Мягкий Fin-Ray-палец научили держать силу, слушая шум датчика
Палец из TPU умеет делать то, что для жёсткой клешни требует кинематики, датчиков положения и аккуратной модели объекта: обтекать неровную поверхность при сжатии. Геометрия Fin-Ray выворачивает стенки пальца к предмету, распределяя контакт по площади. Авторы проекта добавили к этой пассивной податливости измерение силы и получили воспроизводимый мягкий захват с замкнутым контуром на STM32F407G-DISC1.
Шум датчика сначала измерили, потом начали подавлять
Самый содержательный фрагмент работы начинается там, где тонкоплёночный пьезорезистивный сенсор подключают обычным делителем напряжения к ADC. Такой датчик меняет сопротивление нелинейно, его выход дрейфует и шумит. Вместо произвольного коэффициента сглаживания исследователи записали сигнал покоя, посмотрели его FFT и увидели заметную составляющую примерно в области 20–30 Гц. После этого микроконтроллер стал оцифровывать канал с частотой 4 kS/s и усреднять 200 последних отсчётов.
Это простое скользящее среднее оказывается вполне физическим решением. Окно длиной 200 отсчётов занимает 50 мс, а его первый нуль в частотной характеристике лежит на 20 Гц. Фильтр целится ровно в участок спектра, который мешал датчику. Цена такого подавления — задержка порядка 25 мс для причинной реализации и сглаженные быстрые касания. Для захвата, который устанавливает усилие примерно за секунду, эта задержка остаётся приемлемой.
Усреднение попало точно в спектральную проблему
Калибровочную кривую описали полиномом третьего порядка. В диапазоне около 0.1–5 Н авторы получили среднюю absolute accuracy 70.8%, зато средний коэффициент вариации составил 1.10%. Эти цифры показывают характер системы без рекламной магии: абсолютное значение силы, особенно у нижней границы диапазона, известно грубо; повторяемое изменение контакта считывается гораздо увереннее. Для удержания предмета второй параметр часто полезнее первого.
В качестве регулятора использован P-controller, без заявленного PID. При уставке 0.981 Н захват после контакта выходил на режим примерно за 1.08 с. После внешнего возмущения контур восстанавливал усилие примерно за 0.75 с. Во время регулирования привод потреблял около 250 мА в среднем, а при подавлении возмущения ток кратковременно доходил до 1 А.
Податливый палец упрощает задачу контроллеру
Красота конструкции в разделении обязанностей. Fin-Ray-пальцы сами принимают форму объекта и снижают локальные пики давления; электроника видит уже одну скалярную величину от недорогой резистивной плёнки и подстраивает сжатие. Контроллеру не приходится восстанавливать полную геометрию контакта по множеству каналов. Механическая податливость сокращает объём задачи, который остаётся измерению и алгоритму.
Работа опубликована как open design: авторы заявляют доступность механических файлов, firmware и Python GUI. Это делает проект особенно полезным как учебный образец измерительного тракта: датчик подключают, его шум измеряют, частотную характеристику фильтра выбирают осознанно, нелинейность калибруют, затем проверяют весь контур на контакте. Именно эта последовательность превращает мягкую 3D-печатную деталь в управляемый инструмент, хотя точным динамометром она пока не стала.