IMU與壓電薄膜傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，感知能力成為推動(dòng)機(jī)器人智能化和多功能化的核心要素。在眾多傳感器中，慣性測量單元（IMU）和壓電薄膜傳感器因其特別的性能和多樣的應(yīng)用場景，逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。IMU以其對(duì)姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)和方向的準(zhǔn)確測量能力，大量應(yīng)用于導(dǎo)航、控制和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃；而壓電薄膜傳感器憑借高靈敏度、柔性和多功能特性，在觸覺感知、振動(dòng)監(jiān)測等領(lǐng)域表現(xiàn)出色。本文將探討IMU與壓電薄膜傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域中的典型應(yīng)用及未來發(fā)展方向，以及Murata（村田制作所）所推出的相關(guān)解決方案。

陀螺儀和加速度傳感器為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)感知能力

陀螺儀和加速度傳感器在智能機(jī)器人中的應(yīng)用與發(fā)展具有重要意義，它們?yōu)闄C(jī)器人提供了準(zhǔn)確的姿態(tài)控制、導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)感知能力。在姿態(tài)控制與穩(wěn)定性方面，陀螺儀可用于測量機(jī)器人在三維空間中的角速度，幫助機(jī)器人維持平衡，尤其在雙足機(jī)器人和無人機(jī)中尤為關(guān)鍵。加速度傳感器則可用于監(jiān)測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的線性加速度變化，與陀螺儀結(jié)合形成慣性測量單元（IMU），實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的姿態(tài)估計(jì)。

此外，在無GPS環(huán)境中，陀螺儀和加速度傳感器通過慣性導(dǎo)航算法，可提供位置信息，支持機(jī)器人在室內(nèi)或復(fù)雜地形中的自主移動(dòng)，結(jié)合視覺傳感器（如SLAM技術(shù)），可提升導(dǎo)航精度。在碰撞檢測與避障方面，加速度傳感器用于監(jiān)測機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中的異常加速度變化，迅速響應(yīng)并采取避障或停止動(dòng)作。

在服務(wù)機(jī)器人和娛樂機(jī)器人應(yīng)用中，這些傳感器可以捕捉機(jī)器人手臂或身體的運(yùn)動(dòng)，用于模擬人類行為或與用戶互動(dòng)，并利用傳感器數(shù)據(jù)來評(píng)估地面傾斜度、振動(dòng)情況和外部環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，可提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

很高精度的6軸MEMS慣性傳感器

隨著工業(yè)設(shè)備的高功能化，配備的電子組件數(shù)量也在不斷增加，因此，傳感器封裝需要實(shí)現(xiàn)小型化。此外，由于工業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化程度不斷提高，準(zhǔn)確獲取動(dòng)態(tài)姿態(tài)角和自身位置的需求也在不斷增加。其中的傳感器各軸（X軸、Y軸和Z軸）的正交性，是更準(zhǔn)確地估算動(dòng)態(tài)姿態(tài)角的一個(gè)重要因素，迄今為止，為了確保正交性，用戶需要通過其他設(shè)備外部校準(zhǔn)。

為此，Murata開發(fā)了高精度的6軸MEMS慣性傳感器，噪聲低而且輸出穩(wěn)定。陀螺儀傳感器和加速度傳感器的每個(gè)軸都能輸出經(jīng)過正交補(bǔ)正后的值，能簡化用戶的校準(zhǔn)過程，有助于降低生產(chǎn)成本。此外，緊湊的設(shè)計(jì)可以幫助節(jié)省PCB空間。

