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机械手爪部位触觉感应系统
一、项目设计目标
根据关节式机械手的手爪部位来设计触觉传感模块，通过触觉传感信号反馈控制手爪关节处的步进电机运动，使手爪能可靠牢固抓取物体又不损伤物体，并可进行接触力的阈值设定和超阈值报警提示，设计需要根据机械结构情况选择合适的触觉传感器，将传感器贴于机械手爪的合适位置，检测手爪与物体间的接触力，返回电信号，进行传感测量，同时设计触觉信号的传感接口电路，设计信号放大、滤波、A/D转换电路，使得信号有足够的信噪比，能够被单片机所采集，设计步进电机驱动电路、声光报警电路、及单片机核心控制器和液晶显示电路进行报警与用户交互，最终的设计性能需达到：手爪运动控制分辨率0.01mm、测力分辨率50mN、测力量程3N
机械爪图片：
二、项目整体框图
根据项目的设计目标，进行多次探讨修改，最终确定设计方案框图如下：
项目的整体框图主要分解为三个部分，第一部分是设计信号生成转化电路，将压力信号转化到STM32内置ADC可以采集的电压信号范围，第二部分为STM32采集压力信号进行处理，通过IO口和SPI总线向外围电路发送控制信号，第三部分驱动电路接受控制信号控制外围LED、蜂鸣器、步进电机等驱动设备
三、项目设计方案
3.1 压敏电阻信号输出方案：
-
电阻接线
IMS 传感器作为可变电阻,可以简单的采用电阻分压的方式,通过测试电压来计算出电阻的大小，也可以通过运算放大器的运算电路来计算 IMS 传感器的实时电阻，本次设计采用如下电路：
-
曲线拟合
首先对电阻进行标定，测量不同压力下阻值数据：
对数据进行拟合：
最终得出的阻值与压力的拟合公式如下：单位为 R m ( K Ω ) ， m ( g ) ， F ( N ) R_m(K\mathrm{\Omega}) ，m(g)，F(N) Rm(KΩ)，m(g)，F(N)
R m = 1 / ( 0.0007 × m − 0.0042 ) K Ω = 1 / ( 0.0007 × ( F × 1 0 3 ) / g − 0.0042 ) K Ω R_m=1/(0.0007\times\ m-0.0042)\ K\mathrm{\Omega}=1/(0.0007\times(F\times10^3)/g-0.0042)\ K\mathrm{\Omega} Rm=1/(0.0007× m−0.0042) KΩ=1/(0.0007×(F×103)/g−0.0042) KΩ
-
反相调整：
增加反相电路，选取合适倍率，使电压输出关系与阻值关系呈现线性变化，便于计算，电路设计图如下：
电路图输出与输入公式为： U O = − R G / ( R 1 2 + R 9 ) U I U_O=-R_G/(R_12+R_9\ )\ U_I UO=−RG/(R12+R9 ) UI，根据压力输入范围和反相电路公式公式，我们选取合适的电路值为： U I = 3.3 V ， R 9 = 3 K Ω ， R G = 1 K Ω ， R 1 2 = （ 0 − 1597 ） K Ω U_I=3.3V，R_9=3KΩ，R_G=1KΩ，R_12=（0-1597 ）KΩ UI=3.3V，R9=3KΩ，RG=1KΩ，R12=（0−1597）KΩ，使反相过后的电压值输出在（0 ~ -1V左右）
经过仿真测试输出结果如下:
压力量程（N） 0 3 R m （ K Ω ） R_m\ （K\mathrm{\Omega}） Rm （KΩ） 1600 4.859 输出电压（V）
-0.00224
-1.09此处运算放大器用LM324AD，最小输出电压为-2.24mV，运放的低输入偏置电流为100nA，对输出影响较小，能满足要求。
3.2 放大电路方案：
-
参数设计
根据前面的反相电路结果，由输出电压为3.3V确定放大电路的放大倍率为3（3.3\1.09=3.027），放大电路采用反相比例放大电路，其放大倍数为计算公式为： K f = − R 3 R 1 K_f=-\frac{R_3}{R_1} Kf=−R1R3，故取电阻值为： R 3 = 3 K Ω ， R 1 = R 2 = 1 K Ω \ R_3=3\ K\mathrm{\Omega}， R_1=R_2=1\ K\mathrm{\Omega} R3=3 KΩ，R1=R2=1 KΩ
其中 R 3 \ R_3 R3为滑动变阻器，阻值可调，改变其阻值即可改变放大倍数，用于灵活控制电压放大范围
仿真结果如下
3.3 偏置电路方案：
