（机械电子工程专业论文）扫描电镜载物台定位系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 空间少自由度并联机器人由于具有结构相对简单、刚度质量比大、易 控制、精度高等特点，在各个领域有着广阔的应用前景，开始受到国内外 学者的关注，因而成为机器人领域的一个新的研究热点。本文针对扫描电 镜载物台定位装置结构复杂、操作不变的缺点，设计了基于少自由度并联 机构的扫描电镜载物台定位系统。该系统有两套方案：一为手动定位机构， 主要由4 - p u u 和r u p r u 随动分支组成，另。个为自动定位机构，主要由 4 u p u 加一电机组成。本文针对这随种机构进行了运动学和动力学的分析， 同时介绍了这两种机构在微操作系统中的应用。 首先，论文在分析了4 - p u u 和4 - u p u 两种少自由度并联机构模型的 特点及其自由度的基础上分析了它们的运动学，推导出其位置、速度、加 速度正反解公式，并进行了数值验证。同时，论文分情况讨论了这两种机 构的工作空间和奇异形位，通过编程得到机构在定姿态下的工作空间的立 体图和截面图。 其次，论文针对4 - u p u 机构建立了动力学模型并用拉格朗r 法对其进 行了动力学的分析，通过编程得到了分支驱动力与动平台位蓬、速度、加 速度变化的关系，分析，机构的动力学特性。 最后，论文构建了一个基于显微视觉的微操作系统，介绍了系统中各 部分的性能以及这两种机构在系统中作为操作手的应用，并利用软件对机 构的运动学进行了仿真。 论文的研究工作为进一步研究利用卜述两种少自由度并联机构奠定了 理论基础。另外，论文中介绍的机构在微操作系统中的应用更加证明了 少自由度并联机器人将会在各个领域应用更加广泛。 关键词扫描电子显微镜；并联机构；运动学：动力学：微操作系统 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s p a t i a li m p e r f e c t - d o fp a r a l l e l r o b o t sh a v e r e c e i v e dm u c hs c h o l a r s ， a t t e n t i o no fa l lt h ew o r l da n dh a v eab r o a d p e r s p e c t i v ei nv a r i o u sf i e l d sf o rt h e a d v a n t a g e so f t h e i rs i m p l em e c h a n i s m ，h i 曲r i g i d i t ym a s sr a t i o ，e a s yc o n t r o l a n dh i g hp r e c i s i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w ed e s i g nt h es e mo b j e c t i v et a b l e p o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h es p e c i a lp a r a l l e lm e c h a n i s m sl e s st h a n6 - d o f b ya n a l y z i n gi t sd i s a d v a n t a g eo ft h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n di n c o n v e n i e n t o p e r a t i o n t h i ss y s t e mh a st w os i d e s ：o n ei sm a n u a lp o s i t i o n i n gm e c h a n i s m m a d e u po f 4 - p u ua n df o l l o w i n gl e gr u p u r a n dt h eo t h e ro n ei sa u t o m a t i c p o s i t i o n i n gm e c h a n i s m m a d e u po f 4 - u p ua n dam o t o r t h e o r ya n a l y s i sa b o u t t h et w om e c h a n i s m si n c l u d i n gk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa r es t u d i e d a l s o ，w e i n t r o d u c et h e a p p l i c a t i o n o ft h e s et w o p a r a l l e l m e c h a n i s m si nt h em i c r o o p e r a t i o ns y s t e m