磁性位置傳感器——機器人革命中的幕後英雄

 

在當今消費、專業服務

、社交，甚至是工業機器人中最為普遍的傳感器技術之一是磁性角度位置傳感器集成電路 (IC)。參見圖1.0。當前，消費
、專業服務或社交機器人的每個關節幾乎都用到兩個或更多的磁性角度位置傳感器IC。每個運動軸或關節旋轉需要使用至少一個磁性角度位置傳感器。當今的許多機器人都采用小而強大的無刷直流電機 (BLDC) 來移動機器人的關節和四肢。為了正確驅動電機
，需要知道電機的當前位置。

 

圖1.0——采用圓盤形磁體的磁性位置傳感器

 

磁性角度位置傳感器 IC 越來越廣泛地用來為移動關節的電機控製器提供電機換向反饋。參見圖 2.0。此(ci)外(wai)，機(ji)器(qi)人(ren)關(guan)節(jie)的(de)閉(bi)環(huan)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)也(ye)需(xu)要(yao)關(guan)節(jie)齒(chi)輪(lun)的(de)角(jiao)度(du)位(wei)置(zhi)反(fan)饋(kui)。因(yin)此(ci)在(zai)機(ji)器(qi)人(ren)關(guan)節(jie)的(de)每(mei)個(ge)運(yun)動(dong)軸(zhou)上(shang)需(xu)要(yao)兩(liang)個(ge)磁(ci)性(xing)角(jiao)度(du)位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。例(li)如(ru)
，當(dang)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)腳(jiao)踝(huai)需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)進(jin)行(xing)前(qian)後(hou)和(he)轉(zhuan)動(dong)兩(liang)個(ge)軸(zhou)方(fang)向(xiang)的(de)運(yun)動(dong)時(shi)，總(zong)共(gong)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)四(si)個(ge)磁(ci)性(xing)位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。由(you)於(yu)每(mei)個(ge)關(guan)節(jie)的(de)這(zhe)種(zhong)成(cheng)倍(bei)需(xu)求(qiu)，以(yi)及(ji)大(da)多(duo)數(shu)機(ji)器(qi)人(ren)中(zhong)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)關(guan)節(jie)數(shu)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)，磁(ci)性(xing)角(jiao)度(du)位(wei)置(zhi)傳(chuan)感(gan)器(qi)為(wei)何(he)如(ru)此(ci)大(da)量(liang)地(di)用(yong)於(yu)當(dang)今(jin)最(zui)新(xin)推(tui)出(chu)的(de)機(ji)器(qi)人(ren)中(zhong)就(jiu)顯(xian)而(er)易(yi)見(jian)了(le)。

 

圖2.0——帶有磁性位置傳感器的機器人手臂

 

但是為什麼選擇磁性角度位置傳感器IC？

 

於之前用於機器人關節中的競爭性的位置傳感器技術相比，當今最新的磁性角度位置傳感器（如艾邁斯半導體的AS5047P和AS5600L）具備多項優勢。新型磁性位置傳感器IC提供高分辨率和重複精度。此外
，由於製造采用了CMOS矽技術
，與競爭性位置傳感器技術（如光電編碼器和旋轉變壓器）相比，它們所需的功率
、重量和體積都非常小。此外，磁性位置傳感器IC可以在非常惡劣的環境中工作，包括極端溫度和肮髒多塵的環境。有些磁性位置傳感器（如艾邁斯半導體的全係列磁性位置傳感器 IC）甚至可以免受機器人工作環境中常見的雜散場幹擾。最後
，與低成本社交/玩wan具ju機ji器qi人ren的de傳chuan統tong伺si服fu電dian機ji組zu件jian中zhong常chang見jian的de電dian阻zu電dian位wei計ji不bu同tong的de是shi磁ci性xing位wei置zhi傳chuan感gan器qi是shi非fei接jie觸chu式shi的de，沒mei有you運yun動dong的de機ji械xie部bu件jian
，所suo以yi不bu會hui磨mo損sun。正zheng是shi由you於yu所suo有you這zhe些xie內nei在zai優you勢shi
，磁ci性xing角jiao度du位wei置zhi傳chuan感gan器qi在zai當dang今jin的de消xiao費fei、專業服務和社交機器人
，現在甚至在工業機器人中都被廣泛采用。

 

存在傳感器

 