偏置电路采用同向加法运算电路，通过与滑动变阻器产生的电压进行加法运算，调节输入电压的偏置，其仿真电路如下：
其输入与输出关系为：
U
O
=
(
1
+
R
6
R
4
)
(
R
5
/
/
R
11
R
8
+
R
5
/
/
R
11
U
I
1
+
R
5
/
/
R
8
R
11
+
R
5
/
/
R
8
U
I
2
)
U_O=\left(1+\frac{R_6}{R_4}\right)\left(\frac{R_5//R_{11}}{R_{8+}R_5//R_{11}}U_{I1}+\frac{R_5//R_8}{R_{11+}R_5//R_8}U_{I2}\right)
UO=(1+R4R6)(R8+R5//R11R5//R11UI1+R11+R5//R8R5//R8UI2)
其中
U
I
1
U_{I1}
UI1为上级放大电路输出电压，
U
I
2
U_{I2}
UI2为输入的偏置电压信号，由滑动变阻器分压获得。根据计算公式和输入电压的范围，我们取：
R
8
=
2
K
Ω
，
R
4
=
2
K
Ω
，
R
6
=
2
K
Ω
，
R
11
=
2
K
Ω
，
R
5
=
1
K
Ω
R_8=2\ K\mathrm{\Omega}，R_4=2\ K\mathrm{\Omega}，R_6=2\ K\mathrm{\Omega}，R_{11}=2\ K\mathrm{\Omega}，R_5=1\ K\mathrm{\Omega}
R8=2 KΩ，R4=2 KΩ，R6=2 KΩ，R11=2 KΩ，R5=1 KΩ
其中 R 7 R_7 R7为分压电阻为 （ 0 − 100 K Ω ） （0-100\ K\mathrm{\Omega}） （0−100 KΩ），用于产生加法运算电路的调节电压
所以偏置电路的输入与输出的关系如下：
U
o
=
1
2
(
U
I
1
+
U
I
2
)
U_o=\frac{1}{2}\left(U_{I1}+U_{I2}\right)
Uo=21(UI1+UI2)
3.4 低通滤波方案：
-
参数设计
低通滤波电路我们采用压控电压源二阶低通滤波电路，具体电路原理图如下：
根据该电路图计算滤波器的各个参数，首先确定截止频率
f c = 1000 H z f_c=1000Hz fc=1000Hz
然后压控电压源二阶低通滤波电路传递函数模型选择参数：
∣
H
(
S
)
∣
=
K
P
ω
0
2
(
ω
0
2
−
ω
c
2
)
2
+
(
α
ω
0
ω
c
)
2
\left|H(S)\right|=\frac{K_P{\omega_0}^2}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega_c^2)\ ^2+(\alpha\omega_0\omega_c)\ ^2}}
∣H(S)∣=(ω02−ωc2) 2+(αω0ωc) 2
KPω02
取 20 l g ∣ H ( S ) ∣ = − 3 d B 20lg\left|H(S)\right|=-3dB 20lg∣H(S)∣=−3dB，当 S = j ω c S=j\omega_c S=jωc时， ∣ H ( S ) ∣ = 0.708 \left|H(S)\right|=0.708 ∣H(S)∣=0.708，因为采用巴特沃斯逼近，所以设计 α = 2 \alpha=\sqrt2 α=2
由公式 ω 0 = ω c ( 2 K p 2 − 1 ) 4 \omega_0=\frac{\omega_c}{\sqrt[4]{\left(2{K_p}^2-1\right)}} ω0=4(2Kp2−1) ωc 及 ω c = 2 π f c \omega_c=2\pi\ f_c ωc=2π fc，带入数据，得 ω c = 6283.18 H z \omega_c=6283.18Hz ωc=6283.18Hz
考虑到滤波器在
K
p
≤
2
K_p\le2
Kp≤2时稳定，取
K
p
=
2
K_p=2
Kp=2，得到
ω
0
\omega_0
ω0的计算值如下：
ω
0
=
ω
c
(
2
K
p
2
−
1
)
4
=
ω
c
\omega_0=\frac{\omega_c}{\sqrt[4]{\left(2{K_p}^2-1\right)}}=\omega_c
ω0=4(2Kp2−1)
ωc=ωc
为了方便计算取：
R
1
=
R
2
C
1
=
C
2
R_1=R_2\ C_1=C_2
R1=R2 C1=C2
根据截止频率由表格选取两电容的值，则有 C 1 = C 2 = 0.1 μ F C_1=C_2=0.1\mu\ F C1=C2=0.1μ F
