学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于Stewart平台的六维加速度传感器研究

作　者: 于春战
导　师: 张新义; 贾庆轩
学　校: 北京邮电大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 六维加速度传感器柔性铰链柔性并联机构应力集中系数解耦标定
分类号: TP212
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 17次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

类人机器人灵巧手在抓取物体的过程中,手抓的惯性力会影响抓取的鲁棒性,惯性导航系统中需要测量空间加速度经过积分计算获得载体的位置和姿态,武器制导、汽车碰撞、医学和体育等领域也都对六维加速度传感器有着迫切的需求。但是沿x、y、z正交分解布置敏感元件的传统方法很难构造能同时测量三维线加速度和三维角加速度的弹性元件结构,并联机构的发展和Stewart平台的结构特点为该课题的研究提供了新的思路。论文中采用基于Stewart平台的柔性并联机构作为弹性元件对六维加速度传感器从基础理论、关键技术、标定和实验等方面进行研究,解决并联机构刚度大导致传感器信噪比低不能用于小量程传感器弹性元件、传感器弹性元件理论简化模型实体化后带来的结构误差影响传感器测量精度等关键科学问题,为六维加速度传感器的研究提供理论依据和实验指导。主要研究了以下内容：(1)在定义了六维加速度传感器系统静态模型的基础上,应用空间模型理论建立了传感器的静态数学模型,推导了无量纲尺寸参数的三维空间和二维平面的模型转换方程,依据矢量积法和并联机构理论推导了同机构尺寸参数相关的加速度雅可比矩阵。(2)提出把影响传感器测量精度的基本特性误差和影响误差与传感器的加速度雅可比矩阵和弹性连接杆的输出应变矩阵相关联,全面研究误差对传感器测量精度的影响规律。分析了影响传感器信噪比的因素,全面定义了传感器的静态特性和动态特性性能指标,尤其是传感器的各向同性和灵敏度特性性能指标。(3)基于各向同性和灵敏度特性性能指标的定义,绘制了各性能指标同理论模型参数之间关系的性能图谱,通过建立各性能指标的单目标和多目标优化函数对理论模型参数进行了尺寸优化研究,并将优化结果与其它优化方法的结果进行了全面对比。(4)针对弹性元件理论简化模型实体化后带来的结构误差对传感器测量精度的影响问题和目前柔性并联机构建模方法存在的局限性,提出应用有限元法研究了弹性元件实体化模型参数的刚度对传感器测量精度和动态特性的影响问题,鉴于刚度对二者的影响存在矛盾,提出应用正交试验和极差分析法对实体化模型参数的尺寸进行了优化研究。(5)针对并联机构刚度大导致传感器信噪比低影响传感器测量精度的问题,提出了应用应力集中系数法研究弹性元件结构的研究方法,定义了适合弹性元件结构研究的应力集中系数,应用穆斯海里什维里算法研究了引入应力集中的弹性连接杆结构的数学模型。在应力集中系数法研究的基础上,提出了一种双悬臂梁S型的弹性连接杆结构,建立了其受力情况的力学模型,并应用有限元法对其力学模型进行了分析。(6)从理论上分析了基于Stewart平台的六维加速度传感器耦合误差产生的原因,并对解耦的方法进行了研究。基于论文中提出的理论设计、加工了传感器弹性元件,搭建了传感器的测量系统进行标定试验和测量精度验证,并对六维加速度传感器的动态特性进行了研究。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-27
  1.1 研究背景和意义  11-12
  1.2 多维加速度传感器国内外研究现状  12-18
    1.2.1 二、三维加速度传感器  12-15
    1.2.2 六维加速度传感器  15-18
  1.3 STEWART机构在传感器领域的应用研究现状  18-25
    1.3.1 并联机构理论研究概述  18-19
    1.3.2 Stewart机构在力传感器领域研究现状分析  19-22
    1.3.3 并联机构在加速度传感器领域研究现状  22-25
  1.4 课题来源与研究内容  25-27
第二章六维加速度传感器静态模型的建模方法研究  27-40
  2.1 引言  27-28
  2.2 测试理论研究  28-29
  2.3 静态模型  29-38