f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so f m e c h a n i s mm o d e lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d o fo ft h e p a r a l l e lm e c h a n i s m s l e s st h a n6 - d o f , t h ek i n e m a t i c so f4 一p u ua n d 4 - u p ui s a n a l y z e d d u r i n g t h ec o u r s e ，w e g a v e t h ef o r w a r da n dr e v e r s e f o r m u l aa b o u tp o s i t i o n ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o n ，a n dt h en u m e r i c a lv a l u e sa r e t e s t e dt o o a tt h es a m et i m e ，t h ew o r k s p a c ea n dt h es i n g u l a r i t yp o s i t i o no f t h e s e t w om e c h a n i s m sa r es t u d y e d t h r o u g ht h ep r o g r a m ，w eg e tt h ec h a l to ft h e w o r k s p a c eo f t h e m e c h a n i s mw i t ht h ef i x e dp o s e s e c o n d l y , w ef o u n d t h e d y n a m i cm o d e l o f4 - u p ua n da n a l y z et h e m e c h a n i s md y n a m i c s b yp r o g r a m m i n g ，w ea l s og e tt h er e l a t i o n s h i po ft h e b r a n c hd r i v i n gf o r c ew i t ht h ec h a n g eo fp o s i t i o n ，v e l o c i t ya n da c c e l e r a t i o no f t h ep l a t f o r m ，a n da n a l y z et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w e s e tu pam i c r ov i s u a ls e r v om i c r oo p e r a t i o n s y s t e m ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m sc o m p o n e n ta n dt h em e c h a n i s m s o t h e ra p p l i c a t i o na sam a n i p u l a t o ri nt h es y s t e ma r em e n t i o n e dd e t a i l e d t o o t h ek i n e m a t i c so ft h em e c h a n i s m i ss i m u l a t e d u s i n gs o f t w a r e ， 摘要 t h ew o r ko ft h i st h e s i se s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef r r t h c l r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h e s et w op a r a l l e l m e c h a n i s m s o t h e r w i s e ，t h e a p p l i c a t i o no f t h ep a r a l l e lm e c h a n i s mi nm i c r oo p e r a t i o ns y s t e mm e n t i o n e di n t h ea r t i c l ep r o v e dt h ef u t u r ea p p l i c a t i o nw i l lb em o r ea n dm o r ew i d e l y k e y w o r d ss e m ；p a r a l l e lm e c h a n i s m ；k i n e m a t i c s ；d y n a m i c s ；m i c r oo p e r a t i o n s y s t e m 第t 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 机器人技术一直是世界各国竞桐发展的高科技之一，近年来，空间并 联机器人又引起了国内外学者的广泛兴趣。