基於電容傳感器的六自由度微位姿測量的裝置及方法
2023-10-09 20:38:29
專利名稱：基於電容傳感器的六自由度微位姿測量的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種微位姿測量的裝置及方法。
背景技術：
隨著微納米技術的快速發展，在各種精密工程領域對定位精度的要求日益提高。為了實現微納器件裝配、光纖對接、生物組織操縱等各種高精度作業，具有納米級精度的微動機器人技術得到了廣泛的關注。在六自由度微動機器人位姿控制和運動學參數標定中，位姿檢測是其中的關鍵。對於微動機構，測量方法和測量裝置的精度對測量結果會有很大的影響。因此，為了能夠準確的獲得微動機構的末端位姿，需要引入高精度的測量裝置及相應的測量方法。
發明內容
本發明是為了能夠準確的獲得微動機構的末端位姿，從而提供了一種基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置及方法。
基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，它包括外安裝塊、內安裝塊和三組電容傳感器，所述每組電容傳感器中電容傳感器的數量均為兩個；外安裝塊由三個長方體相互垂直組成的一體結構，所述三個長方體的內表面圍成一個正方形凹槽；所述外安裝塊的每個長方體上均開有兩個通孔；三組電容傳感器分別固定在外安裝塊的三個長方體上的通孔中，且一個電容傳感器與一個通孔相對應；內安裝塊為正方體結構；所述內安裝塊位於外安裝塊的正方形凹槽中，內安裝塊的三個互為相鄰的表面分別與外安裝塊的正方形凹槽的三個內表面平行。
基於上述裝置的六自由度微位姿測量方法由以下步驟完成 步驟一、將內安裝塊的一個表面固定在待測微動機構上； 步驟二、設定X軸、Y軸和Z軸為三個坐標軸；將所述的三個坐標軸的靜坐標系原點O建立在外安裝塊的正方形凹槽的中心點處，並且三個坐標軸分別與外安裝塊的正方形凹槽的三個內表面相互垂直； 步驟三、將內安裝塊設置在外安裝塊的正方形凹槽中，所述內安裝塊的中心點與靜坐標系原點O重合，並且三個坐標軸分別與內安裝塊的相應邊線相平行； 步驟四、在待測微動機構運動時，三組電容傳感器組測量內安裝塊的六個點位位移； 位於XOY面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S1和S2的點位位移，獲得S1點位位移值ΔXs1和S2點位位移值ΔXs2，並根據公式ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，獲得內安裝塊的X向位移值ΔX；並根據公式γ-(ΔXs2-ΔXs1)/D，獲得內安裝塊繞Z軸的轉角γ； 位於XOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S3和S4的點位位移，獲得S3點位位移值ΔZs3和S4點位位移值ΔZs1，並根據公式ΔZ-(ΔZs3·ΔZs1)/2，獲得內安裝塊的Z向位移值ΔZ；並根據公式β-(ΔZs4-ΔZs3)/D 獲得待測微動機構繞Y軸的轉角β； 位於YOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S5和S6的點位位移，獲得S5點位位移值ΔYs5和S6點位位移值ΔYs6並根據公式ΔY-(ΔYs5(ΔYs6)/2，獲得內安裝塊的Y向位移值ΔY；並根據公式α-(ΔYs6-ΔYs5)/D，獲得待測微動機構繞X軸的轉角α； 式中D為一組電容傳感器中兩個電容傳感器之間的距離； 步驟五，通過三組電容傳感器對六個點點位測量計算獲得內安裝塊X向位移值ΔX，Y 向位移值ΔY，Z 向位移值ΔZ，X 軸的轉角α、Y軸的轉角β和Z軸的轉角γ六個參數，即為待測微動機構的六個自由度姿態 位於XOY面內的一組電容傳感器對稱分布在X軸兩側；位於XOZ面內的一組電容傳感器對稱分布在Z軸兩側；位於YOZ面內的一組電容傳感器對稱分布在Y軸兩側。
位於XOY面內的一組電容傳感器對稱分布在X軸兩側；位於XOZ面內的一組電容傳感器對稱分布在Z軸兩側；位於YOZ面內的一組電容傳感器對稱分布在Y軸兩側。