現xian在zai，數shu項xiang存cun在zai傳chuan感gan器qi技ji術shu正zheng被bei集ji成cheng到dao當dang今jin的de機ji器qi人ren中zhong
，它ta們men的de數shu據ju會hui融rong合he在zai一yi起qi，用yong於yu為wei機ji器qi人ren提ti供gong空kong間jian視shi覺jiao感gan知zhi以yi及ji物wu體ti檢jian測ce和he避bi讓rang。2D和3D視覺立體攝像頭在當今的新型消費和專業服務機器人中都很常見。然而
，新型的先進傳感器技術

，如包括基於飛行時間的光檢測和測距 (LIDAR) 傳感器，也越來越多地部署到機器人當中。LIDAR為機器人提供其工作空間及周圍環境的高分辨率3D測繪，以便它可以更好地執行任務並四處移動。參見圖3.0。

 

圖3.0——LIDAR 測繪

 

同tong樣yang，超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi也ye正zheng被bei用yong於yu存cun在zai感gan測ce。與yu用yong於yu汽qi車che倒dao車che時shi的de安an全quan報bao警jing係xi統tong傳chuan感gan器qi相xiang同tong，機ji器qi人ren中zhong的de超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi用yong於yu檢jian測ce附fu近jin的de障zhang礙ai物wu，以yi防fang撞zhuang到dao牆qiang壁bi
、物體、其(qi)他(ta)機(ji)器(qi)人(ren)和(he)人(ren)。另(ling)外(wai)，它(ta)們(men)可(ke)以(yi)在(zai)機(ji)器(qi)人(ren)執(zhi)行(xing)主(zhu)要(yao)功(gong)能(neng)任(ren)務(wu)時(shi)發(fa)揮(hui)作(zuo)用(yong)。因(yin)此(ci)，超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)近(jin)場(chang)導(dao)航(hang)和(he)避(bi)障(zhang)中(zhong)起(qi)著(zhe)重(zhong)要(yao)作(zuo)用(yong)，最(zui)終(zhong)提(ti)高(gao)了(le)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)和(he)安(an)全(quan)性(xing)。

 

但是，超聲波傳感器的作用距離有限，大約為一厘米到幾米，而最大角度錐體約為30度(du)。它(ta)們(men)的(de)成(cheng)本(ben)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)，並(bing)在(zai)近(jin)距(ju)離(li)範(fan)圍(wei)內(nei)具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)精(jing)度(du)
，但(dan)隨(sui)著(zhe)距(ju)離(li)和(he)測(ce)量(liang)角(jiao)度(du)的(de)增(zeng)加(jia)，其(qi)精(jing)度(du)會(hui)下(xia)降(jiang)。它(ta)們(men)也(ye)易(yi)受(shou)溫(wen)度(du)和(he)壓(ya)力(li)變(bian)化(hua)的(de)影(ying)響(xiang)，還(hai)會(hui)受(shou)到(dao)使(shi)用(yong)調(tiao)諧(xie)在(zai)相(xiang)同(tong)頻(pin)率(lv)的(de)其(qi)他(ta)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)幹(gan)擾(rao)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，當(dang)與(yu)其(qi)他(ta)存(cun)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)結(jie)合(he)使(shi)用(yong)時(shi)
，它(ta)們(men)還(hai)是(shi)可(ke)以(yi)提(ti)供(gong)實(shi)用(yong)可(ke)靠(kao)的(de)位(wei)置(zhi)信(xin)息(xi)。

 

當所有這些存在傳感器（2D/3D攝像頭
、LIDAR和超聲波）數據融合在一起時，正如我們現在開始在高端消費/專zhuan業ye服fu務wu機ji器qi人ren和he工gong業ye機ji器qi人ren中zhong所suo看kan到dao的de，這zhe些xie機ji器qi人ren能neng夠gou出chu色se地di實shi現xian對dui周zhou圍wei環huan境jing空kong間jian感gan知zhi，移yi動dong並bing執zhi行xing更geng複fu雜za的de任ren務wu，而er且qie不bu會hui令ling自zi己ji

、人或其周圍環境受到損害。

 

用於人機交互的手勢傳感器

 

shoushichuanganqiyeyuelaiyueduodijichengdaodangjinyixiezuifuzadejiqirenzhong
，yonglaifuzhutigongyonghujiemianmingling。shoushichuanganqijishubaokuoguangxuechuanganqihejiqirencaozuoyuanpeidaidebidaishikongzhichuanganqi。