1 9 3 8 年，p o l l a r d t l 】提出采用并 联机构来给汽车喷漆；1 9 6 5 年，s t e w a r t 2 1 对这种六自由度的并联机构进行 了分析：1 9 7 8 年，澳大利亚著名机构学教授h u n t l 3 1 提出将并联机构用于 机器人手臂；1 9 7 9 年，m a e c a l l i o n 和p h m n t 4 1 首次利用并联机构设计出了 用于装配的机器人，由此拉开了并联机器人研究的帏幕。 并联机器人是类全新的机器人，它与传统的串联机器人相比，具有 以下优点： ( 1 ) 刚度质量比大，结构稳定； 但) 承载能力强，精度高； ( 3 ) 运动惯性小，控制容易。 并联机器人弥补r 串连机器人的不足，因而扩大了整个机器人应用领 域。 1 2 并联机器人的研究现状 自1 9 7 8 年h u n t 提出并联机器人结构模拟以来，并联机器人的研究受 到许多学者的关 j = 。美国、门奉先后有r o n e ) ，f i c h e r ，s u g i m o t o ，d u f f y 等一批学者从事研究，英国、德国、俄罗斯等一些欧洲国家也在研究。1 9 9 4 年9 月，在芝加哥i m t s 9 4 国际博览会上美国g i d d i n g & l e w i s 公司推出 了基于s t e w a r t 平台的v a r i a x 虚拟轴机床，被称为“本世纪机床首次革命 性改型”和“2 l 世纪的机床”。此后，德国f r a u n h o f e r 机床和成形技术研究 所为模具高速加工研制了一种6 x 型并联机床。瑞士技术院机床与制造技 术院和机器人院联手研制出了名为i w f 的h e x a g l i d e 虚拟轴机床，如图 1 1 所示。我国也非常重视并联机器人及并联机床的研究与丌发。国内燕 燕山人掌| l ：学硕十学位论文 山大学的黄真教授自1 9 8 2 年以来在美国参加了此项内容的研究，并于 1 9 8 3 年取得了突破性的进展。中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工 、i k 大学、清华大学、北京航天航空大学、天律大学、燕山大学等许多单位 也在开展这方面的工作，并取得了一定的成果f 5 9 1 。其中1 9 9 0 年燕山大学 ”o j 研制的机器人误差补偿器是中国第一台并联机器人样机，如图1 2 既 示。图1 3 为燕山大学机器人研究中心研制的5 - s p s p r p u 并联机床一 蚓i 一1h e x a g l i d e 虚拟轴机床 f i g1 一ih e x a g l i d ev i r t u a la x i s m a c h i n et o o l 剧t 一2 热山火学机器人误差补偿嚣 f i g 1 2r o b o t i ce r r o rc o r r l p e l l s a l o r o f y a n s h a nu n i v e r s i t y 均1 3 燕山大学5 - s p s p r p u 并联机床 f i g 1 35 - s p s p r p up a r a l l e lm a c h i n et o o lo fy a n s h a nu n i v e r s i t y 2 第1 苹绪论 1 3 少自由度并联机器人的研究现状 人们为并联机构上述特点所吸引，纷纷开展机构学及其控制等问题的 研究，并设法把此种新型机构应用于生产实际中。目前，具有3 ，4 自由度 的并联机构已得到了一定的应用，许多理论问题也得到了一定程度的解 决。 1 9 8 3 年h u n t 提出三自由度的3 - r p s 空间并联机构，该机构由上下 平台和三个r p s 分支构成，如图1 - 4 所示。1 9 8 8 年c l a v e 提出了一种称 为d e l t a 1 2 , 1 3 1 的三维移动机构，该机构为1 7 杆2 l 运动副，其中1 z 个球面 副，机构十分复杂，如图i - 5 所示。 幽1 - 43 - r p s 二自由度并联机器人 图1 5d e l t a 并联机器人 f i g 1 43 - r p sp a r a l l e lr o b o to f 3 d o f f i g 1 5 d e l t ap a r a l l e lr o b o t 1 9 9 5 年t s a i l l 4 】发明了一种较简单的三自由度三维移动机构，申报美 国专利，该机构也是1 7 杆2 1 运动副的机构。1 9 9 6 年黄1 15 a 6 提出了多种 新型空间机器人机构模型，其中典型的机构为3 - r p s 立方角台机构和 3 - r r r 球面机构，并应用螺旋理论分析了它们的瞬时运动。