傳感器測(cè)量系統(tǒng)在仿生機(jī)器手中的應(yīng)用

郭炳延

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

1 測(cè)量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1 為測(cè)量系統(tǒng)硬件原理框圖。該測(cè)量系統(tǒng)主要由直流源、交流源、電阻應(yīng)變傳感器、電容傳感器、NTC 熱敏電阻、FPGA、舵機(jī)和顯示裝置組成。電源輸出電流，經(jīng)傳感器測(cè)量電路后，將模擬信號(hào)輸入FPGA，通過FPGA 內(nèi)程序算法，進(jìn)行高速信號(hào)處理，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向以及輸出顯示[1-2]。

圖1 系統(tǒng)硬件原理圖

1.1 測(cè)力傳感器

1.1.1 裝置結(jié)構(gòu)

應(yīng)變片的基底固定在仿生機(jī)器手的上下表面里（根據(jù)手指大小確定基底個(gè)數(shù)n1），一個(gè)基底上粘有4 個(gè)應(yīng)變片，上面2 片，下面2 片，如圖2、圖3 所示。

1.1.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖

將每個(gè)基底上的4 片應(yīng)變片接成全橋差動(dòng)等臂橋的形式。每個(gè)相對(duì)臂所接應(yīng)變片為一組，當(dāng)受外部力作用時(shí)，一組受壓一組受拉。應(yīng)變片差動(dòng)連接如圖4所示。

圖2 仿生機(jī)械手指骨側(cè)示圖

圖3 應(yīng)變片粘貼俯視（仰視）圖

1.1.3 工作原理

電阻應(yīng)變片是將被測(cè)量的力通過它產(chǎn)生的金屬?gòu)椥孕巫冝D(zhuǎn)化為電阻值變化的敏感元件，測(cè)量時(shí)將應(yīng)變片粘貼到彈性金屬的受力部位上，通過測(cè)量電路使輸出電壓與被測(cè)量的力成比例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的檢測(cè)。

設(shè)一根電阻絲未受力時(shí)原始電阻值為：

圖4 全橋差動(dòng)連接圖

在外力F的作用下，電阻絲的ρ、l、S發(fā)生變化，引起電阻變化ΔR，相對(duì)變化為：

因?yàn)镾=π·r2，則截面積ΔS=2πrΔr，相對(duì)變化為：

將式（3）代入式（2）可得：

因?yàn)榘雽?dǎo)體應(yīng)變電阻溫度系數(shù)較大，非線性嚴(yán)重，故采用金屬應(yīng)變電阻。由于Δρ/ρ很小，可以忽略。根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：σ=Eε，進(jìn)一步推出電阻變化率與應(yīng)力關(guān)系：

在外力的作用下，應(yīng)變片的電阻發(fā)生了變化，破壞了電橋的平衡。若R1、R2、R3、R4分別產(chǎn)生ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4的電阻變化。由于滿足R1=R2=R3=R4（等臂橋），且ΔR1=-ΔR2=-ΔR3=R4，則電橋輸出電壓U0為：

由此推出應(yīng)力與輸出電壓的關(guān)系方程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)力的檢測(cè)。此外，電壓靈敏度KU為：

根據(jù)如上公式推導(dǎo)，可以看出測(cè)量結(jié)果沒有非線性誤差，并且電壓靈敏度較高，由輸入電壓U決定。此外，通過線路補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ擅钕藴囟人鸬南到y(tǒng)誤差，其中R2、R3為補(bǔ)償電阻。

1.1.4 工作過程

直流源接入后，測(cè)力傳感器輸出連續(xù)的模擬信號(hào)，F(xiàn)PGA 進(jìn)行高速的AD 轉(zhuǎn)換，并通過算法控制舵機(jī)與終端顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手表面所受力的檢測(cè)與控制。

1.2 角度傳感器

1.2.1 裝置結(jié)構(gòu)

圖5 為關(guān)節(jié)主視圖，3 個(gè)半圓極板和舵機(jī)裝在關(guān)節(jié)中，左右半圓極板相對(duì)面積為0，舵機(jī)軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)中間半圓極板和上一級(jí)指骨，從而可以測(cè)量關(guān)節(jié)的角位移。

圖5 仿生機(jī)器手關(guān)節(jié)主視圖

1.2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖

當(dāng)左極板與中間極板相對(duì)面積變化ΔS時(shí)，右極板與中間極板相對(duì)面積變化-ΔS，由可知ΔCx=-ΔC3，即Cx與C3為差動(dòng)電容。

