IMU与压电薄膜传感器在机器人领域的应用

IMU与压电薄膜传感器在机器人领域的应用

随着机器人技术的迅速发展，感知能力成为推动机器人智能化和多功能化的核心要素。在众多传感器中，惯性测量单元（IMU）和压电薄膜传感器因其特别的性能和多样的应用场景，逐渐成为机器人领域的关键技术。IMU以其对姿态、运动和方向的准确测量能力，大量应用于导航、控制和运动规划；而压电薄膜传感器凭借高灵敏度、柔性和多功能特性，在触觉感知、振动监测等领域表现出色。本文将探讨IMU与压电薄膜传感器在机器人领域中的典型应用及未来发展方向，以及Murata（村田制作所）所推出的相关解决方案。

陀螺仪和加速度传感器为机器人提供运动感知能力

陀螺仪和加速度传感器在智能机器人中的应用与发展具有重要意义，它们为机器人提供了准确的姿态控制、导航和运动感知能力。在姿态控制与稳定性方面，陀螺仪可用于测量机器人在三维空间中的角速度，帮助机器人维持平衡，尤其在双足机器人和无人机中尤为关键。加速度传感器则可用于监测机器人运动时的线性加速度变化，与陀螺仪结合形成惯性测量单元（IMU），实现准确的姿态估计。

此外，在无GPS环境中，陀螺仪和加速度传感器通过惯性导航算法，可提供位置信息，支持机器人在室内或复杂地形中的自主移动，结合视觉传感器（如SLAM技术），可提升导航精度。在碰撞检测与避障方面，加速度传感器用于监测机器人在运动中的异常加速度变化，迅速响应并采取避障或停止动作。

在服务机器人和娱乐机器人应用中，这些传感器可以捕捉机器人手臂或身体的运动，用于模拟人类行为或与用户互动，并利用传感器数据来评估地面倾斜度、振动情况和外部环境动态变化，可提高机器人对环境的适应能力。

很高精度的6轴MEMS惯性传感器

随着工业设备的高功能化，配备的电子组件数量也在不断增加，因此，传感器封装需要实现小型化。此外，由于工业设备的自动化程度不断提高，准确获取动态姿态角和自身位置的需求也在不断增加。其中的传感器各轴（X轴、Y轴和Z轴）的正交性，是更准确地估算动态姿态角的一个重要因素，迄今为止，为了确保正交性，用户需要通过其他设备外部校准。

为此，Murata开发了高精度的6轴MEMS惯性传感器，噪声低而且输出稳定。陀螺仪传感器和加速度传感器的每个轴都能输出经过正交补正后的值，能简化用户的校准过程，有助于降低生产成本。此外，紧凑的设计可以帮助节省PCB空间。

Murata推出的SCH16T传感器系列，可通过冗余设计选项和内置可调双输出通道，为客户提供更大的灵活性。SCH16T传感器系列可支持±2000°/s（SCH16T-K10）或±300°/s（SCH16T-K01）的角速率测量范围，与±16g（SCH16T-K10）或±8g（SCH16T-K01）的加速度测量范围，具备动态范围达到±26g的冗余数字加速度计通道，陀螺仪偏置不稳定性低到0.3°/h（SCH16T-K01）或4°/h（SCH16T-K10），噪声密度水平低到0.4m°/s/√Hz（SCH16T-K01）或6m°/s/√Hz（SCH16T-K10），支持输出插值和抽取选项，可用于时钟域同步的数据就绪输出、时间戳索引和SYNC输入功能。

SCH16T传感器系列可在−40至110℃的温度范围内工作，采用3.0至3.6V的电源电压，1.7至3.6V的I/O电源，支持SafeSPI v2.0接口，可通过SPI帧选择20位和16位的输出数据，具备丰富的自诊断功能，其尺寸为12mm × 14mm × 3mm（长×宽×高），采用SOIC-24倒置外壳，PCB上的占位面积小于170mm²，采用经过验证的电容式3D-MEMS技术，以及符合RoHS标准的牢固SOIC塑料封装，适合无铅焊接工艺和SMD安装。

SCH16T传感器是具有这种性能和功能水平的少数单封装6DoF器件之一，该传感器在整个温度和测量范围内具有出众的线性度和偏移稳定性，即使在恶劣的环境下也能实现厘米级的机器动力特性和位置传感精度。

SCH16T可应用于在严格环境条件下追求高性能表现的应用领域，像是惯性测量装置（IMU）、惯性导航与定位、机器控制与引导、动态倾角、机器人控制与无人机。

Murata也提供陀螺／加速度组合传感器评估板SCH16T-K01-PCB与SCH16T-K10-PCB，上面有预装在PCB上的SCH16T系列传感器，带有无源器件，PCB提供来自引脚的SPI通信。

