二维纳米柔性运动平台及其光栅测量方法与流程

本发明涉及利用光栅传感器直接测量大行程二维纳米柔性运动平台领域，具体而言，涉及一种二维纳米柔性运动平台及其光栅测量方法。

背景技术：

相关技术中的二维纳米柔性运动平台，对于微纳精度要求的位移测量，其允许的非运动方向的偏移在200微米以内，无法直接应用光栅传感器同时实现两个方向的大行程测量。此外，两级测量方法影响测量精度的因素多、传感器安装不便，激光干涉仪方法成本高、安装复杂。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种二维纳米柔性运动平台，该二维纳米柔性运动平台具有精度高、成本低和安装使用方便等优点。

本发明还提出一种二维纳米柔性运动平台的光栅测量方法。

为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种二维纳米柔性运动平台，所述二维纳米柔性运动平台包括：基座；终端平台，所述终端平台位于所述基座的外边沿的内侧；x向连接杆和y向连接杆，所述x向连接杆沿x向定向且所述y向连接杆沿y向定向；两个x向柔性导向件，两个所述x向柔性导向件分别与所述x向连接杆的两端相连以使两个所述x向柔性导向件同步运动，每个所述x向柔性导向件与所述基座相连；两个y向柔性导向件，两个所述y向柔性导向件分别与所述y向连接杆的两端相连以使两个所述y向柔性导向件同步运动，每个所述y向柔性导向件与所述基座相连；两个x向柔性解耦件，两个所述x向柔性解耦件分别与所述x向连接杆的两端相连以使两个所述x向柔性解耦件同步运动，两个所述x向柔性解耦件分别与两个所述x向柔性导向件相连，两个所述x向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连；两个y向柔性解耦件，两个所述y向柔性解耦件分别与所述y向连接杆的两端相连以使两个所述y向柔性解耦件同步运动，两个所述y向柔性解耦件分别与两个所述y向柔性导向件相连，两个所述y向柔性解耦件分别与所述终端平台相对的两侧壁相连；x向驱动器和y向驱动器，所述x向驱动器与两个所述x向柔性导向件中的一个相连，所述y向驱动器与两个所述y向柔性导向件中的一个相连；x向光栅传感器，所述x向光栅传感器分别与所述终端平台和所述x向柔性导向件可拆卸地相连且至少一部分随所述x向柔性导向件一同移动；y向光栅传感器，所述y向光栅传感器分别与所述终端平台和所述y向柔性导向件可拆卸地相连且至少一部分随所述y向柔性导向件一同移动。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台，具有精度高、成本低和安装使用方便等优点。

另外，根据本发明上述实施例的二维纳米柔性运动平台还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述x向光栅传感器包括x向玻璃尺和x向读数头，所述x向玻璃尺安装在所述终端平台上靠近所述x向柔性导向件的一侧边沿，所述x向读数头安装在所述x向柔性导向件上靠近所述终端平台的一端；所述y向光栅传感器包括y向玻璃尺和y向读数头，所述y向玻璃尺安装在所述终端平台上靠近所述y向柔性导向件的一侧边沿，所述y向读数头安装在所述y向柔性导向件上靠近所述终端平台的一端。这样便于所述x向光栅传感器和所述y向光栅传感器的设置。

进一步地，所述x向玻璃尺安装在所述终端平台的上表面，所述x向读数头安装在所述x向柔性导向件的上表面；所述y向玻璃尺安装在所述终端平台的上表面，所述y向读数头安装在所述y向柔性导向件的上表面。这样便于用户读取所述x向光栅传感器和所述y向光栅传感器的数据。

可选地，所述x向柔性导向件和所述x向光栅传感器中的一个上设有x向定位凸筋且另一个上设有x向定位槽，所述x向定位凸筋可拆卸地配合在所述x向定位槽内；所述y向柔性导向件和所述y向光栅传感器中的一个上设有y向定位凸筋且另一个上设有y向定位槽，所述y向定位凸筋可拆卸地配合在所述x向定位槽内。这样可以利用所述定位凸筋和所述定位槽对所述光栅传感器进行定位。