    2.3.1 弹性元件结构参数分类  29-31
    2.3.2 空间模型  31-33
    2.3.3 数学模型  33-36
    2.3.4 六维加速度传感器的加速度雅可比矩阵  36-38
  2.4 本章小结  38-40
第三章六维加速度传感器的误差分析及特性评价  40-54
  3.1 引言  40
  3.2 六维加速度传感器的误差分析及信噪比研究  40-44
    3.2.1 误差分析  40-44
    3.2.2 信噪比研究  44
  3.3 六维加速度传感器的特性评价  44-53
    3.3.1 静态特性分析  45-52
    3.3.2 动态特性分析  52-53
  3.4 本章小结  53-54
第四章六维加速度传感器弹性元件的构型研究  54-86
  4.1 引言  54
  4.2 各向同性性能图谱  54-60
    4.2.1 线加速度各向同性性能图谱  55-58
    4.2.2 角加速度各向同性性能图谱  58-60
  4.3 灵敏度特性性能图谱  60-66
    4.3.1 线加速度灵敏度特性性能图谱  60-63
    4.3.2 角加速度灵敏度特性性能图谱  63-66
  4.4 理论参数优化方法  66-72
    4.4.1 性能图谱叠加  67-69
    4.4.2 优化方法结果比较  69-70
    4.4.3 理论参数优化值的选取原则  70-72
  4.5 柔性铰链和弹性连接杆刚度研究  72-81
    4.5.1 柔性铰链和柔性并联机构  72-75
    4.5.2 柔性铰链和弹性连接杆刚度对传感器测量精度和动态特性的影响  75-79
    4.5.3 算例验证  79-81
  4.6 实体参数优化方法  81-84
    4.6.1 正交试验法简介  81
    4.6.2 正交试验表的选取  81-82
    4.6.3 正交试验法考核指标的选取和试验结果分析  82-84
  4.7 本章小结  84-86
第五章六维加速度传感器提高信噪比的理论研究  86-114
  5.1 引言  86-87
  5.2 应力集中系数法简介  87-90
    5.2.1 应力集中系数定义  88-89
    5.2.2 应力集中系数选取原则  89-90
  5.3 引入应力集中系数的六维加速度传感器弹性元件结构研究  90-108
    5.3.1 应力集中的研究方法和研究成果  91-92
    5.3.2 保角映射(变换)Conformal Mapping  92-94
    5.3.3 引入应力集中的传感器弹性连接杆的力学模型  94-103
    5.3.4 传感器弹性元件结构研究的有限元法  103-108
  5.4 双弯曲梁结构六维加速度传感器弹性元件  108-112
    5.4.1 双弯曲梁结构六维加速度传感器弹性元件的力学模型  109-111
    5.4.2 双弯曲梁结构六维加速度传感器弹性元件研究的有限元法  111-112
  5.5 本章小结  112-114
第六章六维加速度传感器解耦研究与标定实验验证  114-136
  6.1 引言  114
  6.2 六维加速度传感器解耦理论和方法研究  114-120
    6.2.1 六维加速度传感器维间耦合误差的理论分析  114-116
    6.2.2 标定矩阵  116-117
    6.2.3 六维加速度传感器解耦方法研究  117-118
    6.2.4 基于最小二乘的解耦算法研究  118-120
  6.3 六维加速度传感器标定实验验证  120-135
    6.3.1 六维加速度传感器标定误差分析  120-123
    6.3.2 六维加速度传感器样机  123-124
    6.3.3 六维加速度传感器测量电路  124-127
    6.3.4 六维加速度传感器标定系统和实验验证  127-133
    6.3.5 六维加速度传感器动态特性  133-135
  6.4 本章小结  135-136
结论与展望  136-139
参考文献  139-151
攻读博士学位期间取得的研究成果  151-153
致谢  153-154
作者简介  154

基于Stewart平台的六维加速度传感器研究

内容摘要

全文目录

相似论文