摘要：人形機(jī)器人作為集成了機(jī)械制造、控制技術(shù)與人工智能等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)控制的精確性與可靠性是 衡量其性能的核心指標(biāo)。本文介紹了ADI的ADMT4000磁性位置傳感器，并闡述其如何通過(guò)無(wú)源多圈檢測(cè)技術(shù)， 為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供一個(gè)高集成度、高可靠性的解決方案。

人形機(jī)器人作為集成了機(jī)械制造、控制技術(shù)與人工智能等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)控制的精確性與可靠性是衡量其性能的核心指標(biāo)。其中，關(guān)節(jié)的絕對(duì)位置感知，特別是在意外斷電重啟后的位置信息恢復(fù)能力，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文介紹了ADI的ADMT4000磁性位置傳感器，并闡述其如何通過(guò)無(wú)源多圈檢測(cè)技術(shù)，為人形機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供一個(gè)高集成度、高可靠性的解決方案。
1 多圈位置記憶挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)方案的技術(shù)瓶頸
當(dāng)今市場(chǎng)上角度傳感器種類(lèi)較多，有磁式、光學(xué)式、電感式、旋變器式等傳感器?；魻杺鞲衅骰诖判?yīng)、XMR系列傳感器有AMR、GMR和TMR傳感器，他們通常對(duì)磁場(chǎng)方向的變化很敏感。但遺憾的是，所有這些傳感器的絕對(duì)測(cè)量范圍都只有單圈，即360度，AMR傳感器是個(gè)例外，它的信號(hào)以180度為周期進(jìn)行重復(fù)，絕對(duì)測(cè)量范圍是半圈，即180度。
若想要進(jìn)行超過(guò)一圈的絕對(duì)測(cè)量，非接觸式是當(dāng)前可行的實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)斷電后位置記憶的多圈檢測(cè)主要依賴(lài)圖1中的幾種方案，但它們各自存在著固有的局限性。
（1）機(jī)械式方案
該方案通常采用“齒輪組+單圈絕對(duì)值編碼器”的結(jié)構(gòu)，通過(guò)精密齒輪的傳動(dòng)比來(lái)?yè)Q算圈數(shù)，其主要缺陷在于齒輪機(jī)構(gòu)存在機(jī)械磨損與背隙，長(zhǎng)期運(yùn)行后會(huì)影響傳動(dòng)精度；多級(jí)齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積和重量較大，與人形機(jī)器人關(guān)節(jié)追求輕量化、緊湊化的設(shè)計(jì)目標(biāo)相悖。
（2）帶備用電源的電子方案
此方案通過(guò)為單圈傳感器和存儲(chǔ)器（如FRAM）配備備用電池，以在主電源中斷時(shí)維持位置數(shù)據(jù)的記錄。該方案的主要問(wèn)題在于引入了電池管理，包括電池的生命周期、定期維護(hù)與更換，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和長(zhǎng)期擁有成本，并降低了整體可靠性。
（3）基于韋根（Wiegand）效應(yīng)的方案
韋根傳感器利用導(dǎo)線(xiàn)的自發(fā)電效應(yīng)，可在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生能量脈沖以驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。盡管此方案無(wú)需電池，但在某些工況下，尤其是在圈數(shù)累積較多或轉(zhuǎn)速變化劇烈時(shí)，存在發(fā)生圈數(shù)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)（即“丟圈”現(xiàn)象） ，這對(duì)于要求高可靠性的機(jī)器人應(yīng)用是不可接受的。
2 創(chuàng)新型多圈傳感器ADMT4000技術(shù)解析
ADMT4000是ADI公司率先發(fā)布的單芯片多圈位置傳感器（圖2），旨在從根本上克服上述傳統(tǒng)方案的不足。其絕對(duì)測(cè)量范圍為46圈，整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到±0.25度的精度，

