机械手爪部位触觉感应系统

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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:

机械手爪部位触觉感应系统

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:

机械手爪部位触觉感应系统

​ 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:

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  • 曲线拟合

    首先对电阻进行标定,测量不同压力下阻值数据:

    机械手爪部位触觉感应系统

    对数据进行拟合:

    机械手爪部位触觉感应系统

    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:

    机械手爪部位触觉感应系统

    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​/(R1​2+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,R1​2=(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) 机械手爪部位触觉感应系统
    -0.00224
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    -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​=−R1​R3​​,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

    机械手爪部位触觉感应系统

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:

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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+R4​R6​​)(R8+​R5​//R11​R5​//R11​​UI1​+R11+​R5​//R8​R5​//R8​​UI2​)
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:

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​ 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+(αω0​ωc​) 2 ​KP​ω0​2​

​ 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(2Kp​2−1) ​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(2Kp​2−1) ​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:

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​ 幅频特性仿真结果:

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​ 仿真效果图:

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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:

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程序设计采用STM32CubeMX进行软件开发:

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​ 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:

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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

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​ 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:

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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:

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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!!!

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