一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法与流程

本发明涉及柔性并联平台检测技术领域，更具体地，涉及一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法。

背景技术：

光电子封装是利用六自由度运动平台将光电子器件与输入、输出阵列光纤进行光学对准耦合的过程。光电子封装的运动平台需要实现六自由度的运动和亚微米级的定位精度，传统的运动平台采用的是串联式结构，串联式运动平台的结构精度差，误差有累积，无法消除回程间隙，而并联式运动平台具有承载力强、刚度好、结构紧凑、动态性好和精确定位能力好等优点。目前已经在光学精确定向系统、精密/超精密加工、军事等领域得到了越来越广泛的应用。

为了满足光电子封装的要求，将高精度、大行程的六自由度柔性并联平台用于光电子封装领域，来实现各芯片的位置与姿态的调整，实现多个模场之间的高精度耦合。采用六自由度的柔性并联平台装置通过多组柔性腿的协调运动实现运动平台的位置定位以及姿态的调整，基于柔性六自由度并联平台的柔性片体的铰链有效地克服了传统并联调整机构存在的技术缺陷。

由于现有的六自由度柔性并联平台的控制都是通过计算光栅尺的位移间接得到柔性并联平台的末端位姿，而且将检测器件固定在动平台上，附加的压力会干扰动平台的运动，因此会影响平台位置定位及实际位姿的检测调整的结果。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统及方法，该检测方法可使得该平台具有较高的位姿精度。

根据本发明的一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统，该系统包括六套位姿检测装置，用于检测动平台的六个自由度的位姿值。

所述位姿检测装置包括激光位移传感器。所述位姿检测装置的位姿检测精度为10μm。六套位姿检测装置的目的在于检测动平台中心的位姿。

所述位姿检测装置位于XYZ直角坐标系中，所述位姿检测装置包括两个用于检测X轴方向位移的第一传感器、两个用于Z轴方向位移的第二传感器和两个用于检测Y轴方向位移的第三传感器。

两个所述第一传感器沿X轴对称布置，两个所述第二传感器关于动平台中心对称布置，两个所述第三传感器位于YZ平面内，且两个所述第三传感器的连线与动平台的交点位于Y轴上。

两个所述第一传感器和两个所述第三传感器分别安装在动平台之外的支架上，两个所述第二传感器安装在动平台下方的支架上。

所述位姿检测装置用于检测动平台的直线位移，且通过直线位移计算得到转动角度。

在动平台运动时，所述第一传感器用于检测X方向的位移和绕Z轴的转角，所述第二传感器用于检测Z方向的位移和绕Y轴的转角，所述第三传感器用于检测Y方向的位移和绕X轴的转角。

本发明采用六个激光位移传感器对动平台的X、Y、Z方向直线位移以及X、Y、Z方向的转角进行检测，同时六个传感器均固定在动平台之外的支架上，动平台只需要安装检测挡板，减轻了动平台的压力，避免对动平台的运动造成干扰；而且传感器具有体积小、安装方便和成本低廉的优点。

根据本发明的另一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测方法，该方法包括：位姿检测装置检测动平台的直线位移，并通过直线位移计算得到转动角度；第一传感器检测X方向的位移和绕Z轴的转角，第二传感器检测Z方向的位移和绕Y轴的转角，第三传感器检测Y方向的位移和绕X轴的转角。

该方法还包括，光源发射出的激光光束与光纤耦合，再经波导器件入射至光功率计的激光探测器上，光功率计用于显示具体的数值信息，通过光功率计的反馈值实现微小位移的对准。

所述对准的方法包括单通道耦合对准方法与双通道耦合对准方法；微观位姿调整时先进行单通道耦合对准，再进行双通道耦合对准。所述单通道耦合对准方法，采用坐标轮换的方法进行横向平面的耦合对准，先任意选择其中一个坐标轴，采用耦合模型拟合法找到一维耦合极值点，再选择另外一个轴，采用同样的方法找到耦合极值点，如此反复，直到找到横向平面的模场耦合极值点。

所述双通道耦合对准方法，首先以i通道为中心进行模场称合对准，然后绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值。

本发明对柔性并联平台的动平台姿态的检测分为宏观位姿检测和微观位姿检测两个部分：宏观位姿检测使得位姿精度控制在十微米范围内，通过六套位姿检测装置测出六自由度平台的实际位姿；微观位姿检测是利用光功率计进行检测调整，通过光功率计来观察透光量的数据，以进行微调。

附图说明

图1为本发明实施例的检测装置的一角度示意图；

图2为本发明实施例的检测装置的另一角度示意图；

图3为根据本发明实施例的传感器的安装的示意图；

图4为根据本发明实施例的X向位移的示意图；

图5为根据本发明实施例的Y向位移的示意图；

图6为根据本发明实施例的Z向位移的示意图；

图7为根据本发明实施例的微小位移控制示意图；

图8为柔性并联平台闭环控制流程图；

图9为宏微结合检测平台示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在根据本申请的一个实施例中，参考图1和图2，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测系统，该系统包括六套位姿检测装置，用于检测动平台4的六个自由度的位姿值。

所述位姿检测装置包括激光位移传感器。所述位姿检测装置的位姿检测精度为10μm。六套位姿检测装置的目的在于检测动平台4中心的位姿。

所述位姿检测装置位于XYZ直角坐标系中，所述位姿检测装置包括两个用于检测X轴方向位移的第一传感器1、两个用于Z轴方向位移的第二传感器2和两个用于检测Y轴方向位移的第三传感器3。

两个所述第一传感器1沿X轴对称布置，两个所述第二传感器2关于动平台4中心对称布置，两个所述第三传感器3位于YZ平面内，且两个所述第三传感器3的连线与动平台4的交点位于Y轴上。

