Anwendungen von IMU und piezoelektrischen Foliensensoren im Bereich der Robotik
Mit dem schnellen Fortschritt der Robotertechnologie sind Wahrnehmungsfähigkeiten zu einem Kernelement geworden, das die Intelligenz und Multifunktionalität von Robotern antreibt. Unter den verschiedenen Sensoren haben Inertial Measurement Units (IMUs) und piezoelektrische Filmsensoren aufgrund ihrer einzigartigen Leistung und vielfältigen Anwendungsszenarien allmählich als Schlüsseltechnologien im Robotikbereich an Bedeutung gewonnen. IMUs, bekannt für ihre präzise Messung von Lage, Bewegung und Richtung, werden häufig in Navigation, Steuerung und Bewegungsplanung eingesetzt. Gleichzeitig überzeugen piezoelektrische Filmsensoren, mit ihrer hohen Empfindlichkeit, Flexibilität und multifunktionalen Eigenschaften, in Bereichen wie der taktilen Wahrnehmung und Vibrationsüberwachung. Dieser Artikel untersucht die typischen Anwendungen und zukünftigen Entwicklungsrichtungen von IMUs und piezoelektrischen Filmsensoren im Robotikbereich sowie die von Murata eingeführten Lösungen.
Kreiselinstrumente und Beschleunigungssensoren bieten Bewegungserfassungsfähigkeiten für Roboter
Die Anwendung und Entwicklung von Gyroskopen und Beschleunigungssensoren in intelligenten Robotern ist von großer Bedeutung, da sie den Robotern präzise Fähigkeiten zur Haltungskontrolle, Navigation und Bewegungserfassung bieten. In Bezug auf Haltungskontrolle und Stabilität können Gyroskope die Winkelgeschwindigkeit eines Roboters im dreidimensionalen Raum messen und so das Gleichgewicht aufrechterhalten, was besonders kritisch für zweibeinige Roboter und Drohnen ist. Beschleunigungssensoren hingegen können Veränderungen der linearen Beschleunigung während der Bewegung des Roboters überwachen. In Kombination bilden sie eine Inertiale Messeinheit (IMU) und ermöglichen eine präzise Haltungsschätzung.
Darüber hinaus können in GPS-freien Umgebungen Gyroskope und Beschleunigungsmesser durch Inertialnavigationsalgorithmen Positionsinformationen bereitstellen und die autonome Bewegung in Innenräumen oder komplexen Geländen unterstützen. Wenn sie mit Visiersensoren (wie der SLAM-Technologie) integriert werden, wird die Navigationsgenauigkeit weiter verbessert. Für die Kollisionsdetektion und Hindernisvermeidung können Beschleunigungsmesser abrupte Beschleunigungsänderungen während der Roboterbewegung erkennen, was schnelle Reaktionen wie Hindernisvermeidung oder Anhalteaktionen ermöglicht.
In Service- und Unterhaltungsrobotikanwendungen können diese Sensoren Bewegungen der Arme oder des Körpers des Roboters erfassen, um menschliches Verhalten zu simulieren oder mit Benutzern zu interagieren. Darüber hinaus können Sensordaten verwendet werden, um Bodenneigung, Vibrationen und dynamische Veränderungen in der externen Umgebung zu bewerten, was die Anpassungsfähigkeit des Roboters an seine Umgebung verbessert.
Ultra-präzise 6-Achsen-MEMS-Trägheitssensoren
Mit der zunehmenden Funktionalität von Industrieausrüstungen steigt auch die Anzahl der integrierten elektronischen Komponenten kontinuierlich an, was eine Miniaturisierung der Sensorverpackung erforderlich macht. Darüber hinaus wächst mit dem Fortschritt der Automatisierung in Industrieausrüstungen auch die Nachfrage nach einer genauen Erfassung von dynamischen Neigungswinkeln und Eigenpositionsinformationen.
Unter diesen ist die Orthogonalität jeder Achse (X-Achse, Y-Achse und Z-Achse) der Sensoren ein kritischer Faktor für eine präzisere Schätzung der dynamischen Neigungswinkel. Bisher war es erforderlich, die Orthogonalität durch externe Kalibrierung mit anderen Geräten zu gewährleisten.
Um dies zu adressieren, hat Murata hochpräzise 6-Achsen-MEMS-Inertialsensoren mit geringem Rauschen und stabilem Ausgang entwickelt. Jede Achse des Gyroskops und des Beschleunigungsmessers kann Werte mit angewendeter Orthogonalitätskompensation ausgeben, was den Kalibrierungsprozess für den Benutzer vereinfacht und hilft, Produktionskosten zu senken. Darüber hinaus trägt das kompakte Design zur Einsparung von PCB-Fläche bei.
