专利名称：基于电容传感器的六自由度微位姿测量的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种微位姿测量的装置及方法。
背景技术：
随着微纳米技术的快速发展，在各种精密工程领域对定位精度的要求日益提高。为了实现微纳器件装配、光纤对接、生物组织操纵等各种高精度作业，具有纳米级精度的微动机器人技术得到了广泛的关注。在六自由度微动机器人位姿控制和运动学参数标定中，位姿检测是其中的关键。对于微动机构，测量方法和测量装置的精度对测量结果会有很大的影响。因此，为了能够准确的获得微动机构的末端位姿，需要引入高精度的测量装置及相应的测量方法。
发明内容
本发明是为了能够准确的获得微动机构的末端位姿，从而提供了一种基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置及方法。
基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，它包括外安装块、内安装块和三组电容传感器，所述每组电容传感器中电容传感器的数量均为两个；外安装块由三个长方体相互垂直组成的一体结构，所述三个长方体的内表面围成一个正方形凹槽；所述外安装块的每个长方体上均开有两个通孔；三组电容传感器分别固定在外安装块的三个长方体上的通孔中，且一个电容传感器与一个通孔相对应；内安装块为正方体结构；所述内安装块位于外安装块的正方形凹槽中，内安装块的三个互为相邻的表面分别与外安装块的正方形凹槽的三个内表面平行。
基于上述装置的六自由度微位姿测量方法由以下步骤完成 步骤一、将内安装块的一个表面固定在待测微动机构上； 步骤二、设定X轴、Y轴和Z轴为三个坐标轴；将所述的三个坐标轴的静坐标系原点O建立在外安装块的正方形凹槽的中心点处，并且三个坐标轴分别与外安装块的正方形凹槽的三个内表面相互垂直； 步骤三、将内安装块设置在外安装块的正方形凹槽中，所述内安装块的中心点与静坐标系原点O重合，并且三个坐标轴分别与内安装块的相应边线相平行； 步骤四、在待测微动机构运动时，三组电容传感器组测量内安装块的六个点位位移； 位于XOY面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S1和S2的点位位移，获得S1点位位移值ΔXs1和S2点位位移值ΔXs2，并根据公式ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，获得内安装块的X向位移值ΔX；并根据公式γ-(ΔXs2-ΔXs1)/D，获得内安装块绕Z轴的转角γ； 位于XOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S3和S4的点位位移，获得S3点位位移值ΔZs3和S4点位位移值ΔZs1，并根据公式ΔZ-(ΔZs3·ΔZs1)/2，获得内安装块的Z向位移值ΔZ；并根据公式β-(ΔZs4-ΔZs3)/D 获得待测微动机构绕Y轴的转角β； 位于YOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S5和S6的点位位移，获得S5点位位移值ΔYs5和S6点位位移值ΔYs6并根据公式ΔY-(ΔYs5(ΔYs6)/2，获得内安装块的Y向位移值ΔY；并根据公式α-(ΔYs6-ΔYs5)/D，获得待测微动机构绕X轴的转角α； 式中D为一组电容传感器中两个电容传感器之间的距离； 步骤五，通过三组电容传感器对六个点点位测量计算获得内安装块X向位移值ΔX，Y 向位移值ΔY，Z 向位移值ΔZ，X 轴的转角α、Y轴的转角β和Z轴的转角γ六个参数，即为待测微动机构的六个自由度姿态 位于XOY面内的一组电容传感器对称分布在X轴两侧；位于XOZ面内的一组电容传感器对称分布在Z轴两侧；位于YOZ面内的一组电容传感器对称分布在Y轴两侧。
位于XOY面内的一组电容传感器对称分布在X轴两侧；位于XOZ面内的一组电容传感器对称分布在Z轴两侧；位于YOZ面内的一组电容传感器对称分布在Y轴两侧。
本发明的装置和方法可以同时测量待测微动机构的六个自由度的末端位姿，并且采用差动模式，能够有效的减小时漂等外界因素对测量结果的影响；本发明采用的电容传感器，将两极板之间的相对位移变化转化为电容变化，实现位移测量，且每组电容传感器分别测量待测微动机构的两个自由度，从而获得六个自由度的测量结果，每组之间不会发生耦合和干扰。本发明具有分辨力强、动态响应快的特点。
图1是本发明装置的结构示意图；图2是本发明的具体实施方式
三中外安装块与三组电容传感器的位置关系示意图；图3本发明具体实施方式
三中的三组电容传感器的位置关系的XOZ面投影图；图4～图6是本发明的测量结果的计算原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1说明本具体实施方式
，基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，它包括外安装块7、内安装块8和三组电容传感器9，所述每组电容传感器9中电容传感器的数量均为两个；外安装块7由三个长方体相互垂直组成的一体结构，所述三个长方体的内表面围成一个正方形凹槽；所述外安装块7的每个长方体上均开有两个通孔；三组电容传感器9分别固定在外安装块7的三个长方体上的通孔中，且一个电容传感器与一个通孔相对应；内安装块8为正方体结构；所述内安装块8位于外安装块7的正方形凹槽中，内安装块8的三个互为相邻的表面分别与外安装块7的正方形凹槽的三个内表面平行。
本实施方式相对于双极板式电容传感器，具有安装调整简单的特点。
