力傳感器調(diào)理電路

1、手指康復(fù)機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)4.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)手指康復(fù)系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計。采用模塊化設(shè)計，可以大大簡化設(shè)計的過程，化整為零，將復(fù)雜的電路分解為可重復(fù)利用的模塊，對各個模塊進行獨立的測試，提高設(shè)計電路的質(zhì)量。除此之外，我們不僅可以對模塊直接進行利用，也可以方便的對各個模塊部分進行修改。電路的模塊化設(shè)計，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的硬件電路的設(shè)計中去了，同時模塊化設(shè)計也在復(fù)雜的PCB的并行設(shè)計領(lǐng)域發(fā)揮著良好的作用。SPIPWMAD轉(zhuǎn)換GPIO中斷時鐘電路復(fù)位電路 NXP 微處理器光電編碼器辨向電路力矩傳感器調(diào)理電路磁流變液阻尼器驅(qū)動塊直流電機驅(qū)動塊主控制器模塊驅(qū)動控制模塊電源管

2、理模塊根據(jù)各個模塊的功能作用的不同，手指康復(fù)機器人硬件電路可分為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。驅(qū)動控制電路模塊，電源管理模塊，主控制器模塊，通信及調(diào)試接口模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，總體的結(jié)構(gòu)圖如下。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊USBJTAG通信及調(diào)試接口模塊 （1） 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要有力矩傳感器調(diào)理電路和光電編碼器辨向電路組成。這兩個電路的主要功能就是將機械結(jié)構(gòu)中輸出軸上的模擬力矩信號和位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，便于微處理器進行相應(yīng)處理。為了保證驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)可以向手指施加大小合適的反饋力，需要通過力矩傳感器來測出與手指相連接的輸出桿上的力矩，從而計算手指的拉壓力。已有的機械結(jié)構(gòu)中，采用的電阻應(yīng)變

3、式力矩傳感器，這種傳感器主要基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，其由彈性元件、粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片及外殼組成，當彈性敏感元件受到外力作用后，敏感元件發(fā)生形變，形變傳遞給粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片，應(yīng)變片相應(yīng)的發(fā)生形變，這導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻阻值大小發(fā)生變化，在電橋電路中，電橋失去平衡從而輸出相應(yīng)的電量，電量的大小相應(yīng)的反映出被測量的大小。電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度高，穩(wěn)定性好，在自動檢測和控制技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在手指康復(fù)機器人系統(tǒng)中，力矩傳感器輸出的電量信號比較微弱，易衰減且容易受到外界環(huán)境的干擾，因此為了保證采集數(shù)據(jù)的有效性，需要將電阻應(yīng)變式傳感器采集的數(shù)據(jù)輸送到調(diào)理電路里進行信號的濾波放大，之后才能將

4、信號傳輸個AD采樣電路。下面介紹力矩傳感器的調(diào)理電路，包括放大電路和低通濾波電路。對于放大電路，采用了儀用放大器AD620。AD620 是在傳統(tǒng)的三運放組合方式改進的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。它作為一種價格低，功耗低，精度高的儀器儀表放大器，它采用8管腳的SOIC或DIP封裝，由于其尺寸小，公號低，因而適合于電池供電以及一些便攜式應(yīng)用場合。AD620只需要一個外部的電阻Rx就可以設(shè)置放大倍數(shù)，放大范圍是11000。供電電源范圍±2.3V±18V，最大供電電流1.3mA。AD620 具有很好的直流特性和交流特性， 它的最大輸入失調(diào)電壓為50 uF，最大輸入失調(diào)電壓漂移為 1

5、uF/， 最大輸入偏置電流為 20nA。G=10時， 其共模抑制比大于 93dB。 在 1kHz處輸入電壓噪聲為，在 0.1Hz10Hz范圍內(nèi)輸入電壓噪聲的峰-峰值為0.28uF ， 輸入電流噪聲為 。G=1 時它的增益帶寬為 120kHz， 建立時間為 15us。（儀用放大器 AD620, 及其應(yīng)用 曹茂永， 王 霞， 孫農(nóng)亮（山東科技大學信息與電氣工程學院， 濟南 250031）因此，由AD620的特性可知，AD620能夠確保放大電路的精度，降低失調(diào)電壓，低噪聲，增大共模抑制比等性能指標。AD620增益公式如下： 其中，R1跟R2是內(nèi)部增益電阻，其阻值被精確為24.7K，使得運放增益精確地