根据本发明的又一个实施例，两个所述x向柔性导向件在x向上对称设置，两个所述y向柔性导向件在y向上对称设置，两个所述x向柔性解耦件在x向上对称设置，两个所述y向柔性解耦件在y向上对称设置。这样可以进一步提高所述二维纳米柔性运动平台各个部件的一致性。

根据本发明的再一个实施例，每个所述x向柔性导向件包括x向内侧板簧、x向外侧板簧和x向刚性连接件，两个所述x向内侧板簧分别与所述x向连接杆的两端相连，所述x向外侧板簧位于所述x向内侧板簧的外侧且均与所述基座相连，所述x向内侧板簧和所述x向外侧板簧通过所述x向刚性连接件相连，每个所述y向柔性导向件包括y向内侧板簧、y向外侧板簧和y向刚性连接件，两个所述y向内侧板簧分别与所述y向连接杆的两端相连，所述y向外侧板簧位于所述y向内侧板簧的外侧且均与所述基座相连，所述y向内侧板簧和所述y向外侧板簧通过所述y向刚性连接件相连。这样可以实现所述x向柔性导向件、所述y向柔性导向件、所述基座、所述x向柔性解耦件和所述y向柔性解耦件的柔性连接。

进一步地，所述x向内侧板簧和所述y向内侧板簧在竖直方向上的高度低于所述x向外侧板簧和所述y向外侧板簧。这样可以便于内侧板簧避让所述x向柔性解耦件和所述y向柔性解耦件。

可选地，所述基座包括：基板；四个内连接凸台，四个所述内连接凸台在所述基板的上表面间隔设置，每个所述x向内侧板簧的两端分别与相邻的两个所述内连接凸台相连，每个所述y向内侧板簧的两端分别与相邻的两个所述内连接凸台相连；四个外连接凸台，四个所述外连接凸台在所述基板的上表面间隔设置且位于四个所述内连接凸台的外侧，每个所述x向外侧板簧的两端分别与相邻的两个所述外连接凸台相连，每个所述y向外侧板簧的两端分别与相邻的两个所述外连接凸台相连。这样可以便于所述板簧连接在基座上。

根据本发明的另一个实施例，每个所述x向柔性解耦件包括两个x向外平行板簧、两个x向内平行板簧和两个x向刚性连接板，两个所述x向外平行板簧均与所述终端平台的同一侧边沿相连，两个所述x向内平行板簧位于两个所述x向外平行板簧的内侧且与两个所述x向外平行板簧平行设置，两个所述x向内平行板簧均与对应的所述x向柔性导向件相连，两个所述x向外平行板簧分别通过两个所述x向刚性连接板与两个所述x向内平行板簧相连，每个所述y向柔性解耦件包括两个y向外平行板簧、两个y向内平行板簧和两个y向刚性连接板，两个所述y向外平行板簧均与所述终端平台的同一侧边沿相连，两个所述y向内平行板簧位于两个所述y向外平行板簧的内侧且与两个所述y向外平行板簧平行设置，两个所述y向内平行板簧均与对应的所述y向柔性导向件相连，两个所述y向外平行板簧分别通过两个所述y向刚性连接板与两个所述y向内平行板簧相连。这样可以保证所述x向柔性解耦件和所述y向柔性解耦件具有良好的结构强度和柔性。

根据本发明的第二方面的实施例提出一种二维纳米柔性运动平台的光栅测量方法，所述二维纳米柔性运动平台的光栅测量方法包括以下步骤：

利用所述x向光栅传感器测量所述终端平台在x向上的位移，利用所述y向光栅传感器测量所述终端平台在y向上的位移；

根据所述x向光栅传感器和所述y向光栅传感器的检测值，计算得到所述终端平台的平面位移。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的光栅测量方法，具有精度高、成本低和使用方便等优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图。

图3是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的结构示意图。

图5是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的局部结构示意图。

图6是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的局部结构示意图。

图7是根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台的局部结构示意图。

附图标记：二维纳米柔性运动平台1、基座100、基板110、内连接凸台120、外连接凸台130、终端平台200、x向连接杆310、y向连接杆320、x向柔性导向件410、x向内侧板簧411、x向外侧板簧412、x向刚性连接件413、x向定位槽414、y向柔性导向件420、y向内侧板簧421、y向外侧板簧422、y向刚性连接件423、y向定位槽424、x向柔性解耦件510、x向外平行板簧511、x向内平行板簧512、x向刚性连接板513、y向柔性解耦件520、y向外平行板簧521、y向内平行板簧522、y向刚性连接板523、x向驱动器610、y向驱动器620、x向光栅传感器710、x向玻璃尺711、x向读数头712、x向定位凸筋713、y向光栅传感器720、y向玻璃尺721、y向读数头722、y向定位凸筋723。