1 9 9 8 年 g r e g o r i o 【1 7 j 对t s a i 提出的3 - u p u 平台自由度移动机构进行了分析，并提 出了3 - r r p r r 并联三维移动机构；2 0 0 0 年文【1 8 】又提出了一种混合型的 空间四自由度并联平台机构模型3 - 3 u r u s p s 并联机构，并讨论了它的机 构学原理。随后，文【1 9 】中用约束力螺旋和运动螺旋系进行抽象的数学综 合的方法，构造出多种符合要求并具有良好的应用价值的新型空间少自由 燕山大学工学硕士学位论文 度并联机构，如4 - u r u ，4 - u p u 等并联机构。些很有应用价值的并联 少自由度机器人机构模型已被提出，如何将这些机构应用到实际当中去是 把理论和实践结合起来这一环节的重要内容。 1 4 微操作机器人研究综述 随着微细加工、精密测量、显微镜等相关技术的发展，在许多领域中， 对被操作目标的微小化不断提出更高的要求。微小化已经成为最近十年来 最重要的技术趋势之一。例如对生物细胞( 1 0 1 5 0 t a m ) ) 及染色体的操作，微 机电系统( m e m s ) 部件( 1 0 1 0 0 u m ) 的定位和装配、微电子加工、光纤 ( 妒1 2 5 岬) 对接、显微外科手术等，都对研制自动的高定位精度的微操作机 器人( r o b o t i cm i c r o m a n i p u l a t o r ) 提出了迫切的要求，这促进了机器人的一 个新的应用领域一微动机器人的发展。 为实现对微小物体的显微操作，早在三十年代就开始了对微操作技术 的研究，如e m e r s o n 研制的机械式微操作器【2 ，d ef o n b r u n e 的气动式微 操作器川，c a i l l o u x 的液压式微操作器位2 1 。操作皆为手动方式，微操作器 机构将操作手柄上的人手运动按大比例缩小，在末端工具上实现直接的精 微运动。 对微操作的自动化要求是在六十年代提出来的。为了能够实现精确定 位和快速运动，这是通过手动操作位移缩小机构难以实现的。为解决这一 问题，1 9 6 2 年，美国d a r t m o u t h 医学院的e l l i s i ”i 研制了压电陶瓷驱动的 微操作器，采用柔性铰链机构，以金属丝作为柔性铰链。 8 0 年代末9 0 年代初国际上掀起了微操作机器人研究的高潮。在对众 多的高精度微位移器的研究中，压电驱动器获得越来越广泛的重视，辅以 各种形式的柔性铰链机构作为亚微米级的操作手己经成为微操作机器人 研究的主流。1 9 8 9 年日本日立公司h a r a 对柔性铰链并联机构的综合方法 进行了研究，提出以常数j a c o b i a n 矩阵描述机构的运动模型【2 “。1 9 9 1 年 只本n a g o y a 大学f u k u d a 等建立的微操作机器人采用6 自由度串联柔性 铰链机构，压电陶瓷驱动，末端采用非接触传感器检测位姿，用贴有应变 片的悬臂梁检测微力，实现微力控制1 2 5 1 。美国佐治亚理工学院l e e 等对 4 第l 章绪论 胍i 乜陶瓷驱动的3 自由度3 - r p s 并联机构进行了深入的研究，建立了机 构样机，导出r 闭式的正向运动学模型，并进行实验验证，对末端转角的 测量采用安装激光反射镜进行位移放大的方法f 2 6 1 。 9 0 年代中期，视觉伺服控制对微操作系统的重要性逐渐受到人们的 重视。1 9 9 5 年f 1 本东京大学高级科技研究中心s a t o 讨论了视觉系统和视 觉伺服控制对于微操作的必要性。建立了具有视觉功能的纳米级微操作机 器人系统，如图l 一6 所示，由两只三自由度微操作手组成，压电陶瓷驱动， 视觉系统由扫描电子显微镜和图像处理计算机组成，控制系统各模块之阳j 通过以爪网通讯。通过操纵杆遥控实现了5 9 m 铁球的排列，如图1 7 所 “j 。在l ：环控制下用钨针在铝表面写出1 5 p m 的汉字，如图l - 8 1 27 “所示。 幽1 6 微操作机器人系统图 r i g1 6m i c r o o p e r a t i o nr o b o ts y s t e m 酬l 一75 微米铁球的排列 f i g1 7a r r a n g eo f5 9 i nb a l 幽i 81 5 微米的汉字 f i g 1 8 15 p r oc h i n e s ec h a r a c t e r s 5 燕山大学工学硕士学位论文 1 9 9 6 年瑞士p a p p a s 等建立的微操作机器人系统有两只4 自由度操作 手，右手由压电陶瓷驱动的3 自由度平面机构和直流电机驱动的z 向运动 平台构成，平面运动分辨率为l n m ，z 向重复精度1 9 m ，左手平动由直流 电机驱动，重复精度1 9 m ，绕y 轴转动由压电陶瓷驱动，分辨率为o 1 叫a d 。 视觉系统采用光学显微镜，图象处理采用模板匹配方法，位置测量精度可 达1 5 0 象素，并进行了3 自由度平面运动的视觉控制的研究【2 9 1 。 德国k a r l s r u h e 大学过程控制机器人研究所的研究工作，f 砒i k o w 等为 实现微系统自动装配，对微操作机器人系统的各方面技术进行了广泛而深 入的研究。为了能够在达到高精度的同时，又能实现大范围的运动，研制 了多种压电驱动的行走式微操作机构【3 。