一种方位可控的微运动平台及其方位控制方法与流程

本发明公开了一种方位可控的微运动平台及其方位控制方法，属于微机电一体化技术，微纳技术领域。

背景技术：

扫描电子显微镜因其能对被观察样品微观形貌及成分进行深入分析，且具有纳米级分辨率的特点，在微纳技术及微纳操作领域的应用越来越广泛。扫描电子显微镜用传统的样品观测平台具有若干系列规格尺寸，标准化程度较高，且每次观察样品仅能对样品某一特定表面形貌进行观察，若需对其他方位的结构特征进行观察时需多次人工更换样品平台或样品方位，长期反复更换会破坏扫描电子显微镜真空腔的真空度，降低设备使用寿命，且会产生耗费周期较长、所需方位定位不准确等不确定问题。同时，扫描电子显微镜具有狭窄的真空腔，这就要求样品观测平台具备体积小、灵活性好等多功能性特点。此外，借助于扫描电子显微镜的微纳操作技术的发展使得在微纳米尺度下对研究对象进行操作及表征成为可能，然而微纳米机器人的操作范围及方位有限，限制了微纳米操作机器人应用的进一步推广和延伸。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种方位可控的微运动平台及其方位控制方法，解决了现有平台人工更换次数多、效率低、方位不可控、定位不准确等问题，同时可扩展基于扫描电子显微镜的微纳米操作机器人的空间操作范围，提高自动化观测和操作程度。

为了达到上述目的，本发明的构思是：针对扫描电子显微镜观察样品时存在需多次手工更换观样平台、自动化程度低、效率低、方位不准确等问题，同时为了拓展基于扫描电子显微镜的微纳米操作机器人的可操作空间范围和提高自动化观测和操作程度，本发明提供了一种方位可控的微运动平台及其方位控制方法。该装置主要包括微运动平台周向旋转单元、平台俯仰运动单元及基础平台；所述微运动平台周向旋转单元采用多级压电陶瓷模块驱动齿条齿轮机构，从而实现微运动平台可控的周向运动；所述微运动平台俯仰运动单元采用微马达驱动齿轮机构，以此完成对微运动平台可控的俯仰运动。所述方位可控的微运动平台的两种可控运动模式，具有的优先顺序为：利用平台周向旋转单元结合图像处理方法先进行可控的周向旋转运动，完成周向方位后再进行可控的俯仰运动。同时，为了避免损坏设备，平台上对称布置了压力传感器，从而可实现自保护功能。根据上述两种可控运动模式的协作，实现了对目标位置空间方位的准确定位。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种方位可控的微运动平台，应用于扫描电子显微镜真空腔室内，主要包括周向旋转单元、俯仰运动单元及基础平台，所述周向旋转单元安装于支撑装置上，该支撑装置固定在基础平台上，所述周向旋转单元的多级压电陶瓷模块与齿条相互啮合，该齿条通过中间的换向增力齿轮与平台旋转齿轮相互啮合，而平台旋转齿轮安装于中心支撑圆柱上，该中心支撑圆柱垂直作用在推力轴承上，从而利用周向旋转单元实现微运动平台可控的周向运动；所述俯仰运动单元利用支撑装置固连在中心支撑圆柱上，该中心支撑圆柱通过基础平台下方的螺纹孔安装在电子显微镜真空腔室内，所述俯仰运动单元的微马达与主动小齿轮同轴连接，该主动小齿轮与被动大齿轮相互啮合，两根支撑用连杆的下端与被动大齿轮同轴固连，该支撑用连杆的上端固连在俯仰运动单元的圆板下面，从而利用俯仰运动单元实现微运动平台可控的俯仰运动；所述圆板上表面一定距离处对称布置两个压力传感器，该压力传感器通过支撑装置固连在支撑圆环上面，三个支撑架固连在支撑圆环下表面，该支撑架安装在中心支撑圆柱上，从而压力传感器能随周向旋转单元一起旋转。

一种方位可控的微运动平台方位控制方法，使用上述的方位可控的微运动平台进行操作，首先给定微运动平台周向旋转的目标方位参考点(x1,y1)，根据标定的周向初始方位参考点(x0,y0)，判断微运动平台周向旋转运动方向，计算微运动平台周向旋转所需的最小角度α，从而启动周向旋转单元，以此对微运动平台进行周向方位可控调整；利用图像处理方法对微运动平台周向旋转的实际方位角度与目标方位角度进行比较，并作为反馈信号驱动周向旋转单元对角度偏差进行校正，以此实现对微运动平台周向方位的准确定位；

