向滑动。
15.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述位姿调节平台还包括丝杆和螺母，所述丝杆滚动设于所述安装台，所述螺母和所述丝杆螺纹配合，所述滑动件滑动设于所述安装台，且连接于所述螺母。
16.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述驱动件包括步进电机，所述步进电机设于所述安装台，所述步进电机的输出端连接于所述丝杆。
17.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述驱动件包括压电陶瓷惯性电机，所述压电陶瓷惯性电机设于所述安装台，所述滑动件设于所述压电陶瓷惯性电机的输出端。
18.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述位姿调节平台包括光栅尺，所述光栅尺设于所述压电陶瓷惯性电机，用于检测所述压电陶瓷惯性电机的输出端的位移量。
19.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述支撑件包括上杆、下杆和压电陶瓷促动器，所述上杆的一端通过所述球头轴承连接于所述第一安装件，所述下杆的一端通过所述球头轴承和所述滑动件连接，所述压电陶瓷促动器设于所述上杆的另一端和所述下杆的另一端之间。
20.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述上杆和/或所述下杆的长度可调。
21.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述位姿调节平台还包括第一振动测量件、第二振动测量件和控制器，所述第一振动测量件设于所述安装台，所述第二振动测量件设于所述载物台，所述控制器根据所述第一振动测量件测得的振动值和所述第二振动测量件测得的振动值利用自适应算法控制所述压电陶瓷促动器。
22.作为一种位姿调节平台的优选方案，所述第一安装件的安装面与所述载物台所在平面之间的夹角在30度-80度之间。
23.本发明的有益效果为：
24.本发明提供一种位姿调节平台，该位姿调节平台包括：
25.通过设于载物台的第一安装件和滑动件上的支撑件实现载物台的升降和/或角度调节，支撑件的长度需求较短，避免了导致位姿调节平台占用较大的高度空间。尤其是当高度调节行程较小时，支撑件相较于伸缩杆的长度优势更加明显。支撑件长度的减小，使得位姿调节平台的总高度和重心降低，进而提高了位姿调节平台的稳定性。另外，由于载物台的升降是通过滑动件的移动实现，因此，驱动件只需要克服滑动摩擦力即可，相比直接举升重物，驱动件需要更小的动力。
附图说明
26.图1为本发明实施例中位姿调节平台的结构示意图；
27.图2为本发明实施例中位姿调节平台的结构示意图，包含压电陶瓷促动器；
28.图3为本发明实施例中载物台的结构示意图；
29.图4为本发明实施例中位姿调节平台的方位示意图一；
30.图5为本发明实施例中位姿调节平台的方位示意图二；
31.图6为本发明实施例中位姿调节平台的方位示意图二，不包含载物台；
32.图7为本发明实施例中主动减振算法原理图。
33.图中：
34.x、第一水平方向；y、第二水平方向；z、竖直方向；
35.a、第一轴；b、第二轴；
36.u、第一方向；v、第二方向；w、第三方向；
37.100、反馈系统；101、数字滤波器；102、算法模块；
38.1、载物台；11、第一安装件；12、第一振动测量件；
39.2、支撑件；21、上杆；22、下杆；23、压电陶瓷促动器；
40.3、滑动件；31、第二安装件；
41.4、驱动件；41、丝杆；
42.5、安装台；51、第二振动测量件；
43.6、光栅尺；
44.7、球头轴承。
具体实施方式
45.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
46.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
48.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
49.如图1-6所示，本实施例提供一种位姿调节平台该位姿调节平台包括载物台1、支撑件2、滑动件3和驱动件4。其中，载物台1的一端设有至少六个第一安装件11，载物台1具有最高位置和最低位置；支撑件2的数量与第一安装件11的数量相同，且一一对应设置，支撑件2的一端通过球头轴承7和第一安装件11活动连接；滑动件3的数量与支撑件2的数量相同，且一一对应设置，支撑件2的另一端通过球头轴承7和滑动件3活动连接；滑动件3具有初