图1 9q a ) 所示为第一代机器人 m 1 n i m a n i ，行走方式采用s l i p s t i c k 原理，三条腿由可弯曲的压电陶瓷 驱动，分辨率为l o 纳米，最大行走速度达3 0 m m s 。有两只独立的操作手， 采用与行走方式相似的驱动原理，由三个压电陶瓷驱动，关节由磁铁吸附 的金属球构成。第二代机器人m i n i m a n 1 1 ，如图1 9 ( b ) 所示，较 m i n i m a n i 体积更小巧，操作手改为一只，末端加有b i m o r p h 压电陶瓷 驱动的两指夹持器，较控制两只独立的操作手实现夹持操作更容易。第三 代机器人s p i d e r ，i i ，如图1 - 9 ( c ) 所示，行走方式改为步行式，由六条腿 组成，由b i m o r p h 压电陶瓷驱动，驱动电压大大降低。该研究所并为微操 作机器人系统研制了计算机显微视觉系统，由全局视觉和局部视觉两部分 组成【3 1 1 。全局视觉由c c d 摄像头和安装于机器人上的三个l e d 构成， 用于确定机器人整体位姿和检测工作空间，精度o 5 m m ，局部视觉由显微 镜和安装在上面的c c d 摄像头组成，用于确定微操作手和目标的精确位 置，微米级精度，并探讨采用激光三角测量法获得深度信息。研制的微力 传感器由贴于操作手末端的应交片构成，在1 0 m n 量程内分辨率为 l5 0 u n 。该微操作机器人是一个较复杂的系统，因此控制系统也比较复杂， 采用了并行计算机阵列的体系结构，具有开放性i “，如图l l o 所示。文 献1 3 2 1 、【3 3 1 对微装配操作的规划开展了研究，在考虑部件微观尺寸和工 作空间的情况下，建立了通用微装配模型，提出装配可能顺序的产生标准 和最佳装配方案的优化标准，并开发了相应的自动工序算法。 6 第1 章绪论 ( a ) ( b ) ( c ) 图1 9 机器人m i n i m a n i 、m i n i m a n i i 和s p i d e r 一1 f i g 1 - 9r o b o t m i n i m a n i 、m i n i m a n 一儿a n ds p i d e r - 翻l 1 0 并行计算机阵列的体系结构 f i gi - 1 0p a r a l l e lc o m p u t e rm a t r i xs y s t e ms t r u c t u r e 九十年代初，我国也开始了对微操作机器人技术的研究。1 9 9 4 年广 东工学院杨宜民教授等首先研制出仿生型直线压电驱动器，精度是o 5 微 米3 4 i 。1 9 9 5 年哈尔滨工业大学研制了六自由度柔性铰链并联微操作机器 7 燕山人学工学硕士学位论文 人，采用压电陶瓷驱动，重复精度2 0 纳米，释机如图1 1 1 所示1 3 5 1 1 3 6 1 。并 采用f u z z y p i 方法实现对压电驱动器的控制l ”l 。1 9 9 9 年清华大学精密仪 器与机械学系郑巍等对用于m e m s 部件装配的微操作系统的实现方法进 行了研究，提出采用双操作手及立体扫描电子显微镜，由计算机控制实现 自动装配的方案f 3 8 1 ，并对并联微动机构进行了深入研究3 9 l 。 北京航空航天大学机器人研究所研制的六自由度微操作机器人实验 系统，系统照片如图1 - 1 2 ( a ) 所示，采用自行研制的柔性铰链串并联机构， 如图1 - 1 2 ( b ) 所示，能够实现平面运动和其它运动自由度的解耦，压电陶 瓷驱动，采用应变片作为位移传感器，由p c 机实现驱动器的闭环控制和 轨迹规划，采用光学显微镜和p c 机构成计算机视觉观察系统。实验中由 机器人在光盘表面画出了直径和边长分别为1 4 u m 的圆和矩形，如图1 一1 3 所示。 幽1 11 哈：大研制的微操作机器人 f i g 1 1 1m i c r o o d e r a t i o nr o b o t o f h a r b i ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ( a )( b ) 划1 1 2 串井联微操作机器人系统和机构 f i g i 一12s e r i e s p a r a l l e lm i c r o o p e r a t i o nr o b o ts y s t e ma n dm e c h a n i s m 8 第1 章绪论 阳1 1 3 微襟仃机器人回酗实验结果 f i g 1 - 13e x p e r i m e n tr e s u l td r a w nb ym i c r oo p e r a t i o nr o b o t 国内外对微操作机器人技术开展的研究，都处于实验窀阶段，基本p 足选择多个应用背景，专注于高精度机构、驱动器的研制、精确控制的实 现、微观量的测量、微观物理现象等几个关键问题上。 1 5 本论文主要研究内容 本论文的研究内容在燕i i j 大学科研平台资助的课题“微操作机器人系 统及其应用研究”下展开。该课题以国内外观有的微操作机器人研究成果 为基础，对微操作系统相关的技术进行深入研究，以建立基于扫描电子显 微镜( s e m ) 环境下的微操作并联机器人系统及其研究应用甲台，并对其进 行理论分析，为以后该机构在实际当中更好的应用做准备。