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

 

xianzai，shuxiangcunzaichuanganqijishuzhengbeijichengdaodangjindejiqirenzhong，tamendeshujuhuironghezaiyiqi
，yongyuweijiqirentigongkongjianshijiaoganzhiyijiwutijiancehebirang。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

 

tongyang
，chaoshengbochuanganqiyezhengbeiyongyucunzaigance。yuyongyuqichedaocheshideanquanbaojingxitongchuanganqixiangtong，jiqirenzhongdechaoshengbochuanganqiyongyujiancefujindezhangaiwu，yifangzhuangdaoqiangbi、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

 

手shou勢shi傳chuan感gan器qi也ye越yue來lai越yue多duo地di集ji成cheng到dao當dang今jin一yi些xie最zui複fu雜za的de機ji器qi人ren中zhong，用yong來lai輔fu助zhu提ti供gong用yong戶hu界jie麵mian命ming令ling。手shou勢shi傳chuan感gan器qi技ji術shu包bao括kuo光guang學xue傳chuan感gan器qi和he機ji器qi人ren操cao作zuo員yuan佩pei戴dai的de臂bi帶dai式shi控kong製zhi傳chuan感gan器qi。 

 

利li用yong光guang電dian手shou勢shi傳chuan感gan器qi，可ke以yi訓xun練lian機ji器qi人ren識shi別bie特te定ding的de手shou部bu動dong作zuo

，並bing按an照zhao特te定ding的de手shou勢shi或huo手shou部bu動dong作zuo來lai執zhi行xing某mou些xie任ren務wu。這zhe些xie手shou勢shi傳chuan感gan器qi為wei家jia中zhong或huo醫yi院yuan裏li的de殘can疾ji人ren和he溝gou通tong障zhang礙ai人ren士shi
，以yi及ji智zhi能neng工gong廠chang提ti供gong了le很hen多duo便bian利li。 

 

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

 

力li矩ju傳chuan感gan器qi也ye越yue來lai越yue多duo地di用yong於yu下xia一yi代dai機ji器qi人ren中zhong。力li矩ju傳chuan感gan器qi不bu僅jin用yong於yu機ji器qi人ren的de末mo端duan執zhi行xing器qi和he夾jia持chi器qi，而er且qie還hai用yong於yu機ji器qi人ren的de其qi他ta部bu位wei
，例li如ru軀qu幹gan

、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、jiancezhangaiwubingweijiqirendezhongyangchuliqitigonganquanbaojing。liru，dangjiqirenshoubizhongdelijuchuanganqijiancedaoyouyushoubizhuangjidaowutieryinqidetufaheyiwaidelishi
，qikongzhianquanruanjiankeyishishoubitingzhiyundongbingsuohuiqiweizhi。 

 

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、yalichuanganqi

，shenzhikejianceguangzhaocunzaidechuanganqi。zhexiechuanganqibujinnengbangzhuquebaojiqirenyizhianquanyouxiaodigongzuo，hainengrangjiqirenzhoubianderenmenchajiaodaobuanquandehuanjingtiaojian。

 

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。

 

作者簡介

 

Mark Donovan 是艾邁斯半導體位置傳感器業務線的高級產品營銷經理。Donovan 先生在磁性傳感、電信和雷達信號處理方麵擁有 30 多年的行業經驗，他在磁性位置傳感
、雷達信號處理和電信通信領域擁有 8 項專利。Donovan 先生畢業於馬薩諸塞大學洛厄爾分校
，擁有電氣工程理學學士學位，同時他還擁有南新罕布什爾大學的工商管理碩士學位。 

 

 

推薦閱讀：