《2025 DigiKey AI应用创意挑战赛》-基于EVAL-ADXL354的机器人关节传感器
本帖最后由 scenely 于 2026-1-23 11:10 编辑基于EVAL-ADXL354的机器人关节传感器 1 项目概述
本项目旨在设计一款基于EVAL-ADXL354评估板的机器人关节传感器，依托ADXL354低噪声、低漂移、低功耗的3轴MEMS加速度计核心优势，实现对机器人关节运动姿态、加速度及振动信号的高精度采集与分析。该传感器可实时监测关节在旋转、摆动过程中的动态参数，为机器人控制系统提供精准的姿态反馈，助力优化关节运动控制算法、提升运动稳定性，并实现对关节故障的早期预警。项目成果可广泛应用于工业机器人、协作机器人及服务机器人等各类机器人关节检测场景，兼顾小型化、低功耗与高可靠性需求，具备较强的实用价值与推广前景。
2 项目背景
随着工业自动化与机器人技术的快速发展，机器人关节作为运动执行的核心部件，其运动精度、稳定性与安全性直接决定机器人整体性能。在工业生产、精密装配等场景中，机器人关节需频繁承受载荷变化与高速运动，易出现磨损、偏移等问题，若无法及时监测并调整，可能导致作业误差扩大甚至设备故障。
传统机器人关节传感器多存在噪声干扰大、温度漂移明显、功耗较高等缺陷，难以满足高精度、长时间连续监测需求。而EVAL-ADXL354评估板搭载的ADXL354加速度计，具备22.5µg/√Hz的超低噪声密度、0.15mg/°C的最大零偏温度漂移及150µA的低测量功耗，且支持±2g/±4g（BZ型号）或±2g/±8g（CZ型号）的可调节测量范围，能精准捕捉关节微小运动变化。同时，其紧凑的尺寸与较高的板体刚度，可最大限度降低对关节运动的干扰，为机器人关节高精度监测提供了理想的硬件支撑。
3 系统介绍
本机器人关节传感器系统采用“采集层-处理层-传输层”三层架构，实现从信号采集到数据输出的全流程闭环。采集层以EVAL-ADXL354评估板为核心，负责采集关节运动的3轴加速度信号与温度信号；处理层通过STM32单片机对采集到的模拟信号进行模数转换、滤波降噪及数据校准，提取关节姿态特征参数；传输层采用串口通信将处理后的数据上传至机器人主控系统，同时接收主控指令完成测量参数配置。
系统具备三大核心功能：一是实时采集，可同步获取X、Y、Z三轴加速度数据及环境温度数据，采样精度满足关节运动监测需求；二是数据处理，通过软件算法抑制噪声干扰、补偿温度漂移，提升数据可靠性；三是交互适配，支持与各类机器人控制系统无缝对接，提供标准化数据接口，同时可通过跳线配置测量范围与工作模式，适配不同关节运动场景。
4 硬件设计
系统框图 电源电路：采用DCDC降压芯片将外部5-40V电源转换为3.3V，为EVAL-ADXL354评估板、单片机及外设供电，同时在电源输入端配置0.1μF陶瓷电容实现，保障供电稳定性。
信号采集电路：EVAL-ADXL354评估板的XOUT、YOUT、ZOUT三轴模拟输出端采用轨到轨运放经过处理之后，分别连接STM32F103的ADC的三个通道的模拟输入端，通过ADC通道将模拟信号转换为数字信号；评估板的TEMP引脚输出温度信号，接入单片机ADC引脚用于温度漂移补偿。
模块自身电路
控制与通信电路：单片机通过GPIO引脚连接评估板的RANGE与STBY引脚，实现测量范围切换与待机模式控制；通过USART串口或者Can总线、机器人主控系统通信，传输数据与控制指令。硬件布局采用模块化设计，评估板通过6针排针与主板连接，便于安装与调试。 在机器人关节测试平台进行性能验证，测试环境温度范围为-40°C至+125°C，覆盖工业场景常用温度区间。测试结果显示，传感器测量精度误差小于0.5%，噪声干扰可有效抑制，温度漂移补偿后误差降低至0.1mg以内，采样延迟小于50ms，满足机器人关节实时监测需求。低功耗模式下系统功耗仅200μA，可支持长时间连续工作，硬件尺寸适配多数机器人关节安装空间。
5 软件流程
数据采集模块：通过ADS1256芯片对评估板输出的三轴加速度模拟信号进行采集，采样频率设为100Hz，采集数据存储至单片机缓存区，同时读取温度信号用于后续补偿。数据处理模块：采用滑动平均滤波算法抑制随机噪声，结合ADXL354的温度漂移特性，通过预设校准公式对采集数据进行温度补偿，消除环境温度对测量精度的影响；进一步提取关节运动的加速度峰值、姿态角等特征参数。 通信与控制模块：按照自定义通信协议，将处理后的特征参数通过串口上传至机器人主控系统，上传周期为10ms；同时接收主控指令，实现测量范围切换、采样频率调整及系统待机/唤醒控制。
软件流程图
总 结
本项目基于EVAL-ADXL354评估板设计的机器人关节传感器，充分发挥了ADXL354低噪声、低漂移、低功耗的优势，通过软硬件协同设计实现了关节运动参数的高精度监测。系统具备结构紧凑、适配性强、性能稳定等特点，可有效提升机器人关节控制精度与故障预警能力。
未来可进一步优化设计：一是增加振动频谱分析算法，实现关节磨损故障的精准识别；二是采用无线充电技术，延长续航时间；三是适配多型号机器人关节，开发标准化安装套件，扩大应用场景。
在此也感谢与非网平台和得捷的大力支持，是你们让我们的想法得以实现。
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