本发明专利主要解决高速运动平台的弹性变形、导轨摩擦与刚度波动问题。通过引入柔性铰链对平台进行主动变形优化，位移输出更加均匀；化弊为例，将弹性变形补偿摩擦死区，精度更高；将非线性摩擦转换为线性弹性扰动，并采用源自指南车的自抗扰控制算法实现实时估计补偿，实现零误差跟踪；悬挂减振隔离导轨摩擦扰动，无孔导轨减小高速运行的速度波动。如果将运动平台比作高速列车，本项目实现了高速平台中的“轮轨”技术，比直接采用“磁悬浮”技术的气浮平台性价比更高、更安全、更平稳。本专利池包含六大核心技术，共申请国家/国际发明专利52/14件。基础专利保护了刚柔耦合平台基本组成、工作原理和应用案例，保护主题全面。核心专利进入美英德日韩等发达国家，覆盖了电子和超精密制造的主要市场。系列专利分别获得第四、五、七届广东省专利金奖。整体专利池获得2020年湾高赛初创组银奖。测量、规划和宏微复合平台三个核心技术获得2019年国家技术发明二等奖。

1)工作模式创新

颠覆传统“以宏带微”的双驱模式，形成新型的“以微带宏”的单驱模式，宏微有机融合，自适应切换控制，效率高；动力学等效设计，只需一套驱动，成本低。

2)结构设计创新

传统平台摩擦死区变形量达三四百纳米(图1.a)，需要依据变形规律被动设置输出点(图1.b)，才能实现高精度。通过柔性铰链主动优化变形分布，平台位移输出更加均匀(图1.c)；化弊端为利，弹性变形补偿摩擦死区，精度更高。

(a)摩擦死区变形图 (b) PI高精度平台(0.1μm） (c)本发明结构及变形(0.05μm)

图1刚性平台结构设计局限及改进

3)控制方法创新

传统机械导轨平台，需要驱动力克服摩擦力才能够产生运动(图2.a)。本发明的刚柔耦合平台，通过柔性铰链隔离工作平台和框架(图2.b)，驱动力只需克服柔性铰链弹性力就可让工作平台产生位移，降低了扰动带宽。另外，将非线性摩擦力扰动转换为弹性扰动，并通过自抗扰控制器估计和补偿，(图2.c)，为摩擦力的补偿提供了新的途径。

(a)刚性平台 (b)刚柔耦合平台 (c)自抗扰控制算法

图2 控制系统局限及改进

4)减振方法创新

柔性铰链起到悬挂隔振作用，降低了摩擦力波动对平台的影响。另外，还发明了接触区域无孔的新型导轨，为平台安装上了无缝导轨，让直线平台真正进入“高铁”时代。

本项目将依据刚柔耦合平台结构设计，以点带面，开发出面向高端制造装备、精密检测仪器和军事国防需求的高速超精密运动直线平台与旋转平台。所采用的概念颠覆传统运动平台设计与控制方法，突破机械导轨直驱平台的精度极限。

本专利属于军民两用技术，解决长行程和高精度的矛盾需求和精度受摩擦影响问题。

与本项目最接近的技术为宏微复合平台（图3），在直线平台上叠加压电或者音圈驱动的柔性铰链机构，实现长行程纳米定位。存在的问题是切换控制效率低、两套驱动成本高。

图3 激光直写装备的宏微复合运动平台

在民用方面主要解决电子制造、激光加工、精密检测等高端制造装备和检测仪器的精密运动问题，替代Aerotech、Newport、PI等，彻底打破超精密运动平台的国外垄断局面。

在国防领域（图4），主要解决光电雷达、激光武器、激光卫星通信等超精密瞄问题，通过柔性铰链弹性变形补偿角定位精度实现激光武器探测和打击距离的量级提升。

图4 国防领域需求（激光武器、量子卫星通信用的刚柔耦合超精密转台）

激光直写、无掩膜光刻等半导体制造领域，不但要求高精度，还对直线度平行度提出了苛刻的要求。气浮平台摩擦小，直线度好，但是稳态控制困难，重复定位精度只能达到10~100nm。接触切换式刚柔耦合气浮平台，在定位阶段锁定气浮导轨，位移完全由弹性变形产生，可以实现纳米级精度，满足光刻机的需求。