MODULE M7 · 15.0 HOURS

固件开发与控制

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LEARNING OBJECTIVES

本模块目标

  1. 理解 DYNAMIXEL 智能执行器通信及控制框架。
  2. 实现利用 OpenCR 控制板进行执行器及 FSR 传感器信号获取。
  3. 设计实时机器人控制状态机及闭环反馈回路。
  4. 编程安全电源管理及转矩释放序列。

固件架构与 DYNAMIXEL 控制

机器人手的固件在高频循环内获取传感器数据并处理执行器指令。 OpenCR 1.0 控制器基于 216MHz ARM Cortex-M7 处理器 [S13]，直接处理 DYNAMIXEL 协议 2.0，无需额外桥接 [S11]，最大限度减小延迟。各执行器支持电流、速度、位置模式，机器人手使用基于电流控制的力矩抓取策略。

FSR 力反馈系统

FSR 402 传感器具有电阻与施加力成反比的特性 [S12]。使用 OpenCR 的 12 位 ADC [S13]，在 3.3V 传感器导轨上构建 10kΩ 电阻分压电路。分压电压通过 ADC值 = (V_in * R_fsr) / (R_fsr + R_ref) 归一化，该值与手指肌腱张力联动，作为抓取力反馈使用。

安全控制例程

系统停止为确保安全分为两阶段。软件阶段，释放执行器转矩(Torque Off)，立即移除物理驱动力。维护前，必须物理断开 3 个独立电源适配器，并使用万用表 DC 模式确认所有分支均低于 1V。

WORKED EXAMPLES

讲解示例

  1. 1. 执行器目标位置/电流设定：使用 DYNAMIXEL SDK 设定 XM430 执行器的电流限制(Goal Current)，并通过传感器反馈值的 PID 回路更新手指关节最终位置的示例。
  2. 2. FSR 电压数据滤波：为去除 ADC 采集的原始数据噪声，应用移动平均滤波(Moving Average Filter)，并实现归一化上限(20N)与下限(0.2N)范围的代码 [S12]。

LAB PROTOCOL

机器人手集成控制与精密抓取实习

  1. 1

    用万用表 DC 模式确认各独立分支电压低于 1V 后，开始组装。

  2. 2

    在 OpenCR 的 3.3V 传感器导轨焊接 FSR 分压电路并连接至 ADC 端口。

  3. 3

    使用 DYNAMIXEL SDK 扫描 11 个执行器 ID 并设定初始位置。

  4. 4

    空载状态测试手指关节驱动指令，调节肌腱伸长率与张力。

  5. 5

    在串口监视器可视化 FSR 传感器数据，调优抓取力响应。

安全检查
  • 绝不可将 5V 或 12V 执行器电源用作 FSR 传感器电路的供给电源。
  • 系统通电期间绝不可接近手指活动范围，应使用固定夹具。
  • 绝不可将电源分支适配器的正(+)端子相互连接。
  • 维护与组装接近前，必须物理断开 3 个电源适配器，并计量确认所有分支低于 1V。

实验提交物

  • 包含实时传感器数据反馈的固件源代码
  • 电压分压数据的归一化及校准数据手册
  • 执行器反馈回路正常工作日志

ASSIGNMENT

抓取状态机设计与实现

提交物

评分标准

  • 根据传感器值进行的电流限制范围(0-2.3A)控制是否稳定？
  • 当发出力矩解除指令时，物理张力是否立即消失？
  • 代码中是否明确了安全的硬件分离流程？

KNOWLEDGE CHECK

理解检查

1配置 FSR 402 传感器和分压电路时，推荐的电源轨是什么？
2维护机械手时，确认系统处于“无源状态”的正确方法是什么？
3可以将多个独立电源适配器的正极(+)端并联连接吗？

FIELD CHECK

完成标准

  • 使用万用表验证各分支独立供电及保险丝保护均已按 BOM 规范配置完毕
  • 确认通过 OpenCR ADC 精确获取 5 个 FSR 传感器的力信号及滤波效果
  • 完整执行软件力矩解除例程及物理断电后的测量流程
  • 抓取状态机按预期处理执行器和传感器数据，并提交最终报告

MODULE SOURCES

本模块参考资料

  1. OpenCR 1.0emanual.robotis.com · technical_documentation
  2. XM430-W350 e-Manualemanual.robotis.com · datasheet
  3. FSR Model 402interlinkelectronics.com · datasheet