工作原理本发明将内安装块8和待测微动机构固联，其中三个互为相邻的体面作为三个极板。六个电容传感器分成三组，分别安装于外安装块7的三个相互垂直的面上。通过使用三组电容传感器9，通过测量六点位移实现六自由度位姿测量。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，外安装块7的每个长方体上开有的两个通孔位于同一条竖直或水平直线上。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，外安装块7的每个长方体上开有的两个通孔位于这个体面的中线上。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，外安装块7的三个长方体上的通孔所在的中线相互垂直。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三或四所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，每组电容传感器9中的两个电容传感器中心之间的距离均为9mm。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
五所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，每个电容传感器均为测量平动分辨率为1nm的电容传感器。
本实施方式中每个电容传感器的测量平动分辨率也可优于1nm。
具体实施方式
七、本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三、四或六所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的区别在于，每个电容传感器探头的型号均为S601-0.05。
具体实施方式
八、基于具体实施方式
一所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的基于电容传感器的六自由度微位姿测量方法，它由以下步骤完成 基于上述装置的六自由度微位姿测量方法由以下步骤完成 步骤一、将内安装块8的一个表面固定在待测微动机构上； 步骤二、设定X轴、Y轴和Z轴为三个坐标轴；将所述的三个坐标轴的静坐标系原点O建立在外安装块7的正方形凹槽的中心点处，并且三个坐标轴分别与外安装块7的正方形凹槽的三个内表面相互垂直； 步骤三、将内安装块8设置在外安装块7的正方形凹槽中，所述内安装块8的中心点与静坐标系原点O重合，并且三个坐标轴分别与内安装块8的相应边线相平行； 步骤四、在待测微动机构运动时，三组电容传感器组9测量内安装块8的六个点位位移； 位于XOY面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S1和S2的点位位移，获得S1点位位移值ΔXs1和S2点位位移值ΔXs2，并根据公式ΔX-(ΔXs1(ΔXs2)/2，获得内安装块8的X向位移值ΔX；并根据公式γ-(ΔXs2-ΔXs1)/D，获得内安装块8绕Z轴的转角γ； 位于XOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S3和S4的点位位移，获得S3点位位移值ΔZs3和S4点位位移值ΔZs4，并根据公式ΔZ-(ΔZs3+ΔZs4)/2，获得内安装块8的Z向位移值ΔZ；并根据公式β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，获得待测微动机构绕Y轴的转角β； 位于YOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S5和S6的点位位移，获得S5点位位移值ΔYs5和S6点位位移值ΔYs6，并根据公式ΔY-(ΔYs5+ΔYs6)/2，获得内安装块8的Y向位移值ΔY；并根据公式α＝(ΔYs4-ΔYs5)/D，获得待测微动机构绕X轴的转角α； 式中D为一组电容传感器中两个电容传感器之间的距离； 步骤五、通过三组电容传感器9对六个点点位测量计算获得内安装块8的X向位移值ΔX，Y向位移值ΔY，Z向位移值ΔZ，X轴的转角α、Y轴的转角β和Z轴的转角γ六个参数，即为待测微动机构的六个自由度姿态。
结合图4-图6说明本方法的原理为计算简便，静坐标系原点建立在内安装块8中心点处，三个坐标轴与内安装块8的相应边线平行。位于XOY面内的一组电容传感器9对称分布在X轴两侧；位于XOZ面内的一组电容传感器9对称分布在Z轴两侧；位于YOZ面内的一组电容传感器9对称分布在Y轴两侧。设待测微动机构运动时，位于XOY面内的电容传感器9在其点位S1和S2点测得的位移分别为ΔXs1、ΔXs2，则内安装块8的X向的位移为ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，待测微动机构绕Z轴的转角为γ＝(ΔXs2-ΔXs1)/D；式中D为两个电容传感器中心之间的距离。
同理，位于XOZ面内的一组电容传感器9在其点位S3和S4测得的位移分别为ΔZs3和ΔZs4，位于YOZ面内的一组电容传感器9在其点位S5和S6测得的位移分别为ΔYs5和ΔYs6，则内安装块8的Z向的位移为ΔZ＝(ΔZs3+ΔZs4)/2，绕Y轴的转角为β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，内安装块8的Y向的位移为ΔY＝(ΔYs5+ΔYs6)/2，待测微动机构绕X轴的转角为α＝(ΔYs6-ΔYs5)/D， 可以看出，位于XOY面内的一组电容传感器可以得到X向的直线位移和绕Z轴的转角；位于XOZ面内的一组电容传感器9可以得到Z向直线位移和绕Y轴的转角；位于YOZ面内的一组电容传感器9可以得到Y向直线位移和绕X轴的转角。因此通过六点测量可以获得动平台六个自由度的位姿。