具体实施方式

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。

下面参考附图描述根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1。

如图1-图7所示，根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1包括基座100、终端平台200、x向连接杆310、y向连接杆320、x向柔性导向件410、y向柔性导向件420、x向柔性解耦件510、y向柔性解耦件520、x向驱动器610、y向驱动器620、x向光栅传感器710和y向光栅传感器720(x方向和y方向如图1-图4、图7中箭头所示)。这里需要理解的是x向、y向仅为了便于表述，并非对于二维纳米柔性运动平台1实际设置方向的限定。

终端平台200位于基座100的外边沿的内侧。x向连接杆310沿x向定向且y向连接杆320沿y向定向。两个x向柔性导向件410分别与x向连接杆310的两端相连以使两个x向柔性导向件410同步运动，每个x向柔性导向件410与基座100相连。两个y向柔性导向件420分别与y向连接杆320的两端相连以使两个y向柔性导向件420同步运动，每个y向柔性导向件420与基座100相连。两个x向柔性解耦件510分别与x向连接杆310的两端相连以使两个x向柔性解耦件510同步运动，两个x向柔性解耦件510分别与两个x向柔性导向件410相连，两个x向柔性解耦件510分别与终端平台200相对的两侧壁相连。两个y向柔性解耦件520分别与y向连接杆320的两端相连以使两个y向柔性解耦件520同步运动，两个y向柔性解耦件520分别与两个y向柔性导向件420相连，两个y向柔性解耦件520分别与终端平台200相对的两侧壁相连。x向驱动器610与两个x向柔性导向件410中的一个相连，y向驱动器620与两个y向柔性导向件420中的一个相连。x向光栅传感器710分别与终端平台200和x向柔性导向件410可拆卸地相连且至少一部分随x向柔性导向件410一同移动。y向光栅传感器720分别与终端平台200和y向柔性导向件420可拆卸地相连且至少一部分随y向柔性导向件420一同移动。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1，通过根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1，通过设置x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520，可以通过x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520的弹性变形来实现对终端平台200的两个方向运动的解耦，从而可以实现终端平台200的高精度运动。

并且，相比相关技术中的二维纳米柔性运动平台，其终端平台在运动时，两侧相对的导向和解耦机构易发生运动不一致的情况，易导致解耦件受到的轴向力不一致，从而导致终端平台200发生寄生运动，使终端平台200的位移产生较大误差。通过设置x向连接杆310和y向连接杆320，当终端平台200沿x向运动时，由于x向连接杆310将两个x向柔性导向件410连接在一起，能够抑制x向柔性导向件410的转动，大大提高终端平台200在x向运动的精度。当终端平台200沿y向运动时，由于y向连接杆320将两个y向柔性导向件420连接在一起，能够抑制y向柔性导向件420的转动，大大提高终端平台200在y向运动的精度。

此外，通过设置x向光栅传感器710和y向光栅传感器720，可以利用x向光栅传感器710和y向光栅传感器720直接对终端平台200进行大行程二维测量，相比相关技术中的二维纳米柔性运动平台，不需要采用其他传感器进行中间补偿，便于提高二维纳米柔性运动平台1的测量精度，便于提高平台1的工作可靠性。

同时，利用x向光栅传感器710和y向光栅传感器720直接对终端平台200进行大行程二维测量，相比相关技术中的二维纳米柔性运动平台，便于降低二维纳米柔性运动平台1的成本，便于提高平台1的安装使用，便于提高用户的使用舒适性。

进一步地，由于x向光栅传感器710至少一部分随x向柔性导向件410一同移动，y向光栅传感器720至少一部分随y向柔性导向件420一同移动。这样可以保证传感器的部件不会产生分离或相撞，便于实现对终端平台200直接的运动测量。