Murata推出的SCH16T傳感器系列，可通過冗余設(shè)計(jì)選項(xiàng)和內(nèi)置可調(diào)雙輸出通道，為客戶提供更大的靈活性。SCH16T傳感器系列可支持±2000°/s（SCH16T-K10）或±300°/s（SCH16T-K01）的角速率測量范圍，與±16g（SCH16T-K10）或±8g（SCH16T-K01）的加速度測量范圍，具備動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到±26g的冗余數(shù)字加速度計(jì)通道，陀螺儀偏置不穩(wěn)定性低到0.3°/h（SCH16T-K01）或4°/h（SCH16T-K10），噪聲密度水平低到0.4m°/s/√Hz（SCH16T-K01）或6m°/s/√Hz（SCH16T-K10），支持輸出插值和抽取選項(xiàng)，可用于時(shí)鐘域同步的數(shù)據(jù)就緒輸出、時(shí)間戳索引和SYNC輸入功能。

SCH16T傳感器系列可在?40至110℃的溫度范圍內(nèi)工作，采用3.0至3.6V的電源電壓，1.7至3.6V的I/O電源，支持SafeSPI v2.0接口，可通過SPI幀選擇20位和16位的輸出數(shù)據(jù)，具備豐富的自診斷功能，其尺寸為12mm × 14mm × 3mm（長×寬×高），采用SOIC-24倒置外殼，PCB上的占位面積小于170mm2，采用經(jīng)過驗(yàn)證的電容式3D-MEMS技術(shù)，以及符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的牢固SOIC塑料封裝，適合無鉛焊接工藝和SMD安裝。

SCH16T傳感器是具有這種性能和功能水平的少數(shù)單封裝6DoF器件之一，該傳感器在整個(gè)溫度和測量范圍內(nèi)具有出眾的線性度和偏移穩(wěn)定性，即使在惡劣的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的機(jī)器動(dòng)力特性和位置傳感精度。

SCH16T可應(yīng)用于在嚴(yán)格環(huán)境條件下追求高性能表現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域，像是慣性測量裝置（IMU）、慣性導(dǎo)航與定位、機(jī)器控制與引導(dǎo)、動(dòng)態(tài)傾角、機(jī)器人控制與無人機(jī)。

Murata也提供陀螺／加速度組合傳感器評(píng)估板SCH16T-K01-PCB與SCH16T-K10-PCB，上面有預(yù)裝在PCB上的SCH16T系列傳感器，帶有無源器件，PCB提供來自引腳的SPI通信。

壓電薄膜傳感器協(xié)助機(jī)器人感知觸摸、壓力和振動(dòng)

壓電薄膜傳感器因其輕量化、靈敏度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)，在智能機(jī)器人中具有寬廣的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。像是在觸覺感知應(yīng)用中，壓電薄膜傳感器可用作柔性觸覺傳感器，安裝在機(jī)器人表面，感知外界的觸摸、壓力和振動(dòng)，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知，也可通過準(zhǔn)確感知接觸力，支持機(jī)器人在抓取和操作物體時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的力控制。

壓電薄膜傳感器還可用于振動(dòng)監(jiān)測與故障檢測，可監(jiān)測機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的振動(dòng)，檢測早期故障或異常，以實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，并通過檢測外部環(huán)境中的振動(dòng)特征，提升機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形和動(dòng)態(tài)場景的適應(yīng)性。

纖薄且具備高靈敏度的壓電薄膜傳感器

Murata也利用專有的壓電技術(shù)推出了壓電薄膜傳感器――Picoleaf，這是一款柔性薄型傳感器，可以高靈敏度檢測彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓力和振動(dòng)，可節(jié)省安裝空間，與以往的傳感器相比，在薄型、組裝性能及耐久性等方面實(shí)現(xiàn)了改良。

此外，Picoleaf 使用的壓電薄膜原料，是將從植物中提取的淀粉進(jìn)行發(fā)酵制作成乳酸，并使其結(jié)合而成的聚乳酸。植物吸收大氣中的二氧化碳合成淀粉，因此不會(huì)增加導(dǎo)致地球變暖的二氧化碳總量，是一種有助于實(shí)現(xiàn)碳中和的原料。