本文的内容和 纰纵结构如下： 第1 章对并联机器人、微操作系统研究的背景和意义、微操作系统的 研究历史和现状进行综述。 第2 章介绍现有的扫描电镜载物台定位装霄及其存在问题，提出两套 改造方案：手动定位机构，主要由机构4 p u u 组成，自动定位机构，主要 l 1 机构4 一u p u 组成，并对这两种机构进行设计和运动学分析。 第3 章对两种定位机构进行工作空间和特殊形位的分析。 第4 章利用拉格朗f i 法对机 f i j 4 u p u 进行动力学分 厅。 第5 章介绍这两种机构在微操作系统中的应用，并用软件对其进行运 d i ，学仿真。 9 燕山人学j 学硕十学位论文 第2 章s e m 载物台定位机构设计及运动学分析 2 1 概述 并联少自由度机器人已成为机器人领域中新的研究热点。这类机器人 具育结构相对简单、质量刚度比大、造价低等优点只有极高的实际应用 价值和广泛的应用的景。但是由于组成不同种类的少自由度机器人机构的 运动副的种类、数 j ，杆件的数目及上、f j r 台的形状不年目同，它们的自 由度数以及运动特性也有很大的差别。 本章基 i 在扫描电子显微镜环境卜的应用设计了两种四自由度的并 联机器人4 p u u 和4 - u p u ，这两种机构山 日同的运动副按不同的顺 序排列组成，我们针对这两种机构分别进行运动学分析。 2 2 现有s e m 载物台定位机构及存在问题 阁2 一】为扫描电子显微镜外观图，图2 - 2 为现囱扫描电镜载物台定位 装胃【訇。 斟2 一l _ 描电f 显微镜外观i 型 f i g ，2 一i s e mo u t s i d ev i e w 0 第2 章s e m 载物台定位机构设计及运动：学分析 阁2 ，2 扫描电镜载物台定位装苴 f i g 2 - 2s e mo b j e c t i v et a b l ep o s i t i o n i n gu n i t 蚓2 3 扫描电镜内腔示意幽 f i g 2 3 s e ml u m e ns k e t c hm a p 扫描电镜内腔示意图如图2 3 所示，尺寸为 f 1 ) 工作腔：直径1 5 0 m m ，深2 4 5 m m ( 2 ) 滑轨：高度2 5 m m ，宽度8 0 r a m 燕山人学r 学硕士学位论文 ( 3 ) 载物台：距底座1 4 5 0 m m ，长5 5 r a m ，宽1 0 r a m ，高2 0 m m ( 4 ) 载物台移动范围：x 方向l o 一1 5 m m ，y 方向1 0 1 5 m m ，z 方向2 0 m m ( 5 ) 电子束发射器超出内腔顶端小于1 5 m m 我们可以发现该定位装置宏观上是一个串连机构。调节旋钮在底座 上，转动不同的旋钮经过装置内部一系列杠杆、齿轮等部件串联的传动， 使载物台可以沿三个坐标轴移动和绕x 、z 两个轴转动，坐标系的建立如 图2 4 所示。 从中我们可以看到该装置存在的一些问题 ( 1 ) 定位装置结构复杂。我们知道，串连机构的驱动是加在机构关节 l 的，这样控制比较简单，但该串连装置的驱动调节旋钮却放在底座上， 然后经过内部部件复杂的传动实现载物台的定位，这实际上形成一个串连 和并联并存的混联机构，这样调节起来非常困难。 ( 2 1 调节过程手动进行，载物台的运动具有耦合性，定位精度比较低。 针对这些问题，我们将设计一套新的扫描电镜载物台定位系统。 2 3s e m 载物台定位机构设计 根据以上对现有s e m 载物台定位装置的介绍和存在问题的分析，我 们、最讣了手动定位机构和自动定位机构两套方案来代替现有扫描电镜载 物台的定位装置。 2 - 3 1 手动定位机构设计 手动定位机构是在并联机构4 - p u u 的基础上加一随动分支r u p u r 组成的，如图2 - 4 所示，主要的设计思路有以卜几点： ( 1 ) 机构4 - p ( j u 具有4 个自由度，动平台可实现空间沿三个坐标轴的 移动和绕z 轴的转动，坐标系如图2 - 6 所示。若将其平放在s e m 内腔中， 则其动半台可实现沿二个坐标轴的移动和绕爿轴的转动。旋转底座上的 旋乍n 时，随动分支可带动齿轮传动，能使载物台产生绕z 轴旋转的运动， 这就能够满足载物台运动的需要了。可以看出，随动分支只是用来使载物 台产生绕z 轴旋转的运动，对动平台不产生任何约束，所以况手动定位机 1 2 第2 章s e m 载物台定位机构设计及运动学分析 构并不是一个纯并联机构，而是一个串并联并存的混联结构。 ( 2 ) 机构4 - p u u 除了具有上节叙述的并联机构的特点外，还有一个重 要的方面就是机构输入端可以固定在底座上，于动控制比较简单。 图2 4 手动定位机构 f i g 2 4 m a n u a lp o s i t i o n i n gm e c h a n i s m 2 3 2 自动定位机构设计 自动定位机构是在机构4 一u p u 的动平台上加一电机构成的，如图2 5 所币。主要设计思路是： ( 1 ) 机构4 - u p u 同4 - p u u 一样具有4 个f | 由度，动平台可实现空间沿 一个坐标轴的移动和绕z 轴的转动，坐标系如阁2 - 6 所示。