力传感器调理电路

手指康复机器人控制系统的设计与实现

4.1 硬件电路总体结构

手指康复系统的硬件电路采用模块化设计。采用模块化设计，可以大大简化设计的过程，化整为零，将复杂的电路分解为可重复利用的模块，对各个模块进行独立的测试，提高设计电路的质量。除此之外，我们不仅可以对模块直接进行利用，也可以方便的对各个模块部分进行修改。电路的模块化设计，如今已经广泛的应用于我们的硬件电路的设计中去了，同时模块化设计也在复杂的PCB的并行设计领域发挥着良好的作用。

根据各个模块的功能作用的不同，手指康复机器人硬件电路可分为传感器数据采集模块。驱动控制电路模块，电源管理模块，主控制器模块，通信及调试接口模块，AD转换模块，总体的结构图如下。

（1）传感器数据采集模块

传感器数据采集模块主要有力矩传感器调理电路和光电编码器辨向电路组成。这两个电路的主要功能就是将机械结构中输出轴上的模拟力矩信号和位置信号转换为数字信号，便于微处理器进行相应处理。

为了保证驱动执行机构可以向手指施加大小合适的反馈力，需要通过力矩传感器来测出与手指相连接的输出杆上的力矩，从而计算手指的拉压力。已有的机械结构中，采用的电阻应变式力矩传感器，这种传感器主要基于电阻应变效应，其由弹性元件、粘贴在弹性元件上的应变片及外壳组成，当弹性敏感元件受到外力作用后，敏感元件发生形变，形变传递给粘贴在弹性敏感元件上的应变片，应变片相应的发生形变，这导致应变片的电阻阻值大小发生变化，在电桥电路中，电桥失去平衡从而输出相应的电量，电量的大小相应的反映出被测量

的大小。电阻应变式传感器的灵敏度高，稳定性好，在自动检测和控制技术领域有着广泛的应用。在手指康复机器人系统中，力矩传感器输出的电量信号比较微弱，易衰减且容易受到外界环境的干扰，因此为了保证采集数据的有效性，需要将电阻应变式传感器采集的数据输送到调理电路里进行信号的滤波放大，之后才能将信号传输个AD 采样电路。下面介绍力矩传感器的调理电路，包括放大电路和低通滤波电路。

对于放大电路，采用了仪用放大器AD620。AD620 是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。它作为一种价格低，功耗低，精度高的仪器仪表放大器，它采用8管脚的SOIC 或DIP 封装，由于其尺寸小，公号低，因而适合于电池供电以及一些便携式应用场合。

AD620只需要一个外部的电阻Rx 就可以设置放大倍数，放大范围是1~1000。供电电源范围±2.3V~±18V ，最大供电电流1.3mA 。AD620 具有很好的直流特性和交流特性， 它的最大输入失调电压为50 uF ，最大输入失调电压漂移为 1uF/℃， 最大输入偏置电流为 20nA 。G=10时， 其共模抑制比大于 93dB 。 在 1kHz 处输入电压噪声为z /nA 90H ，在 0.1Hz~10Hz 范围内输入电压噪声的峰-峰值为0.28uF ， 输入电流噪声为

z /.1pA 0H 。G=1 时它的增益带宽为 120kHz ， 建立时间为 15us 。（仪用放大器 AD620,

及其应用 曹茂永， 王 霞， 孙农亮（山东科技大学信息与电气工程学院， 济南 250031） 因此，由AD620的特性可知，AD620能够确保放大电路的精度，降低失调电压，低噪声，增大共模抑制比等性能指标。

AD620增益公式如下：

1x

2

1++=

R R R G 其中，R1跟R2是内部增益电阻，，其阻值被精确为24.7K Ω，使得运放增益精确地由外接电阻Rx 确定：

1x 4.49+Ω

=

R K G

如若已经知道放大倍数，也可以根据下式求出相应的外接电阻Rx 的阻值： 1

4.49-Ω

=

G K R X

如上图，即为力矩传感器的放大电路。1、8脚之间跨接阻值为100Ω的外接电阻来调整放大倍率，手指康复训练系统的电阻应变式力矩传感器的信号输入Vf 经过AD620后信号放大了495倍；2、3外接力矩传感器输入信号的两极（2接信号的负极，3接信号的正极）；4、7是接外部电源的两极（4接电源的负极，7接电源的正极）；5是参考端，一般情况下与地连接,此处将一个外围的电压输入到5号管脚REF 端作为电压偏置，V out=（Vf+ - Vf-）×G+Vref ，确保输出结果不失真；6是放大后信号的输出端。

而在AD620的前一段采用LM358D 构成的一个电压跟随器来提供偏置电压，电压跟随器的输入电压与输出电压大小相位一致，但是它的输入阻抗很大，输出阻抗很小。当输入阻抗很高时，相当于对前级开路；当输出阻抗很小的时候，对于后级的电路就相当于是个恒压源，那么它的输出电压受到后级电路的影响就很小。对于前级开路，输出电压又不受后级阻抗影响的电路具备一定的隔离作用，使得前后的电路之间不相互影响。下为AD620仪用放大器的仿真情况：

由于输出杆上上输出的力矩信号处于低频段，因此需要对高频干扰信号进行滤波处理。滤波器是对信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使得特定频率范围内的信号通过，并阻止其他频率的信号通过。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器这两种，其中有源滤波器具有模块化、标准化、易于制造等优点，被广泛应用于信息处理、数据传送和抑制干扰等等电路中。

理想的滤波器电路的频响在通带内具有最大幅值和线性相移，而在阻带中它的幅值应该是零。实际的滤波器电路往往难以达到这样的理想效果，如要同时在幅频和相频响应两方面都要满足要求就更难了，因此，只能根据实际的需求，寻找最佳的近似理想特性。常见的有源低通滤波器有三种，分别是巴特沃斯（Butterworth ）、切比雪夫（Chebyshev ）和贝塞尔（Bessel ）滤波电路。这里力矩传感器信号的滤波电路采用四阶巴特沃斯低通滤波器。它是一种简单也是最常用的滤波电路，又叫最平幅度滤波电路。这种滤波电路对幅频响应的要求是：在小于截止频率c ω的范围内，具有最平幅的响应，而在c ωω>后，upin 响应迅速下降。 因为限制中高频信号的干扰，设计要求的截止频率为20kHz ，采用四阶有源巴特沃斯低通滤波器。四阶有源巴特沃斯低通滤波器是由两个二阶源巴特沃斯低通滤波器级联组成。首先先设计四阶有源巴特沃斯低通滤波器的传递函数：

1

1)s (22

02

12014++⨯++=

λλλλλξξs s G s s G G （1） 为了方便计算，令参数满足如下条件：

R

R R C C C RC

=====

2121c ,21

f π （2）

选取C=0.01μF ，根据（2）式计算得R=788Ω。查表的四阶有源巴特沃斯低通滤波器的两个阻尼系数分别为ξ1 =0.765，ξ2 =1.848 。计算得两个零频增益分别为：