MODULE M7 · 15.0 HOURS

韌體開發與控制

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LEARNING OBJECTIVES

本模組目標

  1. 理解 DYNAMIXEL 智慧致動器通訊與控制框架。
  2. 實現利用 OpenCR 控制板進行致動器與 FSR 感測器訊號獲取。
  3. 設計即時機器人控制狀態機與閉迴路回饋迴路。
  4. 編寫安全電源管理與扭力解除序列程式。

韌體架構與 DYNAMIXEL 控制

機器手的韌體於高速迴路中進行感測器數據採集並處理致動器指令。 OpenCR 1.0 控制器以 216MHz ARM Cortex-M7 處理器為核心 [S13]，無需外部橋接即可處理 DYNAMIXEL 協定 2.0 [S11]，將延遲減至最低。各致動器支援電流、速度、位置模式，機器手採用透過電流控制的扭力基礎抓握策略。

FSR 力回饋系統

FSR 402 感測器具有與施加力成反比的電阻特性 [S12]。利用 OpenCR 的 12 位元 ADC [S13]，在 3.3V 感測器軌上架設 10kΩ 電阻與分壓電路。分壓電壓透過 ADC值 = (V_in * R_fsr) / (R_fsr + R_ref) 進行正規化，此數值將與手指肌腱張力連動，作為抓握力回饋使用。

安全控制例程

為確保安全，系統停止分為兩階段。軟體階段解除致動器扭力 (Torque Off) 以即時移除物理驅動力。維修前務必物理斷開 3 個獨立電源轉接器，並使用三用電表 DC 模式確認各分路皆低於 1V。

WORKED EXAMPLES

講解範例

  1. 1. 致動器目標位置/電流設定：使用 DYNAMIXEL SDK 設定 XM430 致動器的電流限制 (Goal Current)，並透過根據感測器值產生的 PID 迴路來更新手指關節最終位置的範例。
  2. 2. FSR 電壓數據濾波：為去除 ADC 採集之原始數據雜訊，採用移動平均濾波器 (Moving Average Filter)，並將上限 (20N) 與下限 (0.2N) 範圍正規化的程式實作 [S12]。

LAB PROTOCOL

機器手整合控制與精密抓握實習

  1. 1

    以三用電表 DC 模式確認各獨立分路電壓低於 1V 後，方可開始組裝。

  2. 2

    於 OpenCR 的 3.3V 感測器軌上烙接 FSR 電壓分壓電路並連接至 ADC 埠。

  3. 3

    使用 DYNAMIXEL SDK 掃描 11 台致動器 ID 並設定初始位置。

  4. 4

    無負載狀態下測試手指關節驅動指令，調整肌腱延伸率與張力。

  5. 5

    利用序列監控視窗視覺化 FSR 感測器數據，微調抓握力響應。

安全檢查
  • 絕不可將 5V 或 12V 致動器電源作為 FSR 感測器電路的供電電源。
  • 系統通電時，絕不可將手置於手指可移動範圍內，並務必使用固定夾具。
  • 轉接器分路的陽極(+)端子絕不可彼此連接。
  • 維修/組裝接近前，必須物理斷開 3 個電源轉接器，並以儀器確認各分路電壓低於 1V。

實驗繳交成果

  • 包含即時感測器數據回饋的韌體原始程式碼
  • 電壓分壓數據正規化與校準數據表
  • 致動器回饋迴路正常運作紀錄檔

ASSIGNMENT

抓握狀態機設計與實作

繳交成果

評分標準

  • 依據感測器數值，電流限制範圍 (0-2.3A) 是否穩定控制？
  • 當發出扭矩釋放命令時，物理張力是否會立即解除？
  • 代碼中是否明確規定了安全的硬件隔離程序？

KNOWLEDGE CHECK

理解檢查

1配置 FSR 402 傳感器和分壓電路時，推薦的電源軌是什麼？
2維護機器手時，確認系統處於「無電狀態」的正確方法是什麼？
3可以將多個獨立電源適配器的正極(+)輸出並聯連接嗎？

FIELD CHECK

完成標準

  • 使用萬用表驗證各分支獨立供電及保險絲保護已按 BOM 規範配置完成
  • 確認通過 OpenCR ADC 精確獲取並過濾 5 個 FSR 傳感器的力信號
  • 完全執行軟件扭矩釋放程序及物理斷電後的測量程序
  • 抓取狀態機按預期處理執行器與傳感器數據，並提交最終報告

MODULE SOURCES

本模組參考資料

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