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摘要：人形機器人作為集成了機械制造、控制技術與人工智能等多學科的復雜系統，其運動控制的精確性與可靠性是 衡量其性能的核心指標。本文介紹了ADI的ADMT4000磁性位置傳感器，并闡述其如何通過無源多圈檢測技術， 為人形機器人關節設計提供一個高集成度、高可靠性的解決方案。

人形機器人作為集成了機械制造、控制技術與人工智能等多學科的復雜系統，其運動控制的精確性與可靠性是衡量其性能的核心指標。其中，關節的絕對位置感知，特別是在意外斷電重啟后的位置信息恢復能力，是系統設計中一個關鍵的技術挑戰。本文介紹了ADI的ADMT4000磁性位置傳感器，并闡述其如何通過無源多圈檢測技術，為人形機器人關節設計提供一個高集成度、高可靠性的解決方案。
1 多圈位置記憶挑戰，傳統方案的技術瓶頸
當今市場上角度傳感器種類較多，有磁式、光學式、電感式、旋變器式等傳感器?；魻杺鞲衅骰诖判?、XMR系列傳感器有AMR、GMR和TMR傳感器，他們通常對磁場方向的變化很敏感。但遺憾的是，所有這些傳感器的絕對測量范圍都只有單圈，即360度，AMR傳感器是個例外，它的信號以180度為周期進行重復，絕對測量范圍是半圈，即180度。
若想要進行超過一圈的絕對測量，非接觸式是當前可行的實現方法。傳統實現斷電后位置記憶的多圈檢測主要依賴圖1中的幾種方案，但它們各自存在著固有的局限性。
（1）機械式方案
該方案通常采用“齒輪組+單圈絕對值編碼器”的結構，通過精密齒輪的傳動比來換算圈數，其主要缺陷在于齒輪機構存在機械磨損與背隙，長期運行后會影響傳動精度；多級齒輪結構復雜，體積和重量較大，與人形機器人關節追求輕量化、緊湊化的設計目標相悖。
（2）帶備用電源的電子方案
此方案通過為單圈傳感器和存儲器（如FRAM）配備備用電池，以在主電源中斷時維持位置數據的記錄。該方案的主要問題在于引入了電池管理，包括電池的生命周期、定期維護與更換，這增加了系統的復雜性和長期擁有成本，并降低了整體可靠性。
（3）基于韋根（Wiegand）效應的方案
韋根傳感器利用導線的自發電效應，可在旋轉時產生能量脈沖以驅動計數和數據存儲。盡管此方案無需電池，但在某些工況下，尤其是在圈數累積較多或轉速變化劇烈時，存在發生圈數計數錯誤的風險（即“丟圈”現象） ，這對于要求高可靠性的機器人應用是不可接受的。
2 創新型多圈傳感器ADMT4000技術解析
ADMT4000是ADI公司率先發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方案的不足。其絕對測量范圍為46圈，整個測量范圍內達到±0.25度的精度，

借助于這種新的多圈技術，省去了與單圈傳感器結合使用的備用電池或機械齒輪，也可以免去線性執行器中的線性傳感器。此外，對于未采用傳統笨重機械多圈編碼器的系統，這種傳感器無需在上電時重新歸位或重新校準，能夠在完全無源（無供電）的狀態下，精確記錄多圈旋轉運動。
ADMT4000的技術實現基礎是磁疇壁在磁性納米導線中的可控傳播。在磁性材料中，磁疇是原子磁矩取向一致的區域，而磁疇壁是相鄰磁疇之間的過渡層。該傳感器利用外部永磁體（固定于機器人關節的旋轉部分）產生的磁場，來驅動內部磁性導線中的磁疇壁發生位移。因此，關節的旋轉運動被直接、無損地轉換為磁疇壁在一維線性路徑上的位移。
為了讀取磁疇壁的位置，ADMT4000沿磁性導線集成了四個巨磁阻（GMR）檢測點。 GMR效應是一種量子力學效應，其電阻值會隨局部磁場方向的變化而發生顯著改變。當磁疇壁掃過這些GMR檢測點時，會引起它們各自電阻值的變化。通過精確測量這四個檢測點的電阻值，可以得到一個與磁疇壁位置唯一對應的阻抗特征。系統控制器通過讀取這組電阻值，即可精確計算出磁疇壁的當前位置，從而反演出關節的絕對旋轉角度和累計圈數。
關鍵在于，磁疇壁的位置是一種穩定的物理狀態，其維持無需任何外部能量供給。這意味著，即使在系統斷電期間關節發生了運動，該位置信息也被物理性地保留在芯片內部。當系統重新上電時，只需進行一次電阻讀取，即可立即獲知當前精確的絕對位置。
使用此款傳感器需要在16~31mT的磁場窗口內操作，若沒有足夠的磁能，或磁場強度低于16mT，則會面臨磁能不足的風險，無法將磁疇移出疇壁發生器并穿過螺旋。如果磁場強度超過 31mT，尤其是顯著超過31mT的話，則會有額外磁疇加入螺旋中以致產生錯誤計數信息的風險，或者非常強的磁場會導致螺旋完全復位。
此外，作為一款磁性傳感器，ADMT4000在應用中需考慮對外部雜散磁場的抗干擾能力。在人形機器人這類電磁環境復雜的應用中，建議采用磁屏蔽措施。ADI提供相應的屏蔽方案參考設計，通過在芯片周圍或PCB板上設計屏蔽層，可以有效抑制外部磁場干擾，確保傳感器測量的準確性。

3 從機器人到工業與汽車，ADMT4000開啟新應用大門
除了在人形機器人關節中的核心應用，ADMT4000憑借其無源、多圈、高可靠性的特點，在其他多個領域也展現出巨大的應用潛力（圖3）。

在廣義的工業自動化中，ADMT4000可用于各類旋轉執行器和線性執行器中。例如，在多軸協作機器人的關節、數控機床的XY工作平臺中，斷電后位置的即時恢復能力可以省去繁瑣的回零操作，提高生產效率。此外，在物料搬運設備如起重機、吊車、升降機中，ADMT4000可用于拉線式編碼器，精確測量鋼纜或拉線的伸縮長度，其多圈檢測能力完美匹配這類長行程應用的需求。
在汽車行業，ADMT4000同樣適用于多個對安全性和可靠性要求極高的場景。例如汽車安全帶卷收器需要精確記錄安全帶拉出的圈數，以確定其伸出長度。該數據對于安全氣囊控制器實現預緊和限力等高級保護功能至關重要，ADMT4000的多圈無源檢測特性可為此提供可靠的數據支持。
在沒有機械連接的線控轉向系統中，方向盤的絕對旋轉位置是控制車輛轉向的核心輸入信號。ADMT4000能夠提供高精度的方向盤絕對位置，且其無源特性確保了在車輛啟動瞬間即可獲得準確的轉向意圖，是實現此類安全關鍵功能的理想選擇等。