两个所述第一传感器1和两个所述第三传感器3分别安装在动平台4之外的支架上，两个所述第二传感器2安装在动平台4下方的支架上，如图3。

所述位姿检测装置用于检测动平台4的直线位移，且通过直线位移计算得到转动角度。

在动平台4运动时，两个所述第一传感器1分别在测量点S1和S2处测得X向位移为ΔXS1和ΔXS2，如图4，可以得到动平台4的中心在X方向的位移为动平台4绕Z轴的转角为

两个所述第二传感器2分别在测量点S3和S4处测得的Z向位移为ΔZS3和ΔZS4，如图6，动平台4在Z向的位移为动平台4绕Y轴的转角为

两个所述第三传感器3分别在测量点S5和S6处测得的Y向位移为ΔYS5和ΔYS6，如图5，动平台4沿Y向的位移为Δy＝ΔYS6-(ΔYS5-ΔYS6)(L-D/2)/D，动平台4绕X轴的转角为

动平台4的六个自由度的检测值如下表。

本发明采用六个激光位移传感器对动平台4的X、Y、Z方向直线位移以及X、Y、Z方向的转角进行检测，同时六个传感器均固定在动平台4之外的支架上，动平台4只需要安装检测挡板，减轻了动平台4的压力，避免对动平台4的运动造成干扰；而且传感器具有体积小、安装方便和成本低廉的优点。

根据本发明的另一个方面，提供一种光电子封装柔性并联平台末端位姿检测方法，该方法包括：位姿检测装置检测动平台的直线位移，并通过直线位移计算得到转动角度；第一传感器检测X方向的位移和绕Z轴的转角，第二传感器检测Z方向的位移和绕Y轴的转角，第三传感器检测Y方向的位移和绕X轴的转角。

该方法还包括，光源发射出的激光光束与光纤耦合，再经波导器件入射至光功率计的激光探测器上，光功率计用于显示具体的数值信息，通过光功率计的反馈值实现微小位移的对准。如图7所示。

具体来说，当柔性并联平台在以位姿检测装置作为反馈装置，由电机驱动到达指定位姿后，即柔性并联平台的宏观位姿检测调整完成，这时控制系统进行微观位姿的检测调整。控制系统的反馈装置不再以激光位移传感器作为反馈装置，而以光功率计的透光量作为反馈，当透光量达到设定值时，说明平台达到了目标位姿，平台停止运动。

微观位姿检测的原理是：首先以某一通道i进行光功率计的调整，当光功率计达到设定值的时候，说明单一通道i的对准完成，然后进行双通道位姿的调整。在i通道调整完毕后，然后柔性并联平台绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值，当j通道的对准完成时，也就是双通道的对准完成，说明微观位姿检测调整完成。

所述对准的方法包括单通道耦合对准方法与双通道耦合对准方法；微观位姿调整时先进行单通道耦合对准，再进行双通道耦合对准。

所述单通道耦合对准方法，采用坐标轮换的方法进行横向平面的耦合对准，先任意选择其中一个坐标轴，采用耦合模型拟合法找到一维耦合极值点，再选择另外一个轴，采用同样的方法找到耦合极值点，如此反复，直到找到横向平面的模场耦合极值点。

所述双通道耦合对准方法，首先以i通道为中心进行模场称合对准，然后绕i通道旋转，减少阵列光纤纤芯中心线的倾斜角度和j通道纤芯的偏移量，如此反复直到j通道的模场耦合效率大于指定的阈值。

图8为本发明的柔性并联平台闭环控制流程图。图9为柔性并联平台的结构示意图。整个检测分为宏观位姿检测和微观位姿检测两部分，宏观位姿检测通过6个激光位移传感器组成的宏观位姿检测装置来检测，检测的精度由激光位移传感器来保证，可以达到10μm，微观位姿检测是通过光功率计的透光量来实现，精度可达到亚微米级。整个柔性并联平台是通过电机来驱动的，通过控制器来对电机进行控制。对柔性并联平台进行控制时，本套宏微结合的检测装置主要体现在反馈部分，由宏微结合的反馈将整个控制流程分成了宏微结合的控制策略。

整个控制的流程：首先根据柔性并联平台为了实现的光纤对准的目的设置好柔性并联平台的期望末端位姿值或者期望末端位姿路径，根据运动学逆解，由平台的末端位姿值得到驱动柔性并联平台的六个直线电机的位移量。对柔性并联平台的控制首先是进入到宏观位姿控制环节，由六个激光位移传感器组成的宏观位姿检测装置来作为反馈，当驱动柔性并联平台的电机运动后，由宏观位姿检测装置检测到宏观末端的实际位姿，然后控制系统计算出宏观末端位姿误差，事先设定好柔性并联平台的宏观位姿理论值与实际值的误差值，当宏观位姿检测装置检测到的宏观位姿理论与实际值大于设定值时，用控制算法算出末端位姿误差的补偿值，再根据运动学逆解，得到需要修正的电机位移量，电机运动后，由宏观位姿检测装置进行位姿检测，重复以上循环，直至宏观位姿误差小于设定值，说明柔性并联平台的宏观位姿检测调整结束，接下来进行柔性并联机器人的微观位姿检测调整。进行微观位姿检测调整控制的时候，首先进行单通道对准，然后进行双通道光纤对准，再根据控制算法计算出微观末端位姿的调整值，通过运动学逆解，得到微观修正电机的位移量，再重新进行通道对准，直至双通道耦合效率大于指定的阈值，说明微观位姿检测调整结束，柔性并联平台位姿检测调整结束。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。