借助于這種新的多圈技術(shù)，省去了與單圈傳感器結(jié)合使用的備用電池或機(jī)械齒輪，也可以免去線(xiàn)性執(zhí)行器中的線(xiàn)性傳感器。此外，對(duì)于未采用傳統(tǒng)笨重機(jī)械多圈編碼器的系統(tǒng)，這種傳感器無(wú)需在上電時(shí)重新歸位或重新校準(zhǔn)，能夠在完全無(wú)源（無(wú)供電）的狀態(tài)下，精確記錄多圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
ADMT4000的技術(shù)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是磁疇壁在磁性納米導(dǎo)線(xiàn)中的可控傳播。在磁性材料中，磁疇是原子磁矩取向一致的區(qū)域，而磁疇壁是相鄰磁疇之間的過(guò)渡層。該傳感器利用外部永磁體（固定于機(jī)器人關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)部分）產(chǎn)生的磁場(chǎng)，來(lái)驅(qū)動(dòng)內(nèi)部磁性導(dǎo)線(xiàn)中的磁疇壁發(fā)生位移。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被直接、無(wú)損地轉(zhuǎn)換為磁疇壁在一維線(xiàn)性路徑上的位移。
為了讀取磁疇壁的位置，ADMT4000沿磁性導(dǎo)線(xiàn)集成了四個(gè)巨磁阻（GMR）檢測(cè)點(diǎn)。 GMR效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)，其電阻值會(huì)隨局部磁場(chǎng)方向的變化而發(fā)生顯著改變。當(dāng)磁疇壁掃過(guò)這些GMR檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)引起它們各自電阻值的變化。通過(guò)精確測(cè)量這四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的電阻值，可以得到一個(gè)與磁疇壁位置唯一對(duì)應(yīng)的阻抗特征。系統(tǒng)控制器通過(guò)讀取這組電阻值，即可精確計(jì)算出磁疇壁的當(dāng)前位置，從而反演出關(guān)節(jié)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)角度和累計(jì)圈數(shù)。
關(guān)鍵在于，磁疇壁的位置是一種穩(wěn)定的物理狀態(tài)，其維持無(wú)需任何外部能量供給。這意味著，即使在系統(tǒng)斷電期間關(guān)節(jié)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，該位置信息也被物理性地保留在芯片內(nèi)部。當(dāng)系統(tǒng)重新上電時(shí)，只需進(jìn)行一次電阻讀取，即可立即獲知當(dāng)前精確的絕對(duì)位置。
使用此款傳感器需要在16~31mT的磁場(chǎng)窗口內(nèi)操作，若沒(méi)有足夠的磁能，或磁場(chǎng)強(qiáng)度低于16mT，則會(huì)面臨磁能不足的風(fēng)險(xiǎn)，無(wú)法將磁疇移出疇壁發(fā)生器并穿過(guò)螺旋。如果磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) 31mT，尤其是顯著超過(guò)31mT的話(huà)，則會(huì)有額外磁疇加入螺旋中以致產(chǎn)生錯(cuò)誤計(jì)數(shù)信息的風(fēng)險(xiǎn)，或者非常強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致螺旋完全復(fù)位。
此外，作為一款磁性傳感器，ADMT4000在應(yīng)用中需考慮對(duì)外部雜散磁場(chǎng)的抗干擾能力。在人形機(jī)器人這類(lèi)電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用中，建議采用磁屏蔽措施。ADI提供相應(yīng)的屏蔽方案參考設(shè)計(jì)，通過(guò)在芯片周?chē)騊CB板上設(shè)計(jì)屏蔽層，可以有效抑制外部磁場(chǎng)干擾，確保傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 從機(jī)器人到工業(yè)與汽車(chē)，ADMT4000開(kāi)啟新應(yīng)用大門(mén)
除了在人形機(jī)器人關(guān)節(jié)中的核心應(yīng)用，ADMT4000憑借其無(wú)源、多圈、高可靠性的特點(diǎn)，在其他多個(gè)領(lǐng)域也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力（圖3）。

在廣義的工業(yè)自動(dòng)化中，ADMT4000可用于各類(lèi)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器和線(xiàn)性執(zhí)行器中。例如，在多軸協(xié)作機(jī)器人的關(guān)節(jié)、數(shù)控機(jī)床的XY工作平臺(tái)中，斷電后位置的即時(shí)恢復(fù)能力可以省去繁瑣的回零操作，提高生產(chǎn)效率。此外，在物料搬運(yùn)設(shè)備如起重機(jī)、吊車(chē)、升降機(jī)中，ADMT4000可用于拉線(xiàn)式編碼器，精確測(cè)量鋼纜或拉線(xiàn)的伸縮長(zhǎng)度，其多圈檢測(cè)能力完美匹配這類(lèi)長(zhǎng)行程應(yīng)用的需求。
在汽車(chē)行業(yè)，ADMT4000同樣適用于多個(gè)對(duì)安全性和可靠性要求極高的場(chǎng)景。例如汽車(chē)安全帶卷收器需要精確記錄安全帶拉出的圈數(shù)，以確定其伸出長(zhǎng)度。該數(shù)據(jù)對(duì)于安全氣囊控制器實(shí)現(xiàn)預(yù)緊和限力等高級(jí)保護(hù)功能至關(guān)重要，ADMT4000的多圈無(wú)源檢測(cè)特性可為此提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
在沒(méi)有機(jī)械連接的線(xiàn)控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，方向盤(pán)的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)位置是控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向的核心輸入信號(hào)。ADMT4000能夠提供高精度的方向盤(pán)絕對(duì)位置，且其無(wú)源特性確保了在車(chē)輛啟動(dòng)瞬間即可獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向意圖，是實(shí)現(xiàn)此類(lèi)安全關(guān)鍵功能的理想選擇等。