Muratas SCH16T-Sensorserie bietet den Kunden durch Redundanz-Design-Optionen und eingebaute einstellbare duale Ausgangskanäle mehr Flexibilität. Die SCH16T-Sensorreihe unterstützt einen Messbereich für den Winkelgeschwindigkeit von ±2000°/s (SCH16T-K10) oder ±300°/s (SCH16T-K01) sowie einen Messbereich für die Beschleunigung von ±16g (SCH16T-K10) oder ±8g (SCH16T-K01). Sie verfügt über einen zusätzlichen digitalen Beschleunigungsmesserkanal mit einem Dynamikbereich von ±26g, einer Gyroskop-Bias-Instabilität von nur 0,3°/h (SCH16T-K01) oder 4°/h (SCH16T-K10) und Rauschdichte-Leveln von nur 0,4m°/s/√Hz (SCH16T-K01) oder 6m°/s/√Hz (SCH16T-K10). Die Sensoren unterstützen Interpolations- und Dezimationsoptionen für einen synchronen Daten-Ready-Ausgang, Zeitstempelindizierung und SYNC-Eingabefunktionalität.
Die SCH16T-Sensorserie arbeitet in einem Temperaturbereich von -40 bis 110°C, unter Verwendung einer Versorgungsspannung von 3,0 bis 3,6V und einer I/O-Spannung von 1,7 bis 3,6V. Sie unterstützt die SafeSPI v2.0 Schnittstelle und erlaubt die Auswahl von 20-Bit- und 16-Bit-Ausgangsdaten durch SPI-Frames. Mit umfangreichen Selbstdiagnosefunktionen betragen die Abmessungen 12mm × 14mm × 3mm (Länge × Breite × Höhe) und belegt eine PCB-Fläche von weniger als 170mm². Sie verfügt über ein robustes SOIC-Kunststoffgehäuse, das RoHS-konform ist, geeignet für bleifreie Lötprozesse und SMD-Montage.
Der SCH16T-Sensor ist eines der wenigen Einpaket-6DoF-Geräte mit diesem Leistungs- und Funktionsniveau. Er zeigt eine herausragende Linearität und Offset-Stabilität über den gesamten Temperatur- und Messbereich und erreicht zentimetergenaue Maschinendynamik und Positionssensorgenauigkeit, selbst in rauen Umgebungen.
SCH16T eignet sich für Anwendungen, die einen Hochleistungsbetrieb unter herausfordernden Umweltbedingungen erfordern, wie Inertial Measurement Units (IMUs), inertiale Navigation und Positionierung, Maschinensteuerung und -führung, dynamische Neigung, Robotersteuerung und Drohnen (UAVs).
Murata bietet auch Evaluierungsboards für die Gyroskop/Beschleunigungsmesser-Kombisensoren SCH16T-K01-PCB und SCH16T-K10-PCB an, die mit den Sensoren der SCH16T-Serie auf einer mit passiven Komponenten ausgestatteten PCB vorinstalliert sind. Die PCB erleichtert die SPI-Kommunikation über Pins.
Piezofilm-Sensoren unterstützen Roboter bei der Wahrnehmung von Berührungen, Anpresskraft und Vibration
Piezofilmsensoren mit ihren Eigenschaften von Leichtigkeit, hoher Empfindlichkeit und schneller Reaktion haben breite Anwendungsperspektiven und Entwicklungspotenzial in intelligenten Robotern. In taktilen Sensoranwendungen können Piezofilmsensoren als flexible taktile Sensoren dienen, die auf der Oberfläche des Roboters installiert sind, um Berührungen, Druckkräfte und Vibrationen zu erkennen. Diese Sensoren helfen Robotern, die äußere Umgebung wahrzunehmen, und ermöglichen eine präzise Kraftkontrolle beim Greifen und Manipulieren von Objekten, indem sie Kontaktkräfte genau messen.
Piezofilmsensoren können auch zur Vibrationsüberwachung und Fehlererkennung eingesetzt werden. Sie überwachen die Vibrationen von beweglichen Roboterteilen, um frühzeitige Fehler oder Anomalien zu erkennen und ermöglichen so eine präventive Wartung. Darüber hinaus verbessern sie durch die Erkennung von Vibrationsmerkmalen in der äußeren Umgebung die Anpassungsfähigkeit des Roboters an komplexe Gelände und dynamische Szenarien.
Ultradünne und hochsensible piezoelektrische Foliensensoren
Murata hat seine proprietäre piezoelektrische Technologie genutzt, um den Picoleaf™ Piezoelektrik-Folien-Sensor einzuführen. Dieser flexible, dünne Sensor kann hochsensible Erkennung von Biegen, Verdrehen, Druckkraft und Vibrationen leisten. Er spart Montagefläche und erreicht Verbesserungen in Dünne, Montageleistung und Haltbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren.