本發明的裝置和方法可以同時測量待測微動機構的六個自由度的末端位姿，並且採用差動模式，能夠有效的減小時漂等外界因素對測量結果的影響；本發明採用的電容傳感器，將兩極板之間的相對位移變化轉化為電容變化，實現位移測量，且每組電容傳感器分別測量待測微動機構的兩個自由度，從而獲得六個自由度的測量結果，每組之間不會發生耦合和幹擾。本發明具有分辨力強、動態響應快的特點。
圖1是本發明裝置的結構示意圖；圖2是本發明的具體實施方式
三中外安裝塊與三組電容傳感器的位置關係示意圖；圖3本發明具體實施方式
三中的三組電容傳感器的位置關係的XOZ面投影圖；圖4～圖6是本發明的測量結果的計算原理示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本具體實施方式
，基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，它包括外安裝塊7、內安裝塊8和三組電容傳感器9，所述每組電容傳感器9中電容傳感器的數量均為兩個；外安裝塊7由三個長方體相互垂直組成的一體結構，所述三個長方體的內表面圍成一個正方形凹槽；所述外安裝塊7的每個長方體上均開有兩個通孔；三組電容傳感器9分別固定在外安裝塊7的三個長方體上的通孔中，且一個電容傳感器與一個通孔相對應；內安裝塊8為正方體結構；所述內安裝塊8位於外安裝塊7的正方形凹槽中，內安裝塊8的三個互為相鄰的表面分別與外安裝塊7的正方形凹槽的三個內表面平行。
本實施方式相對於雙極板式電容傳感器，具有安裝調整簡單的特點。
工作原理本發明將內安裝塊8和待測微動機構固聯，其中三個互為相鄰的體面作為三個極板。六個電容傳感器分成三組，分別安裝於外安裝塊7的三個相互垂直的面上。通過使用三組電容傳感器9，通過測量六點位移實現六自由度位姿測量。
具體實施方式
二、本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，外安裝塊7的每個長方體上開有的兩個通孔位於同一條豎直或水平直線上。
具體實施方式
三、本具體實施方式
與具體實施方式
二所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，外安裝塊7的每個長方體上開有的兩個通孔位於這個體面的中線上。
具體實施方式
四、本具體實施方式
與具體實施方式
三所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，外安裝塊7的三個長方體上的通孔所在的中線相互垂直。
具體實施方式
五、本具體實施方式
與具體實施方式
一、二、三或四所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，每組電容傳感器9中的兩個電容傳感器中心之間的距離均為9mm。
具體實施方式
六、本具體實施方式
與具體實施方式
五所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，每個電容傳感器均為測量平動解析度為1nm的電容傳感器。
本實施方式中每個電容傳感器的測量平動解析度也可優於1nm。
具體實施方式
七、本具體實施方式
與具體實施方式
一、二、三、四或六所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的區別在於，每個電容傳感器探頭的型號均為S601-0.05。
具體實施方式
八、基於具體實施方式
一所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量方法，它由以下步驟完成 基於上述裝置的六自由度微位姿測量方法由以下步驟完成 步驟一、將內安裝塊8的一個表面固定在待測微動機構上； 步驟二、設定X軸、Y軸和Z軸為三個坐標軸；將所述的三個坐標軸的靜坐標系原點O建立在外安裝塊7的正方形凹槽的中心點處，並且三個坐標軸分別與外安裝塊7的正方形凹槽的三個內表面相互垂直； 步驟三、將內安裝塊8設置在外安裝塊7的正方形凹槽中，所述內安裝塊8的中心點與靜坐標系原點O重合，並且三個坐標軸分別與內安裝塊8的相應邊線相平行； 步驟四、在待測微動機構運動時，三組電容傳感器組9測量內安裝塊8的六個點位位移； 位於XOY面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S1和S2的點位位移，獲得S1點位位移值ΔXs1和S2點位位移值ΔXs2，並根據公式ΔX-(ΔXs1(ΔXs2)/2，獲得內安裝塊8的X向位移值ΔX；並根據公式γ-(ΔXs2-ΔXs1)/D，獲得內安裝塊8繞Z軸的轉角γ； 