MODULE M8 · 10.0 HOURS
傳感器集成與反饋控制
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LEARNING OBJECTIVES
本模組目標
- 理解使用 FSR 402 傳感器和 10 kΩ 電阻構成分壓電路的原理
- 熟悉 OpenCR 控制器的 ADC 功能及輸入範圍（0-3.3 V）限制條件
- 掌握傳感器數據的過濾與校準技術
- 實現基於反饋的抓取控制算法，並進行機器手接觸力控制實踐
感測器整合與接觸力回饋
機器手精密抓取控制，始於準確測量作用於指尖的力。FSR 402 感測器是一種壓力感測電阻器，其電阻值會隨著施加壓力增加而減少 [S12]。為將其轉換為微控制器可讀取的電壓訊號，需要電壓分壓電路。
1。電壓分壓電路
將 FSR 感測器與 10 kΩ 分壓電阻串聯，並供應 3.3 V 感測器電源 [B4, B5, B2]。ADC 接腳連接至感測器與電阻的接觸點，輸出電壓 $V_{out}$ 計算方式如下： 10 kΩ 下拉分壓器使用 $V_{out}=V_{ref}\frac{R_{fixed}}{R_{FSR}+R_{fixed}}$
- OpenCR 控制器的 ADC 具有 12 位元解析度，且輸入範圍限制為 0~3.3 V [B2]。超出此範圍的輸入可能會損壞電路元件，因此必須僅使用指定的感測器電源軌 (3.3 V) [B2]。
2。控制迴路與回饋
測得的力數據將作為 PID 控制演算法或適應性控制策略的輸入值 [S3]。當機器手抓取物體時，腱驅動馬達 (DYNAMIXEL XM430-W350-T) 會參考感測器數值，微調扭矩直至達到設定的目標接觸力 [B1, B4]。
WORKED EXAMPLES
講解範例
- 範例 1：FSR 輸出計算。當 $R_{FSR}$ 為 5 kΩ，$R_{fixed}$ 為 10 kΩ，且以 3.3 V 輸入為基準時，$V_{out} = 3.3 \times (5 / (5 + 10)) = 1.1 V。此值正常處於 ADC 輸入範圍（0-3.3 V）內。
- 範例 2：抓取力校準。若傳感器值因噪聲而波動，可應用簡單移動平均濾波器，以減少傳感器值的劇烈波動並穩定保持抓取力。
LAB PROTOCOL
指尖 FSR 傳感器電路構建與校準
- 1
將 OpenCR 的 3.3 V 傳感器軌和 GND 連接到麵包板。
- 2
將 FSR 402 與 10 kΩ 電阻串聯，構建分壓電路 [B4, B5]。
- 3
將分壓節點連接到 OpenCR 的 ADC 引腳 [B2]。
- 4
連接 PC 與 OpenCR，並執行讀取傳感器值的測試代碼。
- 5
記錄無負載狀態和施加目標力時的 ADC 值，編寫校準表。
安全檢查
- 接通電源前，務必使用萬用表確認 3.3 V 軌與 12 V 執行器軌之間是否存在短路 [B2]。
- 務必隨時佩戴護目鏡；通電期間，切勿將手放入機器手的運動範圍內。
- 若偵測到異常發熱、氣味或煙霧，請勿靠近。在危險區域外，請斷開預先指定的建築配電盤斷路器或認證的上游主斷路器，切斷 3 個適配器的電源後撤離。若危險區域外無可操作的上游斷電手段，則禁止對系統通電。扭矩釋放不能替代切斷電源。維護與接近操作僅能在規劃停機後，經過物理斷電及確認無電狀態後方可進行。
- 維修或接近傳感器前，請物理斷開 3 個絕緣電源適配器，並測量確認所有分支的電壓低於 1 V。
實驗繳交成果
- ADC 傳感器讀取測試結果數據
- 傳感器校準表（ADC 值 vs 物理力）
- 傳感器數據過濾實現代碼
ASSIGNMENT
抓取力反饋控制算法實現
繳交成果
評分標準
- ADC 數據是否在 0-3.3 V 範圍內穩定測量？
- 當傳感器值達到目標值時，電機是否適當地釋放或保持扭矩？
- 緊急情況下的扭矩釋放功能是否能通過軟件正常運作？
- 報告中是否技術性描述了斷電確認程序？
KNOWLEDGE CHECK
理解檢查
FIELD CHECK
完成標準
- 通過 ADC 讀取 FSR 值的實驗練習
- 抓取力反饋控制代碼達到目標值的 90% 以上
- 證明遵守所有安全守則（物理斷電及測量電壓）
- 提交最終結果報告
MODULE SOURCES
本模組參考資料
- Intelligent soft robotic gripper for non-destructive grasping ...nature.com · paper
- FSR Model 402interlinkelectronics.com · datasheet
- 10K Ohm 5 Percent 1/4W Through-Hole Resistorsadafruit.com · technical_documentation