一种微纳操作用并行位姿调整平台和方法与流程

本发明公开了一种微纳操作用并行位姿调整平台和方法，属于微机电一体化技术、微纳操作技术领域。

背景技术：

扫描电子显微镜因其具有纳米级分辨率、甚至亚纳米级分辨率，同时，在对样品形貌观测和成分分析方面具有的优越性能，因此成为了现代纳米科技分析领域的必备仪器。在观察样品形貌或成分分析时，所用承载样品的平台大多已标准化，更换样品时多采用合适的样品平台，而且需开启扫描电镜真空腔进行手动更换，长期反复会导致设备真空度下降及平台磨损，从而增大设备维护和检修费用。随着微机电技术的不断发展，基于扫描电子显微镜对微纳米级尺度的被操作对象进行操作及组装时，微纳操作机器人逐渐显现出其应用的前景和优势。但由于微纳操作机器人一般具有三个方向的自由度，运动范围也有限，从而导致其操作空间有限，这必然会限制微纳操作机器人应用的进一步拓展。借助于微纳操作机器人对被操作对象进行观测和操作时，遵循效果最大化原则，因此要求被观测平台具有较多的自由度和自动化操作功能。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种微纳操作用并行位姿调整平台和方法，解决了现有平台自动化程度低、微纳操作机器人自由度有限及操作范围小等问题，同时空间任意旋转的并行位姿可调平台能拓展观测及操作的功能，具有自动化操作、结构简单、容易实现等特点。

为了达到上述目的，本发明的构思是：借助于扫描电子显微镜对微纳米尺度的被操作对象进行操作及表征时，为了克服微纳操作机器人存在的观测及操作功能单一、自由度有限及操作范围小等问题，同时，针对现有观测平台自动化程度低等不足，本发明提供了一种微纳操作用并行位姿调整平台和方法。该平台利用扫描电镜图像判断被操作对象及执行器末端的相对位姿关系，启动平台并行旋转微马达驱动平台进行y-z平面内的位姿变换，通过联合启动两个平台微促动器驱动平台进行x-z平面内位姿变换，从而判断平台空间位姿是否满足执行器末端的操作要求，若满足将平台耦合执行器末端对被操作对象进行微纳操作，反之则重复上述平台空间位姿的调整步骤。通过平台并行的两个可动平板可实现全圆周同步旋转操作，从而实现平台的并行位姿可调；平台可动平板四周面可布置被操作对象，通过任意位姿的并行调整，能实现对被操作对象的全方位形貌观测和全方位操作，同时，利用执行器末端能对同步的可动平板上的被操作对象实现观测或操作的自动化对比研究，拓展了观测及操作的功能及可操作范围。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种微纳操作用并行位姿调整平台，用于耦合扫描电镜下末端执行器进行微纳操作，一个平台并行旋转微马达通过联轴器与主动齿轮同轴连接，所述平台并行旋转微马达通过第一支撑底座固连在可动底板上，所述主动齿轮通过第一轴承安装在第一轴承座上，该第一轴承座通过第二支撑底座固连在可动底板上；所述主动齿轮与中间的第一被动齿轮相互啮合，该第一被动齿轮分别与第二被动齿轮和第三被动齿轮相互啮合，所述第二被动齿轮和第三被动齿轮分别与第一可动平板和第二可动平板同轴相连，所述第一被动齿轮、第二被动齿轮和第一可动平板、第三被动齿轮和第二可动平板分别通过一对第二轴承安装在一对第二轴承座上，该三对第二轴承座分别通过三对第三支撑底座固连在可动底板上；所述可动底板上表面中心两侧分别安装两个第一铰支座，该第一铰支座通过第一连杆和第二连杆铰接于第二铰支座，该第二铰支座固连在一对第一支撑板上表面，第一支撑板下表面通过一对第二支撑板固定在基础底座上，所述基础底座利用下方中心位置处螺纹孔将微纳操作用并行位姿可调平台安装在扫描电镜工作台上；所述基础底座上表面通过两个底座分别固定有第一平台微促动器和第二平台微促动器，所述第一平台微促动器和第二平台微促动器的伸出端部与第三连杆的一端相连，所述第三连杆的另一端与第四连杆和第五连杆铰接于一点，第四连杆的另一端通过第三铰支座固连在基础底座的上表面，第五连杆的另一端通过第四铰支座固连在可动底板的下表面；两个第一铰支座和两个第四铰支座起到支撑可动底板的目的。

一种微纳操作用并行位姿调整方法，应用上述的微纳操作用并行位姿调整平台，操作步骤如下：

1）利用扫描电镜图像判断被操作对象及执行器末端的相对位姿关系，根据微纳操作任务要求及传动装置的传动关系，判别平台第一可动平板和第二可动平板位姿旋转所需合适的方向和角度θ；

