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Stewart结构六维力传感器设计理论与应用研究

赵现朝  
【摘要】: 本文的主要研究内容包括Stewart平台六维力传感器的性能指标定义、坐标系变化对传感器静态特性的影响、六维力传感器的样机设计、传感器的静态标定研究等,并在此基础上开发了力驱动方式的六维鼠标。 由于传感器的许多静态特性反应在其数学模型上,因此为便于深入研究,本文在前人研究的基础上,详细推导了Stewart结构六维力传感器的一阶静力影响系数矩阵、力雅可比矩阵等的解析表达式。分析了当坐标系变化时,传感器静态数学模型和Stewart结构的5个结构参数以及坐标系的6个参数之间的解析关系,为传感器性能指标的深入研究奠定了基础。 对Stewart平台六维力传感器的力和力矩各向同性指标进行了研究,并具体研究了坐标系的变化对该性能指标的影响。为方便传感器的结构优化设计工作,利用空间模型理论绘制了力、力矩各向同性度性能图谱,总结了力各向同性度以及力矩各向同性度随机构参数的变化规律。 定义了六维力传感器的灵敏度和灵敏度各向同性指标,研究了坐标系的变化对两者产生的影响,并绘制了相应的图谱。具体说明了如何有机地结合灵敏度指标和灵敏度各向同性指标优化设计传感器的力敏元件结构。 在综合考虑传感器的力各向同性、灵敏度特性及传感器外型尺寸等多方面因素的情况下,研制了数种六维力传感器样机及信号处理系统,并设计了静态标定系统。 以六维力传感器为核心,开发了力驱动方式的六维鼠标,研究了从六维力信号到被控对象的运动控制信号之间的转换方法。并开发了用于检验六维鼠标控制功能的虚拟6-SPS并联机器人系统,同时成功地将六维鼠标用于微操作机器人控制系统中。 本文的研究成果对机器人六维力传感器及六维鼠标的进一步研究具有重要的理论意义和实际应用价值,对我国机器人的智能化发展具有重要的现实意义。


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