将其平放存 阳2 5f | 动定付机构 f i g 2 5 a u t o m a t i cp o s i t i o n i n gm e c l l a n i s m 1 3 燕山大学i ：学硕士学位论文 s e m 内腔中，则其动平台也可实现沿三个坐标轴的移动和绕磷由的转动。 在动平台上串连一电机，可使载物台绕础旋转，能够满足载物台运动的 需要。该定位机构也可看作是一个串并聪并存的混联结构。 ( 2 ) n 动单元放在机构分支内部，由电机带动丝杠运动产生直线位移， 方便自动控制。 2 - 3 3 手动定位机构模型及其螺旋运动 手动定位机构中串连的随动分支对机构动平台的运动不产生任何影 响，所以我们只分析机构4 - p u u ，机构模型及坐标系的建立如图2 - 6 所示。 u rf a 4 蚓2 64 - p u u 机构模科 f i g 2 6 4 - p u um e c h a n i s mm o d e l 该机构有四个分支，每个分支由两个虎克铰和一个移动副组成。虎克 饺可以认为是由两个轴线瓦相垂直的旋转副组成，所以每个分支可以认为 由四个转动副和一个移动副组成。我们假设各分支第四转动副和第五转动 副的轴线交点b 位于上平台所在的平面内，构成边长为2 d 的正方形，该 诈方形的中心p 即为上平台东坐标系的原点。第一移动副端点a ，位于下 甲台所在的平面内，构成长为2 r 1 ，宽为2 r 2 的矩形，该矩形的中心0 为 定坐标系原点。o - x y z 和p - x y z 分别是固连于下平台和上平台的坐标系， z 轴和2 轴垂直平台向上。机构各分支的第二、五转动副轴线互相平行， 同平行于z 轴，第三、四转动副轴线相互平行且与z 轴垂直。 4 至! 至! 兰坚垫塑鱼塞笪垫丝堡竺墨至垫兰坌堑 可以写出各分支在分支坐标系中的运动螺旋 $ ，l = ( o ，0 。o ；0 ，0 ，1 ) $ ，2 = ( 0 ，0 ，l ；0 ，0 ，0 ) $ ，3 = ( f m o ；0 ，0 ，0 )( 2 1 ) $ 。= ( f 。o ；f 。，q 。，r 。) $ 。，= ( 0 ，0 ，l ；p ，q 。0 ) 式中1 i 3 , n l ，3 第三、四运动副轴线方向余弦 p m q i 4 ，r f 4 ，p ，5 ，q ，5 由相应的位置决定的参数 由于每个分支的五个运动螺旋是线性无关的，可以求出各个分支的反 螺旋为 $ ，l7 = 旧，0 ，o ；f ，3 ，m ，37 ，0 j( 2 - 2 ) 其中，n ，。3 + m ，3 m ，3 = 0 这是一个反螺旋力偶矢量，其物理意义表示了这个分支约束动平台绕 平行于( ，3 卅。3 o ) 方向的转动，这样，四个分支作用在动平台上的约束可 以用四个反螺旋$ l l ，$ 2 l ，$ 3 1 r 和$ 4 l 表示。很明显，这四个反螺旋线性相 关，可以由以下两个反螺旋线性组合得到 i $ i7 = ( 0 ，0 ，o ；1 ，o ，o ) 【$ 27 = ( 0 ，0 ，o ；0 ，l ，0 ) $ 1 7 和$ 2 分别表示绕工轴和j ，轴转动的约束力偶矢，表明上平台失去 绕x 轴和y 轴转动的自由度，即四个反螺旋$ 1 1 ，$ 2 1 ，s 3 1 7 和$ 4 1 7 共同约 束了上平台绕轴和y 轴的转动，所以此并联机构是一个能实现空间三 维移动和绕z 轴转动的四自由度空间机构，且机构内存在两个虚约束，是 一个过约束机构。 2 3 4 自动定位机构模型及其螺旋运动 自动定位机构中串连的电机对机构动平台的运动不产生任何影响，所 以我们只分析机构4 - u p u ，模型及其坐标系的建立如图2 - 7 所示。 该机构与机构4 - p u u 类似，所不同的就是移动副所处的位置不同， 动平台和定平台的形状以及坐标系的建立都相同。机构4 - u p u 分支的运 1 5 燕山大学上学硕士学位论文 动螺旋，就是将机构4 - p u u 螺旋系的$ ，。放在$ 。和$ ，。2 _ n ，那么两个机 构分支的反螺旋也就一样，所以机构4 - u p u 也只能实现空间三维移动和 绕z 轴的转动。 图2 74 一u p u 机构模型 f i g 2 7 4 - u p um e c h a n i s mm o d e l 2 3 5 定位机构自由度的计算 文献 4 2 1r p 给出了空间机构自由度计算的一般公式 p m = d ( h g - 1 ) + 2 f t + f v j = l 式中膨一机构自由度数 i 机构的公共约束数 卜机构的阶数，且d = 6 一a ”机构的构件数 卜机构的运动副数 ，1 _ 一第i 个运动副的自由度数 f 机构的虚约束数 v 机构的局部自由度数 由2 3 3 节和2 3 4 节的分析可以知道 = o ，f = 2 ，v = 0 。对于手动定 1 6 第2 章s e m 载物台定位机构设计及运动学分析 位机构，n 2 1 4 ，g = 1 7 ，= 2 7 ，通过上式计算得到载物台的自由度为 i = l m = 6 ( 1 4 1 7 1 ) + 2 7 + 2 = 5 对于自动定位机构，4 - u p u 机构动平台具有4 个自由度1 4 引，在动平 台上加一电机后，载物台可独立旋转，所咀载物台的自由度也是5 。 