IMU與壓電薄膜傳感器在機器人領域的應用

隨著機器人技術的迅速發展，感知能力成為推動機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用場景，逐漸成為機器人領域的關鍵技術。IMU以其對姿態、運動和方向的準確測量能力，大量應用于導航、控制和運動規劃；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、振動監測等領域表現出色。本文將探討IMU與壓電薄膜傳感器在機器人領域中的典型應用及未來發展方向，以及Murata（村田制作所）所推出的相關解決方案。

陀螺儀和加速度傳感器為機器人提供運動感知能力

陀螺儀和加速度傳感器在智能機器人中的應用與發展具有重要意義，它們為機器人提供了準確的姿態控制、導航和運動感知能力。在姿態控制與穩定性方面，陀螺儀可用于測量機器人在三維空間中的角速度，幫助機器人維持平衡，尤其在雙足機器人和無人機中尤為關鍵。加速度傳感器則可用于監測機器人運動時的線性加速度變化，與陀螺儀結合形成慣性測量單元（IMU），實現準確的姿態估計。

此外，在無GPS環境中，陀螺儀和加速度傳感器通過慣性導航算法，可提供位置信息，支持機器人在室內或復雜地形中的自主移動，結合視覺傳感器（如SLAM技術），可提升導航精度。在碰撞檢測與避障方面，加速度傳感器用于監測機器人在運動中的異常加速度變化，迅速響應并采取避障或停止動作。

在服務機器人和娛樂機器人應用中，這些傳感器可以捕捉機器人手臂或身體的運動，用于模擬人類行為或與用戶互動，并利用傳感器數據來評估地面傾斜度、振動情況和外部環境動態變化，可提高機器人對環境的適應能力。

很高精度的6軸MEMS慣性傳感器

隨著工業設備的高功能化，配備的電子組件數量也在不斷增加，因此，傳感器封裝需要實現小型化。此外，由于工業設備的自動化程度不斷提高，準確獲取動態姿態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，是更準確地估算動態姿態角的一個重要因素，迄今為止，為了確保正交性，用戶需要通過其他設備外部校準。

為此，Murata開發了高精度的6軸MEMS慣性傳感器，噪聲低而且輸出穩定。陀螺儀傳感器和加速度傳感器的每個軸都能輸出經過正交補正后的值，能簡化用戶的校準過程，有助于降低生產成本。此外，緊湊的設計可以幫助節省PCB空間。

Murata推出的SCH16T傳感器系列，可通過冗余設計選項和內置可調雙輸出通道，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，具備動態范圍達到±26g的冗余數字加速度計通道，陀螺儀偏置不穩定性低到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，可用于時鐘域同步的數據就緒輸出、時間戳索引和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位的輸出數據，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，采用經過驗證的電容式3D-MEMS技術，以及符合RoHS標準的牢固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單封裝6DoF器件之一，該傳感器在整個溫度和測量范圍內具有出眾的線性度和偏移穩定性，即使在惡劣的環境下也能實現厘米級的機器動力特性和位置傳感精度。

SCH16T可應用于在嚴格環境條件下追求高性能表現的應用領域，像是慣性測量裝置（IMU）、慣性導航與定位、機器控制與引導、動態傾角、機器人控制與無人機。

Murata也提供陀螺／加速度組合傳感器評估板SCH16T-K01-PCB與SCH16T-K10-PCB，上面有預裝在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。

壓電薄膜傳感器協助機器人感知觸摸、壓力和振動

壓電薄膜傳感器因其輕量化、靈敏度高、響應快等特點，在智能機器人中具有寬廣的應用前景和發展潛力。像是在觸覺感知應用中，壓電薄膜傳感器可用作柔性觸覺傳感器，安裝在機器人表面，感知外界的觸摸、壓力和振動，幫助機器人實現對外界環境的感知，也可通過準確感知接觸力，支持機器人在抓取和操作物體時實現準確的力控制。

壓電薄膜傳感器還可用于振動監測與故障檢測，可監測機器人運動部件的振動，檢測早期故障或異常，以實現預防性維護，并通過檢測外部環境中的振動特征，提升機器人對復雜地形和動態場景的適應性。

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、壓力和振動，可節省安裝空間，與以往的傳感器相比，在薄型、組裝性能及耐久性等方面實現了改良。

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

Picoleaf 壓電薄膜傳感器的主要特點包括可以改變輸出信號的放大系數、更改On/Off判斷閾值、設定濾波器等，并可控制和監控多達4個通道的信號，GUI可讓您直觀地了解多種設定和輸出的狀態，且數據可以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省空間，尺寸僅為2.5 × 7.0mm，實現了微小型尺寸。Picoleaf采用柔性結構，即使在帶有曲面的高設計性設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，甚至可用于洗衣機等使用水的設備，也可在金屬外殼上使用，可在金屬外殼上創建無縫按鈕。

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

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，驅動放大電路也可以設計成低消耗電流（10μA左右），且Picoleaf 采用從植物中萃取的聚乳酸為原料的環境友好有機壓電薄膜，在它的制造、廢棄和分解的生命周期中不會增加大氣中的CO2，有助于實現可持續發展目標（SDGs）。此外，它是符合歐洲RoHS指令的無鉛產品。

Picoleaf 壓電薄膜傳感器可用于按壓檢測的應用，像是可利用按壓檢測特性作為UI傳感器使用，可將Picoleaf設置在觸控筆上，用于檢測人手握持的狀態，其不僅限于接觸，還可通過檢測人手的按壓動作預防誤動作。此外，Picoleaf壓電薄膜傳感器也可用于生物信號檢測的應用，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的可編程數字分析器集成芯片――GreenPAK 的評估板，可以動態改變輸出信號放大系數和On/Off判斷閾值的設定值。此外，通過分別處理多達4個通道的信號，可以同時進行多個用途或在多個粘貼場所進行的評估，因此能提升評估速度和效率。此外，還能通過專門的GUI直觀地更改多種參數的設定值，也可以保存和共享條件。

結語

IMU和壓電薄膜傳感器作為機器人感知系統的重要組成部分，在實現智能機器人準確運動控制與靈活環境感知方面發揮了不可或缺的作用。這兩種傳感器將為機器人在工業自動化、醫療輔助、服務交互等領域的創新應用提供強健的技術支持。Murata所推出的陀螺儀和加速度傳感器與壓電薄膜傳感器，將可協助推動機器人技術邁向更高的智能化和多樣化階段，實現更廣闊的應用發展。