始位置和终点位置，若干滑动件3在初始位置和终点位置之间滑动，驱动载物台1在最高位置和最低位置之间倾斜和/或升降和/或旋转；若干滑动件3的滑动方向均平行于处于最低位置的载物台1的承载面；驱动件4的数量与滑动件3的数量相同，且一一对应设置，驱动件4用于驱动滑动件3在初始位置和终点位置之间滑动。
50.通过设于载物台1的第一安装件11和滑动件3上的支撑件2实现载物台1的升降和/或角度调节，其中，滑动件3滑动过程中，改变了支撑件2相对载物台1的角度，进而实现了载物台1的角度变化或者升降，支撑件2的长度需求较短，避免了导致位姿调节平台占用较大的高度空间。尤其是当高度调节行程较小时，支撑件2相较于伸缩杆的长度优势更加明显。支撑件2长度的减小，使得位姿调节平台的总高度和重心降低，进而提高了位姿调节平台的稳定性。另外，由于载物台1的升降是通过滑动件3的移动实现，因此，驱动件4只需要克服滑动摩擦力即可，相比伸缩杆直接举升重物，同样重物的前提下，驱动件4需要更小的动力。
51.可选地，滑动件3上设有第二安装件31，支撑件2的另一端通过球头轴承7和第二安装件31连接。
52.可选地，位姿调节平台还包括安装台5，安装台5为平板状结构，若干滑动件3均设置在安装台5，且均在平行于安装台5的台面方向滑动。借助安装台5的设置，便于实现滑动件3的安装，且便于保证滑动件3在同一平面滑动，简化设备的控制逻辑的设计。当然，在其他实施例中，安装台5还可以为框架结构，并不以此为限，只要能实现滑动件3的安装即可。
53.当载物台1在某个方向的角度变化较小或不需要变化时，可以缩短相应的支撑件2的长度，进而节约安装空间，且能降低成本。本实施例中，安装台5设有多个，多个安装台5相互平行，且在竖直方向z上间隔设置，各滑动件3分别设置在不同的安装台5上。该设置使得各个滑动件3可以不在同一平面进行滑动，以适应不同的安装环境或使用要求，进而节省成本。
54.本实施例中，可选地，位姿调节平台还包括丝杆41和螺母，丝杆41滚动设于安装台5，螺母和丝杆41螺纹配合，滑动件3滑动设于安装台5，且连接于螺母。借助上述结构的设置，能实现对滑动件3的滑动驱动，且丝杆41和螺母的配合螺纹为梯型螺纹，能实现自锁功能，避免断电后的载物台1移动，提高了载物台1的稳定程度。可选地，固定架设于安装台5，丝杆41转动设于固定架，滑动件3滑动设于固定架。进一步地，安装台5设有安装槽，固定架安装在安装槽内。
55.关于驱动件4的设置，本实施例中，可选地，驱动件4包括步进电机，步进电机设于安装台5，步进电机的输出端连接于丝杆41。步进电机的设置，使得丝杆41的转动可以精准控制。具体地，还可以在步进电机和丝杆41之间设置减速装置，进一步提高控制精度。本实施例中，只需要对位姿调节平台进行rs485的通信，并向步进电机供电即可实现位姿调节平台的调节操作。需要说明的是，rs485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义，为本领域技术人员所熟知，因此，其具体工作原理在此不再赘述。
56.本实施例中，在调节机构行程
±
10mm的行程下，载物台1实现以下调节，第一水平方向x
±
10mm，第二水平方向y
±
10mm，竖直方向z
±
5.5mm，绕第一轴a旋转
±
5度，绕第二轴b旋转
±
5度，绕第三轴旋转
±
10度，其中，第三轴垂直于载物台1且过载物台1的中心。平均平移重复定位精度2um，平均旋转重复定位精度0.002度，其中，第一轴a平行于第一水平方向
x，第二轴b平行于第二水平方向y，第三轴同时垂直于第一水平方向x和第二水平方向y。
57.在另一实施例中，驱动件4包括压电陶瓷惯性电机，压电陶瓷惯性电机设于安装台5，滑动件3设于压电陶瓷惯性电机的输出端。该设置能够实现一维方向的大行程纳米级调节分辨率，具备纳米级别的单步进量。
58.压电陶瓷惯性电机的优点是能实现大行程的纳米移动，但缺点是驱动力较小，因此承载能力相对低。但本实施例中的位姿调节平台的结构优点是驱动件4主要用于推动滑块在平面上的滑动，因此，需要的驱动力较小。每个驱动件4的驱动力大约为其中，f为驱动力，g为承载力，即物体的重力，μ为滑动摩擦系数。在本实施例中，示例性地，载物台1位于最低位置时，θ角为60度，滑动摩擦系数为0.01的情况下，驱动力仅需大于承载力的1/12。因此，压电陶瓷惯性电机应用在本实施例中，同样的驱动件4能比常规的六自由度平台提高一倍的承载能力，实现了优缺点的互补，既能实现高精度调节，还能提供较大的支撑力。
59.由于压电陶瓷惯性电机依靠的是惯性移动，移动精度不高。因此，本实施例中，优选地，位姿调节平台包括光栅尺6，光栅尺6设于压电陶瓷惯性电机，用于检测压电陶瓷惯性电机的输出端的位移量。通过搭配光栅尺6能实现压电陶瓷惯性电机纳米级别的移动调节。需要说明的是，光栅尺6的使用方法为本领域的技术人员所熟知，因此，光栅尺6的安装和调试步骤在此不再赘述。