2）启动平台并行旋转微马达，能驱动平台第一可动平板和第二可动平板同时进行旋转，从而实现平台上指定位置在y-z平面内的位姿变换；

3）将第一平台微促动器和第二平台微促动器进行联动伸缩，驱动平台第一可动平板和第二可动平板同时在水平面内进行俯仰动作，从而实现平台上指定位置在x-z平面内的位姿变换；

4）判断平台空间位姿是否满足执行器末端的操作要求，若满足将并行位姿可调平台耦合执行器末端对被操作对象进行微纳操作，反之则重复上述平台空间位姿的调整步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明耦合扫描电镜下末端执行器对微纳米尺度的被操作对象进行操作及表征时，增加了末端执行器自由度、扩大了末端执行器操作范围；通过平台并行的两个可动平板可实现全圆周同步旋转操作，从而实现平台的并行位姿可调；平台可动平板四周面可布置被操作对象，通过任意位姿的并行调整，能实现对被操作对象的全方位形貌观测和全方位操作，同时，利用执行器末端能对同步的可动平板上的被操作对象实现观测或操作的自动化对比研究，拓展了观测及操作的功能；具有自动化操作、结构简单、容易实现等优点。

附图说明

图1为微纳操作用并行位姿调整方法流程图。

图2为微纳操作用并行位姿调整平台结构主示意图。

图3为微纳操作用并行位姿调整平台结构右示意图。

图4为并行位姿调整平台耦合执行器末端进行微纳操作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明中的优选实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

参见图2～图4，一种微纳操作用并行位姿调整平台，用于耦合扫描电镜下末端执行器进行微纳操作，一个平台并行旋转微马达15通过联轴器14与主动齿轮10同轴连接，所述平台并行旋转微马达15通过第一支撑底座17固连在可动底板24上，所述主动齿轮10通过第一轴承11安装在第一轴承座12上，该第一轴承座12通过第二支撑底座13固连在可动底板24上；所述主动齿轮10与中间的第一被动齿轮9相互啮合，该第一被动齿轮9分别与第二被动齿轮30和第三被动齿轮31相互啮合，所述第二被动齿轮30和第三被动齿轮31分别与第一可动平板8和第二可动平板32同轴相连，所述第一被动齿轮9、第二被动齿轮30和第一可动平板8、第三被动齿轮31和第二可动平板32分别通过一对第二轴承7安装在一对第二轴承座6上，该三对第二轴承座6分别通过三对第三支撑底座5固连在可动底板24上；所述可动底板24上表面中心两侧分别安装两个第一铰支座23，该第一铰支座23通过第一连杆18和第二连杆19铰接于第二铰支座20，该第二铰支座20固连在一对第一支撑板21上表面，第一支撑板21下表面通过一对第二支撑板22固定在基础底座25上，所述基础底座25利用下方中心位置处螺纹孔26将微纳操作用并行位姿可调平台安装在扫描电镜工作台上；所述基础底座25上表面通过两个底座27分别固定有第一平台微促动器28和第二平台微促动器33，所述第一平台微促动器28和第二平台微促动器33的伸出端部与第三连杆29的一端相连，所述第三连杆29的另一端与第四连杆2和第五连杆3铰接于一点，第四连杆2的另一端通过第三铰支座1固连在基础底座25的上表面，第五连杆3的另一端通过第四铰支座4固连在可动底板24的下表面；两个第一铰支座23和两个第四铰支座4起到支撑可动底板24的目的。

参见图1，一种微纳操作用并行位姿调整方法，应用上述的微纳操作用并行位姿调整平台，操作步骤如下：

1）利用扫描电镜图像判断被操作对象及执行器末端16的相对位姿关系，根据微纳操作任务要求及传动装置的传动关系，判别平台第一可动平板8和第二可动平板32位姿旋转所需合适的方向和角度θ；

2）启动平台并行旋转微马达15，能驱动平台第一可动平板8和第二可动平板32同时进行旋转，从而实现平台上指定位置在y-z平面内的位姿变换；

3）将第一平台微促动器28和第二平台微促动器33进行联动伸缩，驱动平台第一可动平板8和第二可动平板32同时在水平面内进行俯仰动作，从而实现平台上指定位置在x-z平面内的位姿变换；

4）判断平台空间位姿是否满足执行器末端16的操作要求，若满足将并行位姿可调平台耦合执行器末端16对被操作对象进行微纳操作，反之则重复上述平台空间位姿的调整步骤。

本发明的实施例主要为了耦合扫描电镜下末端执行器进行微纳操作，能增加末端执行器自由度、扩大末端执行器操作范围；同时，空间任意旋转的并行位姿可调平台能拓展观测及操作的功能。