 

liyongguangdianshoushichuanganqi，keyixunlianjiqirenshibietedingdeshoubudongzuo
，binganzhaotedingdeshoushihuoshoubudongzuolaizhixingmouxierenwu。zhexieshoushichuanganqiweijiazhonghuoyiyuanlidecanjirenhegoutongzhangairenshi
，yijizhinenggongchangtigonglehenduobianli。

 

佩戴了臂帶式控製傳感器的操作員可以與協作式工業、醫療或軍事機器人溝通
，並控製機器人，使其按照操作員的手臂運動方式和手勢來執行和/或模仿某些任務。例如，雙臂均佩戴臂帶式傳感器的外科醫生可以控製遠程醫療機器人的雙臂進行手術
，而它也許遠在地球的另一端。

 

力矩傳感器

 

lijuchuanganqiyeyuelaiyueduodiyongyuxiayidaijiqirenzhong。lijuchuanganqibujinyongyujiqirendemoduanzhixingqihejiachiqi，erqiehaiyongyujiqirendeqitabuwei，liruqugan、臂部、腿部和頭部。這些特殊的力矩傳感器用來監測肢體的快速運動、檢jian測ce障zhang礙ai物wu並bing為wei機ji器qi人ren的de中zhong央yang處chu理li器qi提ti供gong安an全quan報bao警jing。例li如ru，當dang機ji器qi人ren手shou臂bi中zhong的de力li矩ju傳chuan感gan器qi檢jian測ce到dao由you於yu手shou臂bi撞zhuang擊ji到dao物wu體ti而er引yin起qi的de突tu發fa和he意yi外wai的de力li時shi
，其qi控kong製zhi安an全quan軟ruan件jian可ke以yi使shi手shou臂bi停ting止zhi運yun動dong並bing縮suo回hui其qi位wei置zhi。

 

力矩傳感器也與存在傳感器以及其他安全監測傳感器（如環境傳感器）共同協作，以提供總體安全區域監測功能。

 

環境傳感器

 

各種環境傳感器也正在進入工業和消費機器人領域。環境傳感器包括檢測與空氣質量有關的 VOC（揮發性有機化合物）傳感器、溫度和濕度傳感器、壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，甚(shen)至(zhi)可(ke)檢(jian)測(ce)光(guang)照(zhao)存(cun)在(zai)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)。這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)僅(jin)能(neng)幫(bang)助(zhu)確(que)保(bao)機(ji)器(qi)人(ren)一(yi)直(zhi)安(an)全(quan)有(you)效(xiao)地(di)工(gong)作(zuo)，還(hai)能(neng)讓(rang)機(ji)器(qi)人(ren)周(zhou)邊(bian)的(de)人(ren)們(men)察(cha)覺(jiao)到(dao)不(bu)安(an)全(quan)的(de)環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)。

 

電源管理傳感器

 

電源管理傳感器也集成到當今的自動化機器人中
，用來幫助延長機器人的工作時間，並確保鋰電池（當今自動化機器人中最常見的電池）充電或耗電時不會過熱。參見圖4.0。電源管理傳感器還用於機器人關節電機的穩壓與功率和熱管理。所有板載機器人器件（如微處理器、傳感器和執行器）都需要低紋波電源和穩壓，以確保它們高效、正確地工作。

 

用於機器人電源管理的最新傳感器解決方案包括用於電池放電和充電的庫侖計算的傳感器

、用於穩壓器的精準可靠的過溫監測傳感器，以及電池管理設備中的電流傳感器。

 

圖4.0電源管理——對自動化機器人至關重要

 

得益於所有這些新型創新的傳感器技術的集成和融合



，當今最新的機器人可以更獨立和安全地運行。此外

，由於計算能力、軟ruan件jian功gong能neng和he人ren工gong智zhi能neng的de大da幅fu提ti高gao
，並bing配pei合he上shang這zhe些xie新xin型xing傳chuan感gan器qi技ji術shu
，下xia一yi代dai機ji器qi人ren可ke以yi更geng輕qing鬆song地di用yong於yu支zhi持chi各ge種zhong各ge樣yang的de應ying用yong。而er且qie，它ta們men可ke以yi比bi原yuan先xian的de機ji器qi人ren更geng精jing準zhun、更快速地執行任務。最後，它們可以在更廣泛的家庭、商業和製造環境中更獨立、更協作和更安全地運行與工作。

 

 

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