Darüber hinaus besteht das in Picoleaf™ verwendete piezoelektrische Folienmaterial aus Polymilchsäure, die durch Fermentation von aus pflanzlichem Gewebe extrahierter Milchsäure hergestellt wird. Da Pflanzen Kohlendioxid aus der Atmosphäre aufnehmen, um Stärke zu synthetisieren, erhöht das Material nicht die Gesamtmenge an Kohlendioxid, die zur globalen Erwärmung beiträgt. Es ist ein kohlenstoffneutrales Material, das die Umweltverträglichkeit unterstützt.
Hauptmerkmale des Picoleaf™ Piezoelektrik-Folien-Sensors umfassen einstellbare Verstärkungsrate für Ausgangssignale, anpassbare On/Off-Judgement-Schwelle und konfiguriertes Filter-Setup. Er kann Signale über bis zu vier Kanäle steuern und überwachen, und die GUI bietet einen intuitiven Überblick über verschiedene Einstellungen und Ausgabestatus. Daten können auch im CSV-Format exportiert werden.
Mit einer Dicke von 0,2mm oder weniger spart Picoleaf™ selbst in Kombination mit Anzeige oder Touchpanel Platz. Seine kompakten Maße von 2,5 × 7,0mm erreichen eine ultrakleine Größe. Die flexible Struktur von Picoleaf™ ermöglicht es ihm, auf gekrümmten Oberflächen auf hoch designten Geräten zu haften, um zylindrische Objekte gewickelt zu werden und in nassen Umgebungen wie Badezimmern oder Küchen zu funktionieren. Er kann Druckkraft unter Wasser erkennen und auf wasserverbrauchende Geräte wie Waschmaschinen angewendet werden. Er ist auch fähig, nahtlose Tasten auf Metallgehäusen zu erstellen.
Der Picoleaf™ Piezoelektrik-Folien-Sensor zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit aus und kann mikroskopische Verschiebungen von nur 1µm detektieren. Ein einzelner Sensor kann Druckkraft über die gesamte Anzeigefläche erfassen. Darüber hinaus kann er biologische Signale wie unwillkürliche Muskelbewegungen, Griffstärke und Pulsation überwachen. Der Sensor ist nicht pyroelektrisch, wodurch Drift verursacht durch Körpertemperatur, Sonnenlicht oder Halbleiterwärme eliminiert wird, was die durch thermische Effekte induzierte Geräuschentwicklung reduziert.
Picoleaf™ zeigt einen niedrigen Stromverbrauch. Der Sensor selbst verbraucht keinen Strom, und seine Ansteuerverstärkerschaltung kann für niedrigen Stromverbrauch (ca. 10µA) ausgelegt werden. Darüber hinaus verwendet Picoleaf™ einen umweltfreundlichen organischen piezoelektrischen Film aus pflanzlich gewonnener Polymilchsäure, was zu den nachhaltigen Entwicklungszielen (SDGs) beiträgt, ohne während seines Lebenszyklus der Herstellung, Entsorgung und Zersetzung zusätzliches atmosphärisches CO2 zu erzeugen. Es handelt sich auch um ein bleifreies Produkt, das der Europäischen RoHS-Richtlinie entspricht.
Picoleaf™ ist geeignet für Anwendungen zur Erkennung von Druckkraft. Beispielsweise kann er als UI-Sensor fungieren, der seine Druckerkennungsmerkmale nutzt, in einen Eingabestift integriert werden, um Griffzustände zu erkennen, und ungewollte Bedienungen durch Erkennen von Druckaktionen verhindern. Darüber hinaus ist Picoleaf™ anwendbar zur Erkennung biologischer Signale wie der Überwachung von Pulsation und Atmung dank seiner hohen Empfindlichkeit.
Murata bietet auch Evaluierungsboards an, die mit GreenPAK™ programmierbaren digitalen Analysator-ICs von Renesas Electronics ausgestattet sind. Diese Boards ermöglichen dynamische Anpassungen der Verstärkungsrate von Ausgangssignalen und der On/Off-Judgement-Schwelle. Mit der Fähigkeit, Signale von bis zu vier Kanälen gleichzeitig zu verarbeiten, unterstützen die Evaluierungsboards Mehrzweckbewertungen oder Bewertungen an mehreren Standorten, was die Bewertungsgeschwindigkeit und Effizienz verbessert. Darüber hinaus erleichtert die dedizierte GUI die intuitive Anpassung der Parameter sowie das Speichern und Teilen von Bedingungen.
Fazit
IMU- und piezoelektrische Foliensensoren spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Erreichung präziser Bewegungssteuerung und flexibler Umweltwahrnehmung in intelligenten Robotern. Diese beiden Sensortypen bieten robuste technische Unterstützung für innovative Anwendungen in Bereichen wie industrielle Automatisierung, medizinische Hilfe und Service-Interaktion. Die von Murata eingeführten Gyroskope, Beschleunigungsmesser und piezoelektrischen Foliensensoren sollen dazu beitragen, die Robotiktechnologie zu höherem Intelligenzniveau und Diversifizierung voranzutreiben und eine breitere Anwendungsentwicklung zu ermöglichen.
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