60.进一步地，球头轴承7采用零间隙带滚动钢珠的球头轴承7，以实现纳米级精度的调节。
61.当安装滑动件3的安装台5或者其他装置出现振动时，会影响载物台1的精度。
62.为此，本实施例中，优选地，支撑件2包括压电陶瓷促动器23，压电陶瓷促动器23通过球头轴承7和滑动件3连接；压电陶瓷促动器23的输出端通过球头轴承7和第一安装件11连接。可选地，支撑杆还包括上杆21和下杆22，上杆21的一端通过球头轴承7连接于第一安装件11，下杆22的一端通过球头轴承7连接于第二安装件31，压电陶瓷促动器23设于上杆21的另一端和下杆22的另一端之间。压电陶瓷促动器23的设置能够实现载物台1更高精度的调整。并且，将压电陶瓷促动器23设于上杆21和下杆22之间，便于对上杆21和下杆22进行加工以适应电陶瓷促动器23和球头轴承7。可选地，上杆21和/或下杆22长度可调。示例性地，上杆21包括第一杆、第二杆和螺套，第一杆的一端和第二杆的一端均设有螺柱，分别螺接于螺套的两端，第一杆和第二杆的另一端分别连接于第一安装件11和压电陶瓷促动器23。该设置配合多个安装台5可以根据载物台1的升降以及翻转要求设置各上杆21的长度，进一步降低成本。优选地，螺套的径向设有两个贯穿螺套的锁紧孔，两个锁紧螺钉分别螺接于两个锁紧孔并在穿过锁紧螺孔后分别抵接于第一杆和第二杆。
63.当然，在本实施例的其他实施方式中，上杆21可以铰接于第一安装件11，下杆22可以铰接于第二安装件31。
64.可选地，位姿调节平台还包括第一振动测量件12、第二振动测量件51和控制器，第一振动测量件12设于安装台5，第二振动测量件51设于载物台1，控制器根据第一振动测量件12测得的振动值和第二振动测量件51测得的振动值利用自适应算法控制压电陶瓷促动器23，从而使载物台1的振动衰减，达到隔振目的。该设置能实现位姿调节平台的主动减振
功能。其中，第一振动测量件12和第二振动测量件51均为压电陶瓷传感器。
65.其中，当支撑件2中的压电陶瓷促动器23的长度保持不变时，仅底层压电陶瓷惯性电机移动时，位姿调节平台为调姿模式。当底层的压电陶瓷惯性电机不动时，仅压电陶瓷促动器23自动调节时，位姿调节平台处于主动减振模式。
66.其中，主动减振算法的原理是通过自适应算法进行滤波器权值的递归计算与调整，最终寻求使结构响应误差信号均方根值达到极小的最佳权值。
67.主动减振系统的lms(least mean square)算法原理如下图7所示。
68.具体地，将lms算法用于振动控制的反馈系统100中，系统误差信号e(n)即上载物台1的振动值，由第一振动测量件12测得，当误差信号达到极小值，即载物台1振动达到极小值。系统的误差通过第一振动测量件12进行测量后，作为数字滤波器101的输入，而数字滤波器101的输出y(n)即是压电陶瓷促动器23的调节量。
69.系统误差信号e(n)由外界扰动引起的d(n)与压电陶瓷促动器23作用在载物台1上的输出y(n)组成，为使控制系统误差信号e(n)最小，通过算法模块102利用最速下降法优化数字滤波器101的系数，其中，d(n)由第二振动测量件51测得，z-1
为一步时间步长的延时因素。
70.可选地，第一安装件11的安装面与载物台1所在平面之间的夹角在30度-80度之间。优选地，第一安装件11的安装面与载物台1所在平面之间的夹角在60度，第二安装件31的安装面与安装台5所在平面之间的夹角为60度。该设置使得载物台1获得较为灵活的调节空间。当然，在其他实施例中，第一安装件11的安装面与载物台1所在平面之间的夹角还可以为20度、70度或81度，同时，第二安装件31的安装面与安装台5所在平面之间的夹角相应调整即可，并不以此为限。
71.本实施例中，具体地，第一安装件11、第二安装件31、支撑件2、滑动件3和驱动件4均设有六个，当载物台1处于最低位置时，支撑件2的方位和现有技术中的支撑连杆的方位相同。每两个第一安装件11为一组，且一体成型设置。六个驱动件4中，两个为一组，共计三组，第一组驱动件4沿第一方向u滑动，第二组驱动件4沿第二方向v滑动，第三组驱动件4沿第三方向w滑动，第一方向u、第二方向v和第三方向w两两之间的夹角为120度，且相交于一点，第一方向u、第二方向v和第三方向w的交点在处于最低位置的载物台1上的投影为载物台1的中心。当载物台1为圆形，且在最低位置时，第一方向u、第二方向v和第三方向w的交点在载物台1的投影位置为载物台1的圆心。
72.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。