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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:

1626583561510

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:

测控电路-机械手

    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:

image-20210718131710253

  • 曲线拟合

    首先对电阻进行标定,测量不同压力下阻值数据:

    image-20210718164819341

    对数据进行拟合:

    image-20210718164909852

    最终得出的阻值与压力的拟合公式如下:单位为$R_m(K\mathrm{\Omega}) ,m(g),F(N)$

$$
R_m=1/(0.0007\times\ m-0.0042)\ K\mathrm{\Omega}=1/(0.0007\times(F\times10^3)/g-0.0042)\ K\mathrm{\Omega}
$$

  • 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:

    image-20210718170818811

    电路图输出与输入公式为:$U_O=-R_G/(R_12+R_9\ )\ U_I$,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:$U_I=3.3V,R_9=3KΩ,R_G=1KΩ,R_12=(0-1597 )KΩ$,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
    $R_m\ (K\mathrm{\Omega})$ 1600 4.859
    输出电压(V) image-20210718172148377
    -0.00224
    image-20210718172157348
    -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:$K_f=-\frac{R_3}{R_1}$,故取电阻值为:$\ R_3=3\ K\mathrm{\Omega}, R_1=R_2=1\ K\mathrm{\Omega}$

    其中$\ R_3$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

    image-20210718172959764

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:
$$
U_O=\left(1+\frac{R_6}{R_4}\right)\left(\frac{R_5//R_{11}}{R_{8+}R_5//R_{11}}U_{I1}+\frac{R_5//R_8}{R_{11+}R_5//R_8}U_{I2}\right)
$$
其中$U_{I1}$为上级放大电路输出电压,$U_{I2}$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:$R_8=2\ K\mathrm{\Omega},R_4=2\ K\mathrm{\Omega},R_6=2\ K\mathrm{\Omega},R_{11}=2\ K\mathrm{\Omega},R_5=1\ K\mathrm{\Omega}$

其中$R_7$为分压电阻为$(0-100\ K\mathrm{\Omega})$,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:
$$
U_o=\frac{1}{2}\left(U_{I1}+U_{I2}\right)
$$

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:

123123

    根据该电路图计算滤波器的各个参数,首先确定截止频率

$$
f_c=1000Hz
$$

    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:

$$
\left|H(S)\right|=\frac{K_P{\omega_0}^2}{\sqrt{(\omega_0^2-\omega_c^2)\ ^2+(\alpha\omega_0\omega_c)\ ^2}}
$$

    取 $20lg\left|H(S)\right|=-3dB$,当$S=j\omega_c$时,$\left|H(S)\right|=0.708$,因为采用巴特沃斯逼近,所以设计$\alpha=\sqrt2$

    由公式 $\omega_0=\frac{\omega_c}{\sqrt[4]{\left(2{K_p}^2-1\right)}}$ 及 $\omega_c=2\pi\ f_c$,带入数据,得$\omega_c=6283.18Hz$

    考虑到滤波器在$K_p\le2$时稳定,取$K_p=2$,得到$\omega_0$的计算值如下:

$$
\omega_0=\frac{\omega_c}{\sqrt[4]{\left(2{K_p}^2-1\right)}}=\omega_c
$$
为了方便计算取:$R_1=R_2\ C_1=C_2$

    根据截止频率由表格选取两电容的值,则有$C_1=C_2=0.1\mu\ F$

    参考表格如下:



    又因 $\omega_0=\frac{1}{RC}$,代入数据有:

$$
R_1=R_2=1.6k\mathrm{\Omega}
$$
考虑到$R_3$、$R_4$起到保护电路作用,故在电阻同一量级选择,取
$$
R_3=2k\mathrm{\Omega},R4=1kΩ
$$
综上,二阶巴特沃斯滤波器参数为:
$$
R_1=R_2=1.6k\mathrm{\Omega}
$$

$$
R3=2kΩ,R4=1kΩ
$$

$$
C_1=C_2=0.1\mu\ F
$$

  • 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:

20210710130049-1625893789936

    幅频特性仿真结果:
20210710130028
    仿真效果图:
20210710130834

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:

20210718203951

    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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