6、由外接電阻Rx確定： 如若已經(jīng)知道放大倍數(shù)，也可以根據(jù)下式求出相應(yīng)的外接電阻Rx的阻值： 如上圖，即為力矩傳感器的放大電路。1、8腳之間跨接阻值為100的外接電阻來調(diào)整放大倍率，手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式力矩傳感器的信號輸入Vf經(jīng)過AD620后信號放大了495倍；2、3外接力矩傳感器輸入信號的兩極（2接信號的負極，3接信號的正極）；4、7是接外部電源的兩極（4接電源的負極，7接電源的正極）；5是參考端，一般情況下與地連接,此處將一個外圍的電壓輸入到5號管腳REF端作為電壓偏置，Vout=（Vf+ - Vf-）×G+Vref，確保輸出結(jié)果不失真；6是放大后信號的輸出端。而在AD620

7、的前一段采用LM358D構(gòu)成的一個電壓跟隨器來提供偏置電壓，電壓跟隨器的輸入電壓與輸出電壓大小相位一致，但是它的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小。當輸入阻抗很高時，相當于對前級開路；當輸出阻抗很小的時候，對于后級的電路就相當于是個恒壓源，那么它的輸出電壓受到后級電路的影響就很小。對于前級開路，輸出電壓又不受后級阻抗影響的電路具備一定的隔離作用，使得前后的電路之間不相互影響。下為AD620儀用放大器的仿真情況： 由于輸出桿上上輸出的力矩信號處于低頻段，因此需要對高頻干擾信號進行濾波處理。濾波器是對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使得特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，并阻止其他頻率的信號通過。濾波器分為有

8、源濾波器和無源濾波器這兩種，其中有源濾波器具有模塊化、標準化、易于制造等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等等電路中。理想的濾波器電路的頻響在通帶內(nèi)具有最大幅值和線性相移，而在阻帶中它的幅值應(yīng)該是零。實際的濾波器電路往往難以達到這樣的理想效果，如要同時在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都要滿足要求就更難了，因此，只能根據(jù)實際的需求，尋找最佳的近似理想特性。常見的有源低通濾波器有三種，分別是巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和貝塞爾（Bessel）濾波電路。這里力矩傳感器信號的濾波電路采用四階巴特沃斯低通濾波器。它是一種簡單也是最常用的濾波電路，又叫最平幅度濾波電

9、路。這種濾波電路對幅頻響應(yīng)的要求是：在小于截止頻率的范圍內(nèi)，具有最平幅的響應(yīng)，而在后，upin響應(yīng)迅速下降。因為限制中高頻信號的干擾，設(shè)計要求的截止頻率為20kHz，采用四階有源巴特沃斯低通濾波器。四階有源巴特沃斯低通濾波器是由兩個二階源巴特沃斯低通濾波器級聯(lián)組成。首先先設(shè)計四階有源巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)： （1）為了方便計算，令參數(shù)滿足如下條件： （2）選取C=0.01F，根據(jù)（2）式計算得R=788。查表的四階有源巴特沃斯低通濾波器的兩個阻尼系數(shù)分別為1 =0.765，2 =1.848 。計算得兩個零頻增益分別為： （3）此時，傳遞函數(shù)為： （4）第一級增益為： 取Rf1=24.7K，Ri1=20K；第二級增益為： 取Rf2=61K，Ri2=9.3K。針對參數(shù)的設(shè)計，用Multisim進行仿真，仿真電路如下：瞬態(tài)分析：分別輸入幅值一定，但是頻率不斷增加的三個信號，分別觀察分析其仿真結(jié)果。當輸入信號為3V，1kHz時，輸入輸出波形如下圖所示，幅值放大了2.4倍；當輸入信號為3V，10kHz時，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號幅值衰減，相位發(fā)生偏移；當輸入信號為3V，80kHz時，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號幾乎衰減為0。頻率特性分析： 通過仿真電路的的波特儀輸出