在基于 Arduino 的无刷直流电机（BLDC）驱动的工业机械臂系统中，实现碰撞保护是保障设备安全、延长使用寿命以及确保人机协作安全的关键环节。尽管 Arduino 平台本身计算能力和实时性有限，但在原型验证、教学实验或轻型协作机械臂中，仍可构建基础的碰撞检测与保护机制。
一、系统原理概述
工业机械臂的碰撞保护通常依赖于对异常力/力矩或运动状态突变的检测。在 BLDC 驱动系统中，可通过以下方式间接感知碰撞：
电流监测法：
碰撞导致负载突增 → 电机电流骤升 → 通过采样相电流或母线电流判断是否超限。
位置/速度偏差法：
在位置闭环控制下，若实际位置显著偏离指令轨迹（如 PID 控制误差突增），可能表明存在外部阻碍。
加速度/振动传感法（辅助手段）：
使用 MEMS 加速度计检测结构冲击，作为碰撞事件的补充判据。
Arduino 可通过 ADC 读取电流传感器信号、编码器位置，并结合简单逻辑或阈值判断实现初级碰撞保护。
二、主要特点
- 低成本、易集成
利用 Arduino（如 Mega2560、Due 或 ESP32）配合霍尔电流传感器（如 ACS712）、磁编码器（如 AS5600）即可搭建基础系统。
无需昂贵的力矩传感器或专用安全控制器，适合预算受限场景。 - 基于间接物理量的碰撞推断
不直接测量接触力，而是通过电流动态响应或控制误差异常间接判断碰撞。
方法虽不如六维力传感器精确，但在低速、轻载工况下具备实用价值。 - 响应机制简单但有效
一旦检测到碰撞特征（如电流超过阈值持续一定时间），立即：
停止电机驱动（关闭 PWM）
触发急停信号
记录事件日志（可选）
可结合软件滤波避免误触发（如剔除启动瞬态电流）。 - 与 PID 位置控制协同工作
在位置闭环系统中，碰撞常表现为跟踪误差急剧增大且控制输出饱和。
可设计“误差-电流”联合判据：仅当误差大 且 电流高时才判定为碰撞，减少误报。 - 实时性受限但可优化
Arduino Uno/Nano 主频低、无 RTOS，难以实现微秒级响应。
建议使用定时器中断保证采样周期稳定（如每 1–5 ms 采样一次电流和位置）。
三、典型应用场景
教育与科研原型平台
用于演示机械臂安全控制原理，验证碰撞检测算法。
学生可学习传感器融合、阈值整定、安全逻辑设计。
轻型桌面级协作机械臂
如 3–5 自由度的小型机械臂，用于抓取轻质物体。
在人机共处环境中，提供基本碰撞停机保护，防止夹伤或设备损坏。
自动化实验装置
如实验室中的自动加样臂、小型装配平台，在无人值守时防止因卡滞导致电机烧毁。
DIY 工业模拟系统
模拟产线机械臂的故障保护逻辑，用于培训或流程验证。
注意：不适用于高负载、高速或安全等级要求高的工业现场（如 ISO 10218 或 ISO/TS 15066 标准场景），此类场合需使用认证的安全 PLC、扭矩传感器及符合 SIL/PL 等级的控制系统。
四、需要注意的关键事项
- 电流检测精度与带宽
选用合适量程的电流传感器（如 ±5A、±20A），确保能捕捉启动电流与碰撞电流的差异。
传感器带宽应足够（>1 kHz），避免高频电流波动被滤除而漏检瞬时碰撞。
建议对 ADC 采样值进行滑动平均或中值滤波，抑制电气噪声。 - 动态阈值 vs 固定阈值
固定电流阈值易受负载变化影响（如不同姿态下重力矩不同）。
更优方案：根据当前运动状态（速度、加速度、关节角度）动态调整阈值，或采用残差检测（观测器估计正常电流 vs 实测电流）。 - 避免误触发
电机启动、方向切换、加速阶段电流自然升高，需设置延时确认（如持续 20–50 ms 超限才触发）。
可引入“碰撞强度”分级：轻微超限仅降速，严重超限才急停。 - 机械结构刚性影响
高刚性结构传递碰撞力快，电流响应明显；柔性结构可能缓冲冲击，导致检测延迟。
若使用谐波减速器等高减速比机构，碰撞力会被放大，更易检测，但也更易损坏。 - 电源与驱动保护
碰撞时电机可能进入堵转状态，持续大电流会烧毁 MOSFET 或电机绕组。
必须在硬件层面加入过流保护（如保险丝、电子断路器）作为最后一道防线。 - 多关节协调保护
单关节独立检测可能忽略耦合效应（如末端碰撞引起多个关节电流变化）。
理想情况下应融合多轴数据，但 Arduino 资源有限，可简化为“任一关节触发即全局停机”。 - 复位与恢复机制
碰撞停机后，应禁止自动重启，需人工确认安全后手动复位。
可加入蜂鸣器、LED 或串口提示，明确指示碰撞发生。
1、基于电流阈值检测（使用ACS712）
constfloatcollisionThreshold=5.0;// Afloatcurrent=analogRead(A0)*(5.0/1023.0);if(current>collisionThreshold){digitalWrite(motorEnable,LOW);alarm();}2、速度突变检测
intlastSpeed=0;intcurrentSpeed=readEncoderVelocity();if(abs(currentSpeed-lastSpeed)>deltaThreshold){triggerCollisionResponse();}lastSpeed=currentSpeed;3、多传感器融合判断
boolisColliding(){return(getCurrent()>I_THRESH)&&(abs(getPositionError())>POS_ERR_THRESH)&&(getAcceleration()>ACCEL_THRESH);}要点解读
动态阈值设定策略：根据当前运动状态自适应调整碰撞判定阈值，避免加速阶段误触发。
硬件采样同步要求：电流采样需与PWM周期对齐，推荐在SVPWM调制中断中执行核心检测逻辑。
安全停机路径设计：立即切断驱动使能后，应启动能耗制动或反向转矩补偿以缩短制动距离。
故障恢复机制：设置碰撞计数器和自动重启延迟，连续多次碰撞需进入错误模式等待人工干预。
系统级冗余考虑：重要参数采用双MCU交叉验证，关键信号线增加硬件看门狗电路。
4、基于电流检测的BLDC碰撞保护