其次，在固定微运动平台周向目标方位的前提下，根据给定微运动平台俯仰目标方位与初始方位，判断微运动平台俯仰运动方向，计算微运动平台俯仰运动所需的最小角度Δγ，启动俯仰运动单元，对微运动平台实现可控的俯仰方位调整，当微运动平台绕顺逆时针进行俯仰运动时，会碰触到压力传感器，触发的警报电信号实时切断俯仰运动驱动电路，以此起到自保护作用；最终实现了对微运动平台的方位可控操作。

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：

本发明利用周向旋转单元结合俯仰运动单元可自动实现目标方位的空间准确定位，同时拓展了基于扫描电子显微镜的微纳米操作机器人的可操作空间范围和提高了自动化观测和操作程度，具有自动化程度高、方位可控、空间定位精度高、效率高等显著优点。

附图说明

图1为方位可控的微运动平台结构示意图。

图2为方位可控的微运动平台A向结构示意图。

图3为微运动平台周向方位准确定位流程图。

图4为微运动平台俯仰运动示意图。

图5为微运动平台俯仰运动自保护流程图。

图6为微运动平台方位控制方法流程图。

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。

如图1、2、4所示，一种方位可控的微运动平台，应用于扫描电子显微镜真空腔室内，主要包括周向旋转单元16、俯仰运动单元7及基础平台14，所述周向旋转单元16安装于周向旋转单元支撑装置15上，该周向旋转单元支撑装置15固定在基础平台14上，所述周向旋转单元16的多级压电陶瓷模块1与齿条2相互啮合，该齿条2通过中间的换向增力齿轮3与平台旋转齿轮4相互啮合，而平台旋转齿轮4安装于中心支撑圆柱12上，该中心支撑圆柱12垂直作用在推力轴承21上，从而利用周向旋转单元16实现微运动平台可控的周向运动；所述俯仰运动单元7利用俯仰运动单元支撑装置11固连在中心支撑圆柱12上，该中心支撑圆柱12通过基础平台14下方的螺纹孔13安装在电子显微镜真空腔室内，所述俯仰运动单元7的微马达17与主动小齿轮18同轴连接，该主动小齿轮18与被动大齿轮19相互啮合，两根支撑用连杆9的下端与被动大齿轮19同轴固连，该支撑用连杆9的上端固连在俯仰运动单元7的圆板5下面，从而利用俯仰运动单元7实现微运动平台可控的俯仰运动；所述圆板5上表面一定距离处对称布置两个压力传感器20，该压力传感器20通过压力传感器支撑装置8固连在支撑圆环6上面，三个支撑架10固连在支撑圆环6下表面，该支撑架10安装在中心支撑圆柱12上，从而压力传感器20能随周向旋转单元16一起旋转。

如图3、5、6所示，一种方位可控的微运动平台方位控制方法，使用上述的方位可控的微运动平台进行操作，首先给定微运动平台周向旋转的目标方位参考点(-30,0)，根据标定的周向初始方位参考点(0,30)，判断微运动平台周向旋转运动方向为逆时针，计算微运动平台周向旋转所需的最小角度为90°，从而启动周向旋转单元16，以此对微运动平台进行周向方位可控调整；利用图像处理方法对微运动平台周向旋转的实际方位角度与目标方位角度进行比较，并作为反馈信号驱动周向旋转单元16对角度偏差进行校正，以此实现对微运动平台周向方位的准确定位；

其次，在固定微运动平台周向目标方位的前提下，根据给定微运动平台俯仰目标方位与初始方位，判断微运动平台俯仰运动方向为逆时针，计算微运动平台俯仰运动所需的最小角度为5°，启动俯仰运动单元7，对微运动平台实现可控的俯仰方位调整，当微运动平台绕逆时针进行俯仰运动时，会碰触到压力传感器20，触发的警报电信号实时切断俯仰运动驱动电路，以此起到自保护作用；最终实现了对微运动平台的方位可控操作。

本发明的实施例主要对扫描电子显微镜下的微运动平台进行可控的方位操作，利用平台周向旋转单元结合平台俯仰运动单元可实现自动运动，同时，基于图像处理的周向角度偏差校正方法实现了空间方位准确定位，且俯仰运动具有自保护功能。