位於XOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S3和S4的點位位移，獲得S3點位位移值ΔZs3和S4點位位移值ΔZs4，並根據公式ΔZ-(ΔZs3+ΔZs4)/2，獲得內安裝塊8的Z向位移值ΔZ；並根據公式β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，獲得待測微動機構繞Y軸的轉角β； 位於YOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S5和S6的點位位移，獲得S5點位位移值ΔYs5和S6點位位移值ΔYs6，並根據公式ΔY-(ΔYs5+ΔYs6)/2，獲得內安裝塊8的Y向位移值ΔY；並根據公式α＝(ΔYs4-ΔYs5)/D，獲得待測微動機構繞X軸的轉角α； 式中D為一組電容傳感器中兩個電容傳感器之間的距離； 步驟五、通過三組電容傳感器9對六個點點位測量計算獲得內安裝塊8的X向位移值ΔX，Y向位移值ΔY，Z向位移值ΔZ，X軸的轉角α、Y軸的轉角β和Z軸的轉角γ六個參數，即為待測微動機構的六個自由度姿態。
結合圖4-圖6說明本方法的原理為計算簡便，靜坐標系原點建立在內安裝塊8中心點處，三個坐標軸與內安裝塊8的相應邊線平行。位於XOY面內的一組電容傳感器9對稱分布在X軸兩側；位於XOZ面內的一組電容傳感器9對稱分布在Z軸兩側；位於YOZ面內的一組電容傳感器9對稱分布在Y軸兩側。設待測微動機構運動時，位於XOY面內的電容傳感器9在其點位S1和S2點測得的位移分別為ΔXs1、ΔXs2，則內安裝塊8的X向的位移為ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，待測微動機構繞Z軸的轉角為γ＝(ΔXs2-ΔXs1)/D；式中D為兩個電容傳感器中心之間的距離。
同理，位於XOZ面內的一組電容傳感器9在其點位S3和S4測得的位移分別為ΔZs3和ΔZs4，位於YOZ面內的一組電容傳感器9在其點位S5和S6測得的位移分別為ΔYs5和ΔYs6，則內安裝塊8的Z向的位移為ΔZ＝(ΔZs3+ΔZs4)/2，繞Y軸的轉角為β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，內安裝塊8的Y向的位移為ΔY＝(ΔYs5+ΔYs6)/2，待測微動機構繞X軸的轉角為α＝(ΔYs6-ΔYs5)/D， 可以看出，位於XOY面內的一組電容傳感器可以得到X向的直線位移和繞Z軸的轉角；位於XOZ面內的一組電容傳感器9可以得到Z向直線位移和繞Y軸的轉角；位於YOZ面內的一組電容傳感器9可以得到Y向直線位移和繞X軸的轉角。因此通過六點測量可以獲得動平臺六個自由度的位姿。
權利要求
1.基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵是它包括外安裝塊(7)、內安裝塊(8)和三組電容傳感器(9)，所述每組電容傳感器(9)中電容傳感器的數量均為兩個；外安裝塊(7)由三個長方體相互垂直組成的一體結構，所述三個長方體的內表面圍成一個正方形凹槽；所述外安裝塊(7)的每個長方體上均開有兩個通孔；三組電容傳感器(9)分別固定在外安裝塊(7)的三個長方體上的通孔中，且一個電容傳感器與一個通孔相對應；內安裝塊(8)為正方體結構；所述內安裝塊(8)位於外安裝塊(7)的正方形凹槽中，內安裝塊(8)的三個互為相鄰的表面分別與外安裝塊(7)的正方形凹槽的三個內表面平行。
2.根據權利要求1所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於外安裝塊(7)的每個長方體上開有的兩個通孔位於同一條豎直或水平直線上。
3.根據權利要求2所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於外安裝塊(7)的每個長方體上開有的兩個通孔位於這個體面的中線上。