2 _ 3 6 定位机构输入合理性判别 本文应用赵【挣1 提出的基于螺旋系线性相关性的空间并联机构输入选 取合理性判别方法来判别定位机构输入的合理性。根据经验我们选择每个 分支的移动副作为输入，由判别方法刚化每个移动副，各分支的运动副螺 旋系可表示为 $ 1 = ( o ，0 ，1 ；0 ，0 ，0 ) $ ，：= ( f j 2 ，m 。o ；0 ，0 ，0 ) $ ，。= o 。m 。o ；只。，q f 。，r 。) $ ，= ( 0 ，0 ，i ；只，q j ，0 ) 相应的各分支作用在动平台上的约束反螺旋为 72 【o ，0 ，o f f 2 7 ，7 ，0 2( 2 - 3 ) 旧2 7 = 0 ，q ，；“，v 。，w i ) 、。 其中( p ，q 。，) 是表示从矾点到b ；点的直线f 的方向矢量，( “，v 。，w ；) 是直 线k 相对定坐标系o - x y z 的线距，即k ，。，f 表示坐标原点0 到 们点的直线。 可以看出当以移动副作为输入时，各分支对动平台增加了一个以反螺 旋$ 。：表示的约束。$ ，：表示一个方向沿直线，。且过a ，点的一个约束力线 矢。这样，刚化四个移动副后，上平台又受到了四个约束力的作用。这四 个约束力只要不是空间汇交于一点，它们就不线性相关，且不与的两个约 束力偶线性相关。式( 2 3 ) 给出的八个约束反螺旋的秩是4 + 2 = 6 ，动平台 受到六个线性无关的反螺旋的约束，失去了所有的自由度，因此，这组输 入的选择是合理的。 1 7 手动定位机构中的随动分支对动平台的运动不产生任何影响，所以我 们只对机构4 - p u u 进行运动学分析。 2 4 1 4 p u u 机构位置分析 图2 - 8 是机构4 - p u u 一个分支在肠平面里的投影示意图。 图2 84 - p u u 机构分支不意图 f i g 2 - 8 4 - p u um e c h a n i s ml e gd i a g r a m 位置反解是当已知机构的结构参数和动平台动坐标系的的位姿昂 乙y ) 时，求解机构的四个分支输入长度( 三l 2 上口上4 ) 。 设( 耳昂弓仅y ) 为上平台坐标原点p 相对定坐标系o - x y z 的位移和 动坐标系p - x y z 绕x 、y 、z 三轴的角位移，由机构的运动性质有d 邓= o 。 另外，b 。点在坐标系o - x y z 和p - x y z 中的坐标分别为c 砺ly 6 f 磊1 ) 和 6 i y b tz b i ) ，d i 点在坐标系o - x y z 中的坐标( 艺。k i 乙。) 。由此，可以建立如下 坐标变换方程 ( x 。k 。，z 1 ) 7 = ( x y ”z 1 ) 1 ( 2 - 4 ) 式中 坐标变换矩阵，且】_ 】一动平台绕z 轴的转角 1 8 c o s ，一s i n ， s i n ， c o s 7 00 0o 0 x p 0 巧 1 z p ol 并可以得到如下关系式 ，2 2 ( k 。一x 。，) 2 + ( 圪一【。) 2 + ( z 。一l 。) 2 ，2 z b i ，2 一( r l ) 2 一( k ，匕) 2r 2 5 ) 阱- dy引b2 = 阱3 d 砒 耋 2 苫1 妻 = ：； f 耋) = 毒2 耋 = 捧 若给出动平台在动坐标系下的位置姿态，由式( 2 4 ) 可求出6 i 点在定 坐标系o - x y z 下的坐标值0 砀，乙，) 。将上述各位置坐标带入式( 2 5 ) 可以 三1 2 z p 一, 1 2 一( - c t s y d c y + x ，+ r j ) 2 一( 一出，+ 出y + 匕一只2 ) 2 ( 2 6 ) l 22 z p 一，2 一( d s y 一幻，+ z ，+ r i ) 2 一( - d s y d e y + 匕+ r 2 ) 2 ( 2 7 ) l 3 2 z p 一，2 一( a s r + d c y + x p r 1 ) 2 一( a s r d e y + 匕+ r 2 ) 2 ( 2 8 ) l 4 = z ，一，2 一( d s ；v + d c y + 彳p r i ) 2 - ( d s y + d c y + 匕一矗2 ) 2 ( 2 9 ) 2 4 2 4 - p u u 机构速度分析 经过上述运动螺旋的分析，我们可以设动平台的速度在定坐标系 中可表示为( ”州，v ，r ，”啦，雎) 7 ，四个输入端杆长的输入速度为叱。 出4 - p u u 位置反解公式( 2 6 一式( 2 9 ) ，两端同时对时间求导可以得 到 v 。= 计v ，( 2 1 0 ) 式中 【，】机构运动雅可比矩阵 】9 整坐_ 犬兰兰堂婴圭兰焦堡苎 为得到雅可比矩阵m ，首先可对式( 2 - 6 ) 一式( 2 9 ) 右端直接求偏导的 方法得到m 。 【l ，】= 一d e 7 一d + 爿j + 日d o 一却+ 一足，a z ，一kz d k a y d + d s y + + 墨一d 一d s y + + 是，鸥 z ，一kz ，一k a y 却+ 嘶+ 珥一8 一