(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211008344.8 (22)申请日 2022.08.22 (71)申请人 南京理工大 学 地址 210094 江苏省南京市孝陵卫20 0号 (72)发明人 马国梁　郭健　余劲天　于睿　 许立松　苗力　 (74)专利代理 机构 南京理工大 学专利中心 32203 专利代理师 汪清 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种连续体 机械臂形态检测PCB组件 (57)摘要 本发明公开一种连续体机械臂形态检测PCB 组件， 包括： ARM芯片、 九轴运动 传感器、 三轴磁强 计、 CAN收发器芯片、 FRAM存储芯片； 采用环形缺 口式结构， 最大外径32mm， 适合于安装在直径较 小的连续体机械臂上。 本发明满足连续体机械臂 的形态检测需求， 所用的九轴运动传感器可以直 接输出姿态角测量数据。 本发明同时满足连续体 机械臂在空间轨道微重力环境下的形态检测 需 求， 所设计的姿态融合算法能解决连续体机械臂 的形态检测难题 。 形态检测PCB组件通过CAN总线 传输测量信息， 具有尺寸小、 重量轻、 便于安装、 易于扩展的特点， 完全能够满足多种连续体机械 臂的使用要求。 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 CN 115420330 A 2022.12.02 CN 115420330 A 1.一种连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 所述PCB组件上设有ARM芯片、 九 轴运动传感器、 三轴磁强计、 CAN收发器、 FRAM存 储芯片、 稳压芯片、 CAN总线 主插座； 所述ARM芯片与九轴运动传感器、 三轴磁强计和FRAM存储芯片连接， 并经CAN收发器连 接CAN总线主插座； 所述用于采集连续体机械臂的三轴加速度、 三轴角速度、 三轴磁场强度， 并能在地面重 力环境下输出欧拉姿态角数据； 所述三轴磁强计用于采集连续体机 械臂三轴方向地球 磁场强度； 所述FRAM存 储芯片用于存 储九轴运动传感器和三轴磁强计的标定参数； 所述ARM芯用于收发和处理九轴运动传感器和三轴磁强计的的采集数据， 运行形态检 测算法， 与其 他连续体机 械臂形态检测PCB组件通讯； 所述稳压芯片用于为ARM芯片、 九轴运动传感器、 三轴磁强计、 CAN收发器、 FRAM存储芯 片进行供电。 2.根据权利 要求1所述的连续体机械臂形态检测 PCB组件， 其特征在于， 所述ARM芯片的 PA1端口与九轴运动传感器的INT端口连接， PA2端口与九轴运动传感器的COM1端口连接， PA3端口与九轴运动传感器的COM0端口连接， PA4端口与三轴磁强计的SPI_CS端口连接， PA5 端口与三轴磁强计的SCL/SPI_SCK端口连接， PA6端口与三轴磁强计的SPI_SDO端口连接， PA7端口与三轴磁强计的SDA/SPI_SDI端口连接， PA11端口与CAN收发器的RXD端口连接， PA12端口与CAN收发器的TXD端口连接， PA13端口与SWD程序调试插座的2号端口连接， PA14 端口与SWD程序调试插座的3号端口连接， PA15端口与FRAM存储芯片的CS端口连接， PB0端口 与三轴磁强计的INT端口连接， PB3端口与FRAM存储芯片的SCK端口连接， PB4端口与FRAM存 储芯片的SO端口连接， PB5端口与FRAM存储芯片的SI端口连接， PB8_BOOT0端口与第一电阻 R1连接， PG10_NRST 端口与第三电容C 3连接。 3.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 所述稳压芯片 的IN端口和EN端口与并联后的第七电容C7、 第九电容C9连接， 同时并联电容一端接入5V电 压， 另一端接地； 所述稳压芯片的OUT端口与并联后的第十四电容C14和第十三电容C13连 接， 并联电容另一端接地， OUT端口输出3.3V电压， 并接入SNS 端口； GND端口、 Thermal_Pad端 口接地； 稳压芯片的OUT端口和ARM芯片的VDD_1、 VDD_2、 VDDA端口连接； ARM芯片的VSS_1、 VSS_2 端口接地， VDDA端口与并联后的第二电容C2、 第六电容C6连接， 另一端连接VSSA端口且接 地； 稳压芯片的OUT端口和九轴运动传感器的VDD端口、 VDDIO端口、 PS1端口、 BOOTLOADPIN 端口连接； 九轴 运动传感器的VDD端口和第五电容C5连接， VDDIO端口和并联后的第十电容 C10、 第十一电容C11、 RESET端口第五电阻R5连接后接入3.3V电压， BOOTL OADPIN端口与第四 电阻R4连接， CAP端口与第八电容C8连接， 另一端接地， PS0端口接地， COM2、 COM3端口接地， GND端口、 GNDIO端口接地； 稳压芯片的OUT端口和三轴磁强计 的VDD端口、 VDDIO端口连接； 三轴磁强计 的VDD端口 与第十六电容C16连接， 另一端接地， VDDIO端口与第十二电容C12连接， 另一端接地， GND_1 端口、 GND_2端口接地， CAP端口与第十五电容C15连接， 另一端接地； 稳压芯片的OUT端口和CAN收发器 的VCC端口连接； CAN收发器 的VCC端口与第四电容C4权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115420330 A 2连接， 另一端连接SHDN端口和RS端口且接地， GND端口接地， CANH端口和CANL端口之间连接 第二电阻R2， 另一端连接接线器JP1和JP2的2号、 3号端口， 接线器JP1和JP2的1号端口接入 5V电压， 4 号端口接地； 稳压芯片的OUT端口和FRAM存储芯片的VDD端口、 WP端口、 HOLD端口连接； FRAM存储芯片 的VDD端口与第一电容C1连接， 另一端接地， VS S端口接地； 稳压芯片的OUT端口和SWD程序调试插座的1号端口连接； SWD程序调试插座的4号端口 接地。 4.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 所述九轴运动 传感器的姿态输出依赖于地面重力环境下重力加速度的铅锤指向， 当连续体机械臂工作在 空间轨道微重力环境时， 通过三轴磁强计或者九轴运动传感器内部集成的三轴磁强计测量 信息解算姿态角， 连续体机 械臂节点形态用俯仰角 θ和偏航角 ψ来描述， 解 算方程为： 其中Hx、 Hy、 Hz为参考坐标系的x轴， y轴， z轴磁场强度分量， Hbx、 Hbz、 Hby为形态检测PCB组 件的x轴， y轴， z轴磁场强度测量 值。 5.根据权利 要求1所述的连续体机械臂形态检测 PCB组件， 其特征在于， 所述PCB组件采 用环形缺口式结构， 用于安装在有中心杆的连续体机 械臂端面上。 6.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 背面设有一个 CAN总线备用插座， ARM芯片由CAN收发器连接 CAN总线备用插座。 7.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 所述稳压芯片6 的直流电压输入范围为 4.5V～16V， 输出电压固定为3.3V， 输出精度1％。 8.根据权利 要求1所述的连续体机械臂形态检测 PCB组件， 其特征在于， 所述CAN收发器 为MAX3051， 工作电压 3.3V， 最大消耗电流70mA， 传输 速率达到1Mbps。 9.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 所述FRAM存储 芯片选型为FM25V02 A， 采用并行 数据接口S PI连接ARM芯片1， 最大存 储容量256K位。 10.根据权利要求1所述的连续体机械臂形态检测PCB组件， 其特征在于， 设有SWD串口 调试插座， 用于程序测试维护。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115420330 A 3