基于并联机构的六维加速度传感器

【摘要】：六维加速度传感器是机器人领域一种重要的获得动力学参数的惯性传感器,尤其是将其应用于机械手,来实现动态稳定地抓取。本文针对国内外对六维加速度传感器研究不多的现状,提出采用 Stewart 机构作为传感器的弹性元件,从理论上对六维加速度传感器进行设计。 用空间模型理论建立了六维加速度传感器弹性元件无量纲尺寸的空间模型,并转换到二维平面,给出了转换公式。为研究传感器的性能指标,建立了参考坐标系在弹性元件下平台的数学模型,采用矢量积法详细推导了传感器的加速度 Jacobian(雅克比)矩阵,并用 Jacobian 矩阵的条件数定义了传感器的加速度和角加速度各向同性指标,进一步给出了该指标用机构无量纲尺寸表示的解析表达式,绘制了性能图谱曲线,分析了传感器的各向同性与不同机构尺寸之间的关系。 推导了六维加速度传感器灵敏度的 Jacobian 矩阵,用该矩阵的奇异值和条件数定义了加速度和角加速度灵敏度特性指标:最小灵敏度指标、灵敏度各向同性指标和综合灵敏度指标,给出了相应的解析表达式,通过绘制的性能图谱曲线分析了弹性元件的机构尺寸同传感器灵敏度特性之间的关系。 通过推导出的加速度和角加速度坐标变换矩阵,详尽分析了坐标系的旋转和平移对传感器加速度和角加速度各向同性和灵敏度特性指标的影响,通过比较参考坐标系建立在弹性元件的上平台和下平台的性能图谱,分析了这种影响程度。 通过图谱寻优的方法,给出了六维加速度传感器弹性元件的机构尺寸。