4.根據權利要求3所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於外安裝塊(7)的三個長方體上的通孔所在的中線相互垂直。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於每組電容傳感器(9)中的兩個電容傳感器中心之間的距離均為9mm。
6.根據權利要求5所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於每個電容傳感器均為測量平動解析度為1nm的電容傳感器。
7.根據權利要求1、2、3、4或6所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置，其特徵在於每個電容傳感器探頭的型號均為S601-0.05。
8.基於權利要求1所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量裝置的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量方法，其特徵是它由以下步驟完成
步驟一、將內安裝塊(8)的一個表面固定在待測微動機構上；
步驟二、設定X軸、Y軸和Z軸為三個坐標軸將所述的三個坐標軸的靜坐標系原點0建立在外安裝塊(7)的正方形凹槽的中心點處，並且三個坐標軸分別與外安裝塊(7)的正方形凹槽的三個內表面相互垂直；
步驟三、將內安裝塊(8)設置在外安裝塊(7)的正方形凹槽中，所述內安裝塊(8)的中心點與靜坐標系原點0重合，並且三個坐標軸分別與內安裝塊(8)的相應邊線相平行；
步驟四、在待測微動機構運動時，三組電容傳感器組(9)測量內安裝塊(8)的六個點位位移；
位於XOY面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S1和S2的點位位移，獲得S1點位位移值ΔXs1和S2點位位移值ΔXs2，並根據公式ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，獲得內安裝塊(8)的X向位移值ΔX；並根據公式γ＝(ΔXs2-ΔXs1)/D，獲得內安裝塊(8)繞Z軸的轉角γ；
位於XOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S3和S4的點位位移，獲得S3點位位移值ΔZs3和S4點位位移值ΔZs4，並根據公式ΔZ＝(ΔZs3+ΔZs4)/2，獲得內安裝塊(8)的Z向位移值ΔZ；並根據公式β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，獲得待測微動機構繞Y軸的轉角β
位於YOZ面內的一組電容傳感器測量其兩個傳感器點S5和S6的點位位移，獲得S5點位位移值ΔYs5和S6點位位移值ΔYs6，並根據公式ΔY＝(ΔYs5+ΔYs6)/2，獲得內安裝塊(8)的Y向位移值ΔY；並根據公式α＝(ΔYs6-ΔYs5)/D，獲得待測微動機構繞X軸的轉角α；
式中D為一組電容傳感器中兩個電容傳感器之間的距離；
步驟五、通過三組電容傳感器(9)對六個點點位測量計算獲得內安裝塊(8)X向位移值ΔX、Y向位移值ΔY、Z向位移值ΔZ、X軸的轉角α、Y軸的轉角β和 Z軸的轉角γ六個參數，即為侍測微動機構的六個自由度姿態。
9.根據權利要求8所述的基於電容傳感器的六自由度微位姿測量方法，其特徵在於位於XOY面內的一組電容傳感器(9)對稱分布在X軸兩側；位於XOZ面內的一組電容傳感器(9)對稱分布在Z軸兩側；位於YOZ面內的一組電容傳感器(9)對稱分布在Y軸兩側。
全文摘要
基於電容傳感器的六自由度微位姿測量的裝置及方法，涉及微位姿測量的裝置及方法。本發明為了能夠準確的獲得微動機構的末端位姿。本發明的裝置三組電容傳感器分別固定在外安裝塊的三個長方體上的通孔中，內安裝塊位於外安裝塊的正方形凹槽中，內安裝塊的三個互為相鄰的表面分別與外安裝塊的三個內表面平行。本發明的方法將內安裝塊的一個表面固定在待測微動機構上；採用三組電容傳感器測量待測微動機構的六個自由度的位姿，獲得測量結果。本發明適用於微動機構的微位姿的測量場合。
文檔編號G01B7/30GK101788257SQ20101030029
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月14日 優先權日2010年1月14日
發明者孫立寧, 榮偉彬, 王樂鋒 申請人:哈爾濱工業大學