参考表格如下：
又因
ω
0
=
1
R
C
\omega_0=\frac{1}{RC}
ω0=RC1，代入数据有：
R
1
=
R
2
=
1.6
k
Ω
R_1=R_2=1.6k\mathrm{\Omega}
R1=R2=1.6kΩ
考虑到
R
3
R_3
R3、
R
4
R_4
R4起到保护电路作用，故在电阻同一量级选择，取
R
3
=
2
k
Ω
，
R
4
=
1
k
Ω
R_3=2k\mathrm{\Omega}，R4=1kΩ
R3=2kΩ，R4=1kΩ
综上，二阶巴特沃斯滤波器参数为：
R
1
=
R
2
=
1.6
k
Ω
R_1=R_2=1.6k\mathrm{\Omega}
R1=R2=1.6kΩ
R 3 = 2 k Ω ， R 4 = 1 k Ω R3=2kΩ，R4=1kΩ R3=2kΩ，R4=1kΩ
C 1 = C 2 = 0.1 μ F C_1=C_2=0.1\mu\ F C1=C2=0.1μ F
-
仿真验证
将以上的电路参数值带入到压控电压源二阶低通滤波电路在Multisim中进行仿真，仿真电路图如下：
幅频特性仿真结果：
仿真效果图：
可以看到，滤波器可以很明显的滤除高频噪声
3.5 ADC采集方案：
ADC采集使用STM32F103C8T6自带的AD采集器采集电压，A/D转换可以单次、连续、扫描或间断执行，ADC转换的结果可以左对齐或右对齐储存在16位数据寄存器中，基准电压源采用内部电压源，设计简单方便，其精度为12位，采集电压范围为：0 - 3.3V，采集电压分辨率为3300mV/4096=0.8057mV，根据计算的阻值电压与输出电压关系，可以计算出测力分辨率为：3000mN/4096=0.73mN
3.6 程序设计方案：
程序处理单元采用STM32F103C8T6单片机，单片机外观如下：
程序设计采用STM32CubeMX进行软件开发：
程序设计主要设计内容为：单片机ADC采集电压，转换成阻值，通过拟合曲线计算出受力，将受力的值与设定的阈值进行比较，如果大于阈值则控制声光的IO口电平转换，声光报警开启，如果小于阈值则关闭，同时在开启抓取模式的时候，如果夹取的目标物体与机械爪间的受力没有达到稳定抓取的力度，单片机会控制步进电机夹紧物体，增加力度，如果受力超过稳定抓取力度，则会反向转动，减小抓取力度，防止力度过大破坏物体，达到稳定抓取目标物体的功能，单片机还会通过OLED显示屏，将检测到的受力实时显示到OLED上，展示系统运行状态等等数据
3.7 LED和蜂鸣器驱动方案：
LED部分电路通过串联电阻限流驱动LED灯，单片机I/O口连接报警灯控制电路，蜂鸣器报警电路由三极管及有源蜂鸣器构成，三极管作为开关管控制有源蜂鸣器开关，当单片机判断接触力超过警戒阈值时，IO口输出高电平，使三极管导通，蜂鸣器作用，发出警报，电路设计图如下：
3.8 步进电机驱动方案：
-
分辨率分析
步进电机型号为四相六线28步进电机，驱动四相六线步进电机，两根公共端com端不接线也可以驱动，四相六线步进电机的步距角为1.8°±5%，减速比为1/64，按照步距角1.8°计算，步进电机走一圈需要360°/1.8°=200个脉冲，减速比为64则电机转64圈输出轴转1圈，所以输出轴是12800个脉冲为一圈，输出轴转动一圈，丝杆移动2mm，机械爪相对移动的距离为4mm，因此步进电机每转动一个步距角，即转过1/200圈，输出轴转动1/12800圈，折算到手爪运动的距离为4/12800=0.0003125mm，满足分辨率的要求
-
电机驱动原理
采用L298N驱动芯片来驱动步进电机，L298N是一种电机驱动芯片，其中每个输出口最高可以提供2A的电流，其供电电压范围是2.5-48v，我们采用12V电压供电，4个输出端接到步进电机的4个相位上，步进电机的两个相位接到GND
在驱动步进电机时，四个控制端按照顺序由单片机输入控制电平，对应的输出端会输出12V的驱动电压，驱动对应相位，此处我们用四相单四拍的通电方式，运行时步距角为1.8°，送电方式为A-B-C-D-A，时序图如图所示：
3.9 电源设计方案：
项目整体设计过程中需要三种电源，分别为+12V、-12V以及+3.3V和+5V电源，其中+/-12V电源由实验台提供，+5V和+3.3V则使用AMS1117-5.0和XC6204，将12V降压到5V，5V再降压到+3.3V，两个芯片的典型电路如下图：
以上就是整个机械爪控制系统的设计方案论证，下一篇将会更新机械爪控制系统设计实际电路设计与程序编写！！！