权利要求
1.基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征是它包括外安装块(7)、内安装块(8)和三组电容传感器(9)，所述每组电容传感器(9)中电容传感器的数量均为两个；外安装块(7)由三个长方体相互垂直组成的一体结构，所述三个长方体的内表面围成一个正方形凹槽；所述外安装块(7)的每个长方体上均开有两个通孔；三组电容传感器(9)分别固定在外安装块(7)的三个长方体上的通孔中，且一个电容传感器与一个通孔相对应；内安装块(8)为正方体结构；所述内安装块(8)位于外安装块(7)的正方形凹槽中，内安装块(8)的三个互为相邻的表面分别与外安装块(7)的正方形凹槽的三个内表面平行。
2.根据权利要求1所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于外安装块(7)的每个长方体上开有的两个通孔位于同一条竖直或水平直线上。
3.根据权利要求2所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于外安装块(7)的每个长方体上开有的两个通孔位于这个体面的中线上。
4.根据权利要求3所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于外安装块(7)的三个长方体上的通孔所在的中线相互垂直。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于每组电容传感器(9)中的两个电容传感器中心之间的距离均为9mm。
6.根据权利要求5所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于每个电容传感器均为测量平动分辨率为1nm的电容传感器。
7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置，其特征在于每个电容传感器探头的型号均为S601-0.05。
8.基于权利要求1所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量装置的基于电容传感器的六自由度微位姿测量方法，其特征是它由以下步骤完成
步骤一、将内安装块(8)的一个表面固定在待测微动机构上；
步骤二、设定X轴、Y轴和Z轴为三个坐标轴将所述的三个坐标轴的静坐标系原点0建立在外安装块(7)的正方形凹槽的中心点处，并且三个坐标轴分别与外安装块(7)的正方形凹槽的三个内表面相互垂直；
步骤三、将内安装块(8)设置在外安装块(7)的正方形凹槽中，所述内安装块(8)的中心点与静坐标系原点0重合，并且三个坐标轴分别与内安装块(8)的相应边线相平行；
步骤四、在待测微动机构运动时，三组电容传感器组(9)测量内安装块(8)的六个点位位移；
位于XOY面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S1和S2的点位位移，获得S1点位位移值ΔXs1和S2点位位移值ΔXs2，并根据公式ΔX＝(ΔXs1+ΔXs2)/2，获得内安装块(8)的X向位移值ΔX；并根据公式γ＝(ΔXs2-ΔXs1)/D，获得内安装块(8)绕Z轴的转角γ；
位于XOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S3和S4的点位位移，获得S3点位位移值ΔZs3和S4点位位移值ΔZs4，并根据公式ΔZ＝(ΔZs3+ΔZs4)/2，获得内安装块(8)的Z向位移值ΔZ；并根据公式β＝(ΔZs4-ΔZs3)/D，获得待测微动机构绕Y轴的转角β
位于YOZ面内的一组电容传感器测量其两个传感器点S5和S6的点位位移，获得S5点位位移值ΔYs5和S6点位位移值ΔYs6，并根据公式ΔY＝(ΔYs5+ΔYs6)/2，获得内安装块(8)的Y向位移值ΔY；并根据公式α＝(ΔYs6-ΔYs5)/D，获得待测微动机构绕X轴的转角α；
式中D为一组电容传感器中两个电容传感器之间的距离；
步骤五、通过三组电容传感器(9)对六个点点位测量计算获得内安装块(8)X向位移值ΔX、Y向位移值ΔY、Z向位移值ΔZ、X轴的转角α、Y轴的转角β和 Z轴的转角γ六个参数，即为侍测微动机构的六个自由度姿态。
9.根据权利要求8所述的基于电容传感器的六自由度微位姿测量方法，其特征在于位于XOY面内的一组电容传感器(9)对称分布在X轴两侧；位于XOZ面内的一组电容传感器(9)对称分布在Z轴两侧；位于YOZ面内的一组电容传感器(9)对称分布在Y轴两侧。
全文摘要
基于电容传感器的六自由度微位姿测量的装置及方法，涉及微位姿测量的装置及方法。本发明为了能够准确的获得微动机构的末端位姿。本发明的装置三组电容传感器分别固定在外安装块的三个长方体上的通孔中，内安装块位于外安装块的正方形凹槽中，内安装块的三个互为相邻的表面分别与外安装块的三个内表面平行。本发明的方法将内安装块的一个表面固定在待测微动机构上；采用三组电容传感器测量待测微动机构的六个自由度的位姿，获得测量结果。本发明适用于微动机构的微位姿的测量场合。
文档编号G01B7/30GK101788257SQ20101030029
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者孙立宁, 荣伟彬, 王乐锋 申请人:哈尔滨工业大学