Picoleaf 壓電薄膜傳感器的主要特點(diǎn)包括可以改變輸出信號(hào)的放大系數(shù)、更改On/Off判斷閾值、設(shè)定濾波器等，并可控制和監(jiān)控多達(dá)4個(gè)通道的信號(hào)，GUI可讓您直觀地了解多種設(shè)定和輸出的狀態(tài)，且數(shù)據(jù)可以CSV格式輸出。

Picoleaf壓電薄膜傳感器的厚度小于或等于0.2mm，即使與顯示器或觸摸屏組合使用也能節(jié)省空間，尺寸僅為2.5 × 7.0mm，實(shí)現(xiàn)了微小型尺寸。Picoleaf采用柔性結(jié)構(gòu)，即使在帶有曲面的高設(shè)計(jì)性設(shè)備上也能沿曲面粘貼。此外，還能用于包裹在圓柱體上那樣的特別形狀，也可在用水場所（衛(wèi)生間、廚房等）用于與用戶交互，即使在用水場所或水下也可檢測壓力，甚至可用于洗衣機(jī)等使用水的設(shè)備，也可在金屬外殼上使用，可在金屬外殼上創(chuàng)建無縫按鈕。

Picoleaf 壓電薄膜傳感器具備高靈敏度，可以檢測1μm量級(jí)的微小位移，單個(gè)傳感器可以檢測顯示器整個(gè)表面上的壓力。此外，還可用于檢測無意識(shí)的肌肉顫抖、抓握和脈搏等生物信號(hào)。Picoleaf 壓電薄膜傳感器具有非熱釋電性，由于不存在因體溫、日照或半導(dǎo)體等發(fā)熱而引起的漂移，所以可遏制因熱而產(chǎn)生的噪聲。

Picoleaf 壓電薄膜傳感器還具備低功耗特性，傳感器本身功耗為零，驅(qū)動(dòng)放大電路也可以設(shè)計(jì)成低消耗電流（10μA左右），且Picoleaf 采用從植物中萃取的聚乳酸為原料的環(huán)境友好有機(jī)壓電薄膜，在它的制造、廢棄和分解的生命周期中不會(huì)增加大氣中的CO2，有助于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）。此外，它是符合歐洲RoHS指令的無鉛產(chǎn)品。

Picoleaf 壓電薄膜傳感器可用于按壓檢測的應(yīng)用，像是可利用按壓檢測特性作為UI傳感器使用，可將Picoleaf設(shè)置在觸控筆上，用于檢測人手握持的狀態(tài)，其不僅限于接觸，還可通過檢測人手的按壓動(dòng)作預(yù)防誤動(dòng)作。此外，Picoleaf壓電薄膜傳感器也可用于生物信號(hào)檢測的應(yīng)用，可利用壓電薄膜傳感器高靈敏度的特征，作為檢測生物信號(hào)中的脈搏和呼吸的傳感器使用。

Murata也推出備有配備瑞薩電子生產(chǎn)的可編程數(shù)字分析器集成芯片――GreenPAK 的評(píng)估板，可以動(dòng)態(tài)改變輸出信號(hào)放大系數(shù)和On/Off判斷閾值的設(shè)定值。此外，通過分別處理多達(dá)4個(gè)通道的信號(hào)，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)用途或在多個(gè)粘貼場所進(jìn)行的評(píng)估，因此能提升評(píng)估速度和效率。此外，還能通過專門的GUI直觀地更改多種參數(shù)的設(shè)定值，也可以保存和共享?xiàng)l件。

結(jié)語

IMU和壓電薄膜傳感器作為機(jī)器人感知系統(tǒng)的重要組成部分，在實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制與靈活環(huán)境感知方面發(fā)揮了不可或缺的作用。這兩種傳感器將為機(jī)器人在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療輔助、服務(wù)交互等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供強(qiáng)健的技術(shù)支持。Murata所推出的陀螺儀和加速度傳感器與壓電薄膜傳感器，將可協(xié)助推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)邁向更高的智能化和多樣化階段，實(shí)現(xiàn)更廣闊的應(yīng)用發(fā)展。