#include<SimpleFOC.h>// 电机与驱动器配置BLDCMotor motor=BLDCMotor(7);// 7极对数BLDCDriver3PWM driver=BLDCDriver3PWM(9,10,11,8);// PWM引脚+使能引脚// 电流传感器配置constintcurrentPin=A0;floatcurrentThreshold=2.0;// 电流阈值（A）unsignedlonglastCollisionTime=0;voidsetup(){Serial.begin(115200);driver.init();motor.linkDriver(&driver);motor.init();motor.initFOC();}voidloop(){motor.loopFOC();motor.move(1.0);// 恒定速度运动（示例）// 读取电流（假设传感器输出0-5V对应0-5A）floatcurrent=analogRead(currentPin)*(5.0/1023.0);// 碰撞检测：电流超过阈值且持续100msif(current>currentThreshold){if(millis()-lastCollisionTime>100){Serial.println("Collision detected! Stopping motor.");motor.setPhaseVoltage(0,0);// 立即停止电机lastCollisionTime=millis();}}else{lastCollisionTime=millis();// 重置计时器}}5、基于力传感器的碰撞保护
#include<HX711.h>#include<SimpleFOC.h>// 力传感器配置HX711 scale;constintLOADCELL_DOUT_PIN=2;constintLOADCELL_SCK_PIN=3;floatforceThreshold=5.0;// 力阈值（N）// 电机配置BLDCMotor motor=BLDCMotor(7);BLDCDriver3PWM driver=BLDCDriver3PWM(9,10,11,8);voidsetup(){Serial.begin(115200);scale.begin(LOADCELL_DOUT_PIN,LOADCELL_SCK_PIN);scale.set_scale(2280.f);// 校准系数scale.tare();// 去皮重driver.init();motor.linkDriver(&driver);motor.init();motor.initFOC();}voidloop(){motor.loopFOC();motor.move(0.5);// 目标速度floatforce=scale.get_units(10);// 读取平均力值Serial.print("Force: ");Serial.println(force);if(abs(force)>forceThreshold){Serial.println("Force overload! Retracting...");motor.setPhaseVoltage(0,0);// 停止// 回退逻辑（示例：反向移动0.1秒）motor.move(-0.3);delay(100);motor.setPhaseVoltage(0,0);}}6、基于编码器的碰撞保护（位置偏差检测）
#include<SimpleFOC.h>// 电机与编码器配置BLDCMotor motor=BLDCMotor(7);BLDCDriver3PWM driver=BLDCDriver3PWM(9,10,11,8);Encoder encoder=Encoder(2,3,500);// 引脚A,B,每转脉冲数floattargetAngle=0.0;floatmaxDeviation=0.1;// 最大允许偏差（弧度）voidsetup(){Serial.begin(115200);encoder.init();motor.linkSensor(&encoder);driver.init();motor.linkDriver(&driver);motor.init();motor.initFOC();}voidloop(){motor.loopFOC();motor.move(targetAngle);// 目标角度// 计算实际与目标位置偏差floatdeviation=abs(encoder.getAngle()-targetAngle);Serial.print("Deviation: ");Serial.println(deviation);if(deviation>maxDeviation){Serial.println("Position deviation exceeded! Stopping.");motor.setPhaseVoltage(0,0);// 可选：切换至低刚度模式（通过调整PID参数）}}关键解读
传感器选择与校准
电流传感器需根据电机额定电流选型（如ACS712-20A用于大功率电机）。
力传感器需定期校准（如scale.tare()去皮重），避免零点漂移。
实时性优化
避免在loop()中使用delay()，改用millis()非阻塞计时（如案例1的碰撞持续时间判断）。
对高频任务（如编码器读取）使用硬件中断（如attachInterrupt()）。
保护逻辑分层
软保护：降低速度/扭矩（如案例2的回退逻辑）。
硬保护：直接切断电源（需额外继电器或MOSFET电路）。
机械与电气隔离
传感器信号线需屏蔽（如力传感器使用双绞线+磁环）。
电机驱动器与Arduino共地，避免电位差干扰。
故障恢复机制
记录碰撞事件（如通过SD卡模块存储日志）。
提供手动恢复接口（如串口命令或按钮复位）。
注意，以上案例只是为了拓展思路，仅供参考。它们可能有错误、不适用或者无法编译。您的硬件平台、使用场景和Arduino版本可能影响使用方法的选择。实际编程时，您要根据自己的硬件配置、使用场景和具体需求进行调整，并多次实际测试。您还要正确连接硬件，了解所用传感器和设备的规范和特性。涉及硬件操作的代码，您要在使用前确认引脚和电平等参数的正确性和安全性。