因此，根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1具有精度高、成本低和安装使用方便等优点。

下面参考附图描述根据本发明具体实施例的二维纳米柔性运动平台1。

在本发明的一些具体实施例中，如图1-图7所示，根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1包括基座100、终端平台200、x向连接杆310、y向连接杆320、x向柔性导向件410、y向柔性导向件420、x向柔性解耦件510、y向柔性解耦件520、x向驱动器610、y向驱动器620、x向光栅传感器710和y向光栅传感器720。

具体地，如图1和图7所示，x向光栅传感器710包括x向玻璃尺711和x向读数头712，x向玻璃尺711安装在终端平台200上靠近x向柔性导向件410的一侧边沿，x向读数头712安装在x向柔性导向件410上靠近终端平台200的一端。y向光栅传感器720包括y向玻璃尺721和y向读数头722，y向玻璃尺721安装在终端平台200上靠近y向柔性导向件420的一侧边沿，y向读数头722安装在y向柔性导向件420上靠近终端平台200的一端。这样便于x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的设置，便于其对终端平台200进行大行程二维测量。

更为具体地，如图1和图7所示，x向玻璃尺711安装在终端平台200的上表面，x向读数头712安装在x向柔性导向件410的上表面。y向玻璃尺721安装在终端平台200的上表面，y向读数头722安装在y向柔性导向件420的上表面。这样便于用户读取x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的数据，便于用户的使用。

可选地，如图1所示，x向柔性导向件410和x向光栅传感器710中的一个上设有x向定位凸筋713且另一个上设有x向定位槽414，x向定位凸筋713可拆卸地配合在x向定位槽414内。y向柔性导向件420和y向光栅传感器720中的一个上设有y向定位凸筋723且另一个上设有y向定位槽424，y向定位凸筋723可拆卸地配合在x向定位槽424内。这样可以利用所述定位凸筋和所述定位槽对所述光栅传感器进行定位，便于所述光栅传感器位置的切换。

具体而言，本发明提出的测量方案如下：采用两套光栅传感器直接实现对终端平台200的运动测量。首先，将x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的x向玻璃尺711和y向玻璃尺721分别安装固定到终端平台200上靠近x向柔性导向件410和y向柔性导向件420的地方，再将x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的x向读数头712和y向读数头722分别安装固定到x向柔性导向件410和y向柔性导向件420上，并将两者进行贴近调整。通过采用上述传感器安装方法，当终端平台200做大行程运动时，x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的x向读数头712和y向读数头722分别随x向柔性导向件410和y向柔性导向件420一起进行运动，可以保证x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的x向玻璃尺711、y向玻璃尺721和x向读数头712、y向读数头722在非运动方向不会产生分离或相撞，从而可以实现对终端平台200直接的运动测量。

相比相关技术的二维纳米柔性运动平台，二维纳米柔性运动平台1不需要电容传感器补偿柔性导向件和终端平台200之间的运动误差，转换成垂直光栅传感器测量方向的偏移。经过计算，在终端平台200运动达到最大行程时，柔性导向件和终端平台200之间的运动位移误差不会超过10微米，远远小于光栅传感器在使用时所允许的最大非运动方向的最大偏移量(200微米)。因此，本发明提出的直接测量终端运动平台的方案，可以保证光栅传感器在大行程运动情况下也能进行实时测量，解决了相关技术中无法测量终端平台大行程运动的问题。

经理论分析，本发明提出的光栅测量方案的测量误差，仅来源于柔性导向件在垂直于运动方向的偏移。经过计算，二维纳米柔性运动平台1中柔性导向件在垂直于运动方向的位移将小于终端平台200同方向运动位移的0.04％，远远小于柔性导向件在运动方向与终端平台200的运动误差。通过改变平台的一些结构尺寸参数，如短板簧的长度和厚度，可以获得更好的测量效果，同时可以提升平台的刚度。

图1-图7示出了根据本的二维纳米柔性运动平台1。如图1-图4所示所示，两个x向柔性导向件410在x向上对称设置，两个y向柔性导向件420在y向上对称设置，两个x向柔性解耦件510在x向上对称设置，两个y向柔性解耦件520在y向上对称设置。这样可以进一步提高二维纳米柔性运动平台1各个部件的一致性，从而进一步便于提高平台1的运动精度。