压电薄膜传感器协助机器人感知触摸、压力和振动

压电薄膜传感器因其轻量化、灵敏度高、响应快等特点，在智能机器人中具有宽广的应用前景和发展潜力。像是在触觉感知应用中，压电薄膜传感器可用作柔性触觉传感器，安装在机器人表面，感知外界的触摸、压力和振动，帮助机器人实现对外界环境的感知，也可通过准确感知接触力，支持机器人在抓取和操作物体时实现准确的力控制。

压电薄膜传感器还可用于振动监测与故障检测，可监测机器人运动部件的振动，检测早期故障或异常，以实现预防性维护，并通过检测外部环境中的振动特征，提升机器人对复杂地形和动态场景的适应性。

纤薄且具备高灵敏度的压电薄膜传感器

Murata也利用专有的压电技术推出了压电薄膜传感器――Picoleaf，这是一款柔性薄型传感器，可以高灵敏度检测弯曲、扭转、压力和振动，可节省安装空间，与以往的传感器相比，在薄型、组装性能及耐久性等方面实现了改良。

此外，Picoleaf 使用的压电薄膜原料，是将从植物中提取的淀粉进行发酵制作成乳酸，并使其结合而成的聚乳酸。植物吸收大气中的二氧化碳合成淀粉，因此不会增加导致地球变暖的二氧化碳总量，是一种有助于实现碳中和的原料。

Picoleaf 压电薄膜传感器的主要特点包括可以改变输出信号的放大系数、更改On/Off判断阈值、设定滤波器等，并可控制和监控多达4个通道的信号，GUI可让您直观地了解多种设定和输出的状态，且数据可以CSV格式输出。

Picoleaf压电薄膜传感器的厚度小于或等于0.2mm，即使与显示器或触摸屏组合使用也能节省空间，尺寸仅为2.5 × 7.0mm，实现了微小型尺寸。Picoleaf采用柔性结构，即使在带有曲面的高设计性设备上也能沿曲面粘贴。此外，还能用于包裹在圆柱体上那样的特别形状，也可在用水场所（卫生间、厨房等）用于与用户交互，即使在用水场所或水下也可检测压力，甚至可用于洗衣机等使用水的设备，也可在金属外壳上使用，可在金属外壳上创建无缝按钮。

Picoleaf 压电薄膜传感器具备高灵敏度，可以检测1µm量级的微小位移，单个传感器可以检测显示器整个表面上的压力。此外，还可用于检测无意识的肌肉颤抖、抓握和脉搏等生物信号。Picoleaf 压电薄膜传感器具有非热释电性，由于不存在因体温、日照或半导体等发热而引起的漂移，所以可遏制因热而产生的噪声。

Picoleaf 压电薄膜传感器还具备低功耗特性，传感器本身功耗为零，驱动放大电路也可以设计成低消耗电流（10µA左右），且Picoleaf 采用从植物中萃取的聚乳酸为原料的环境友好有机压电薄膜，在它的制造、废弃和分解的生命周期中不会增加大气中的CO2，有助于实现可持续发展目标（SDGs）。此外，它是符合欧洲RoHS指令的无铅产品。

Picoleaf 压电薄膜传感器可用于按压检测的应用，像是可利用按压检测特性作为UI传感器使用，可将Picoleaf设置在触控笔上，用于检测人手握持的状态，其不仅限于接触，还可通过检测人手的按压动作预防误动作。此外，Picoleaf压电薄膜传感器也可用于生物信号检测的应用，可利用压电薄膜传感器高灵敏度的特征，作为检测生物信号中的脉搏和呼吸的传感器使用。

Murata也推出备有配备瑞萨电子生产的可编程数字分析器集成芯片――GreenPAK 的评估板，可以动态改变输出信号放大系数和On/Off判断阈值的设定值。此外，通过分别处理多达4个通道的信号，可以同时进行多个用途或在多个粘贴场所进行的评估，因此能提升评估速度和效率。此外，还能通过专门的GUI直观地更改多种参数的设定值，也可以保存和共享条件。

结语

IMU和压电薄膜传感器作为机器人感知系统的重要组成部分，在实现智能机器人准确运动控制与灵活环境感知方面发挥了不可或缺的作用。这两种传感器将为机器人在工业自动化、医疗辅助、服务交互等领域的创新应用提供强健的技术支持。Murata所推出的陀螺仪和加速度传感器与压电薄膜传感器，将可协助推动机器人技术迈向更高的智能化和多样化阶段，实现更广阔的应用发展。