設(shè)C1=C2=Cx=C3=C，電橋平衡，輸出U0=0，差動(dòng)交流等臂電橋連接圖如圖6 所示。

圖6 差動(dòng)交流電橋連接圖

1.2.3 工作原理

這里角度傳感器為變面積型電容傳感器，是將被測(cè)量的角位移通過極板相對(duì)面積的改變轉(zhuǎn)化為電容變化。測(cè)量時(shí)固定一個(gè)半圓極板，將另一半圓極板與旋轉(zhuǎn)軸相連，通過測(cè)量電路使電容的變化與被測(cè)量的角位移成正比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量。

在舵機(jī)作用下，極板間電容發(fā)生變化，破壞了電橋的平衡。若電容Cx產(chǎn)生ΔC的變化，則電容C3產(chǎn)生-ΔC的變化，此時(shí)電橋輸出電壓U0為：

由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器手關(guān)節(jié)角位移的檢測(cè)。此外，電壓靈敏度KU為：

根據(jù)如上公式推導(dǎo)，可以看出測(cè)量結(jié)果沒有非線性誤差，并且電壓靈敏度較高。

1.2.4 工作過程

交流電源接入后，角度傳感器輸出連續(xù)變化的交流信號(hào)，F(xiàn)PGA 進(jìn)行高速的AD 轉(zhuǎn)換，并通過算法控制舵機(jī)與終端顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手關(guān)節(jié)角位移的檢測(cè)與控制。

1.3 溫度傳感器

1.3.1 裝置結(jié)構(gòu)

圖2 為仿生機(jī)械手指骨側(cè)示圖，NTC 熱敏電阻位于兩個(gè)基底之間，緊貼在內(nèi)部防護(hù)皮上，使外部熱量可以快速傳遞到熱敏電阻中，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)外部溫度。

1.3.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖

利用一般線路補(bǔ)償法測(cè)量NTC熱敏電阻的阻值（溫度越高，電阻越小）。

設(shè)R1=R2=R3=R4，電橋平衡，輸出U0=0，圖7 為連接圖。

圖7 一般線路補(bǔ)償連接圖

1.3.3 工作原理

NTC 熱敏電阻具有很高的負(fù)溫度系數(shù)，即溫度越高，阻值越小，且具有明顯的非線性。測(cè)量時(shí)將NTC熱敏電阻粘貼到仿生機(jī)器手的表面里，通過測(cè)量電路使輸出電壓與被測(cè)溫度成比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)。

外部溫度改變時(shí)，NTC 熱敏電阻阻值改變，電橋平衡被破壞。由電路圖可列方程：

因?yàn)镹TC 熱敏電阻阻值與溫度呈非線性，所以可以通過查表的方式獲得輸出電壓對(duì)應(yīng)的電阻值所代表的溫度，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器手表面溫度的檢測(cè)。此外，電壓靈敏度KU為：

可以增大R1以減小非線性誤差。

1.3.4 工作過程

直流源接入后，溫度傳感器輸出連續(xù)變化的模擬信號(hào)，F(xiàn)PGA 進(jìn)行高速的AD 轉(zhuǎn)換，并通過算法控制舵機(jī)與終端顯示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器手表面溫度的檢測(cè)與控制。

1.4 FPGA

FPGA 相比于MCU 和DSP 具有高速信號(hào)處理、AD 采樣率高和更大的并行度等優(yōu)點(diǎn)，更符合本系統(tǒng)所要求的快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確等高性能。

FPGA 上采用低電壓差分信令（LVDS）輸入，僅需一個(gè)電阻器和一個(gè)電容器就能實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字化。由于數(shù)百組LVDS 輸入駐留在生成電流的FPGA 器件上，因此可通過單個(gè)FPGA 芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)百模擬信號(hào)的數(shù)字化，大大簡(jiǎn)化外圍電路的搭建，實(shí)用性高。

2 數(shù)據(jù)處理

在現(xiàn)實(shí)測(cè)試的過程中，數(shù)據(jù)中含有各種誤差，產(chǎn)生的原因可能是線路間信號(hào)的干擾或是機(jī)器抖動(dòng)帶來的噪聲。為了獲得最可信賴的測(cè)量結(jié)果，采用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)曲線，使各測(cè)量值的殘差平方和最小，從而提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可信性。

3 結(jié)論

應(yīng)用電阻應(yīng)變傳感器測(cè)量仿生機(jī)器手所受的壓力，應(yīng)用電容傳感器測(cè)量仿生機(jī)器手關(guān)節(jié)的角位移，應(yīng)用NTC 熱敏電阻傳感器測(cè)量仿生機(jī)器手表面的溫度，利用FPGA 對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以有效地監(jiān)測(cè)機(jī)器手工作狀態(tài)，為其安全穩(wěn)定運(yùn)行起著必不可少的作用。本系統(tǒng)也可以經(jīng)改進(jìn)后移植到其他物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。