具体地，如图4所示，每个x向柔性导向件410包括x向内侧板簧411、x向外侧板簧412和x向刚性连接件413，两个x向内侧板簧411分别与x向连接杆310的两端相连，x向外侧板簧412位于x向内侧板簧411的外侧且均与基座100相连，x向内侧板簧411和x向外侧板簧412通过x向刚性连接件413相连，每个y向柔性导向件420包括y向内侧板簧421、y向外侧板簧422和y向刚性连接件432，两个y向内侧板簧421分别与y向连接杆320的两端相连，y向外侧板簧422位于y向内侧板簧421的外侧且均与基座100相连，y向内侧板簧421和y向外侧板簧422通过y向刚性连接件423相连。这样可以实现x向柔性导向件410、y向柔性导向件420、基座100、x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520的柔性连接，便于驱动终端平台200精确移动。

更为具体地，如图3和图4所示，x向内侧板簧411和y向内侧板簧421在竖直方向上的高度低于x向外侧板簧412和y向外侧板簧422。这样可以便于内侧板簧避让x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520，从而便于二维纳米柔性运动平台1的设置，便于降低二维纳米柔性运动平台1的整体厚度。

可选地，如图3和图4所示，基座100包括基板110、四个内连接凸台120和四个外连接凸台130。四个内连接凸台120在基板110的上表面间隔设置，每个x向内侧板簧411的两端分别与相邻的两个内连接凸台1120相连，每个y向内侧板簧421的两端分别与相邻的两个内连接凸台120相连。四个外连接凸台130在基板110的上表面间隔设置且位于四个内连接凸台120的外侧，每个x向外侧板簧412的两端分别与相邻的两个外连接凸台130相连，每个y向外侧板簧422的两端分别与相邻的两个外连接凸台130相连。这样可以便于板簧连接在基座100上。

具体地，如图3所示，每个x向柔性解耦件510包括两个x向外平行板簧511、两个x向内平行板簧512和两个x向刚性连接板513，两个x向外平行板簧511均与终端平台200的同一侧边沿相连，两个x向内平行板簧512位于两个x向外平行板簧511的内侧且与两个x向外平行板簧511平行设置，两个x向内平行板簧512均与对应的x向柔性导向件410相连，两个x向外平行板簧511分别通过两个x向刚性连接板513与两个x向内平行板簧512相连，每个y向柔性解耦件520包括两个y向外平行板簧521、两个y向内平行板簧522和两个y向刚性连接板523，两个y向外平行板簧521均与终端平台200的同一侧边沿相连，两个y向内平行板簧522位于两个y向外平行板簧521的内侧且与两个y向外平行板簧521平行设置，两个y向内平行板簧522均与对应的y向柔性导向件420相连，两个y向外平行板簧521分别通过两个y向刚性连接板523与两个y向内平行板簧522相连。这样可以保证x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520具有良好的结构强度和柔性，保证x向柔性解耦件510和y向柔性解耦件520对二维纳米柔性运动平台1的运动解耦效果。

可选地，x向驱动器610和y向驱动器620为音圈电机或压电陶瓷。这样可以便于驱动终端平台200精确移动。

具体地，如图1-图4所示，x向柔性解耦件510、y向柔性解耦件520、x向外侧板簧412和y向外侧板簧422在竖直方向上的高度相同。这样可以进一步便于驱动终端平台200精确移动。

更为具体地，如图4所示，终端平台200、x向柔性解耦件510、y向柔性解耦件520、x向外侧板簧412和y向外侧板簧422在竖直方向上的高度相同。这样可以更进一步便于驱动终端平台200精确移动。

可选地，如图4所示，x向连接杆310、y向连接杆320、x向内侧板簧411和y向内侧板簧421在竖直方向上的高度相同。这样可以便于x向连接杆310和y向连接杆320避让终端平台200，从而便于二维纳米柔性运动平台1的设置。

下面描述根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的光栅测量方法。根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的光栅测量方法包括以下步骤：

利用x向光栅传感器710测量终端平台200在x向上的位移，利用y向光栅传感器720测量终端平台200在y向上的位移；

根据x向光栅传感器710和y向光栅传感器720的检测值，计算得到终端平台200的平面位移。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的光栅测量方法，具有精度高、成本低和使用方便等优点。

根据本发明实施例的二维纳米柔性运动平台1的其他构成及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。