IMU和压电膜传感器在机器人领域的应用

机器人13 2月 2025

随着机器人技术的飞速发展，感知能力已成为驱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独特性能与多样化应用场景逐渐成为机器人领域的关键技术。IMU以精确测量姿态、运动及方向而闻名，广泛应用于导航、控制及运动规划。同时，压电薄膜传感器凭借其高灵敏度、灵活性和多功能特性，在触觉感知和振动监测等领域表现卓越。本文将探讨IMU和压电薄膜传感器在机器人领域的典型应用及未来发展方向，并介绍Murata推出的相关解决方案。

陀螺仪和加速度计为机器人提供运动感测能力

陀螺仪和加速度计在智能机器人中的应用与发展具有重要意义，因为它们为机器人提供了精准的姿态控制、导航和运动感知能力。在姿态控制与稳定方面，陀螺仪可以测量机器人在三维空间中的角速度，帮助维持平衡，这对于双足机器人和无人机尤为重要。而加速度计则可以监测机器人运动过程中线性加速度的变化。两者结合后形成惯性测量单元（IMU），实现精准的姿态估算。

Image

此外，在无GPS环境中，陀螺仪和加速度计通过惯性导航算法可以提供位置信息，支持在室内或复杂地形中的自主移动。当与视觉传感器（如SLAM技术）集成时，导航精度进一步提升。在碰撞检测和避障方面，加速度计可以在机器人运动过程中检测到异常加速度变化，从而实现快速反应，如避障或停止动作。在服务和娱乐机器人应用中，这些传感器可以捕捉机器人的手臂或身体动作，以模拟人类行为或与用户互动。此外，还可以利用传感器数据评估地面倾斜、振动以及外部环境的动态变化，从而提高机器人对环境的适应能力。

超高精度六轴MEMS惯性传感器

Image

随着工业设备功能的不断增强，所嵌入的电子元件数量也在持续增加，这需要传感器封装的微型化。此外，随着工业设备自动化水平的不断提高，对精准获取动态姿态角度和自定位信息的需求也在不断增长。

在这些因素中，传感器各轴（X轴、Y轴和Z轴）的正交性是更精确估算动态姿态角的关键因素。迄今为止，确保正交性需要用户通过其他设备进行外部校准。为了解决这一问题，Murata开发了高精度的低噪音、输出稳定的6轴MEMS惯性传感器。陀螺仪传感器和加速度传感器的每个轴都可以输出已应用正交补偿的值，这简化了用户校准过程，有助于降低生产成本。此外，其紧凑设计有助于节约PCB空间。 Murata的SCH16T传感器系列通过冗余设计选项和内置调整双输出通道，为客户提供了更大的灵活性。SCH16T传感器系列支持±2000°/s（SCH16T-K10）或±300°/s（SCH16T-K01）的角速度测量范围，以及±16g（SCH16T-K10）或±8g（SCH16T-K01）的加速度测量范围。它还具有动态范围为±26g的辅助数字加速度通道、低至0.3°/h（SCH16T-K01）或4°/h（SCH16T-K10）的陀螺仪偏移不稳定性，以及低至0.4m°/s/√Hz（SCH16T-K01）或6m°/s/√Hz（SCH16T-K10）的噪声密度水平。它支持插值和抽取选项，用于同步数据就绪输出、时间戳索引以及SYNC输入功能。 SCH16T传感器系列在-40至110°C的温度范围内工作，使用3.0至3.6V的电源电压和1.7至3.6V的I/O电压。它支持SafeSPI v2.0接口，并允许通过SPI帧选择20位和16位输出数据。配备广泛的自诊断功能，其尺寸为12mm × 14mm × 3mm（长 × 宽 × 高），占用的PCB面积不足170mm²。它采用符合RoHS标准的坚固SOIC塑料封装，适用于无铅焊接工艺和表面贴装（SMD）。 SCH16T传感器是少数具有此性能和功能水平的单封装6DoF设备之一。在整个温度和测量范围内，它表现出卓越的线性与偏移稳定性，即使在恶劣环境中，也能实现厘米级机器动态和位置感知精度。 SCH16T适用于在严苛环境条件下需要高性能运行的应用，例如惯性测量单元（IMU）、惯性导航与定位、机器控制与引导、动态倾斜、机器人控制以及无人机（UAV）。 Murata还提供用于陀螺仪/加速度计组合传感器的评估板，SCH16T-K01-PCB和SCH16T-K10-PCB，这些评估板预安装了带有被动元件的SCH16T系列传感器PCB。该PCB通过针脚支持SPI通信。

压电薄膜传感器帮助机器人感知触觉、压力和振动

压电薄膜传感器以其重量轻、高灵敏度和快速响应的特点，在智能机器人领域具有广阔的应用前景和发展潜力。在触觉感知应用中，压电薄膜传感器可以作为柔性触觉传感器安装在机器人的表面，用于检测外部触碰、按压力和振动。这些传感器帮助机器人感知外部环境，并通过精确感知接触力，在抓取和操控物体时实现精确的力量控制。压电薄膜传感器还可以用于振动监测和故障检测。它们监测机器人运动部件的振动，以检测早期的故障或异常，从而实现预防性维护。此外，通过检测外部环境中的振动特征，这些传感器增强了机器人对复杂地形和动态场景的适应能力。

超薄且高灵敏度的压电薄膜传感器

村田利用其专有的压电技术推出了Picoleaf™压电薄膜传感器。该柔性、薄型传感器能够高灵敏度地检测弯曲、扭曲、按压力和振动。与传统传感器相比，它节省了安装空间，并在薄型化、组装性能和耐久性方面实现了改进。

此外，Picoleaf™所使用的压电薄膜材料是由发酵从植物组织中提取的乳酸制成的聚乳酸。由于植物通过从大气中吸收二氧化碳来合成淀粉，因此这种材料不会增加导致全球变暖的二氧化碳的总量。它是一种碳中性材料，有助于环境可持续性。

Picoleaf™压电薄膜传感器的主要特点包括可调节输出信号的放大倍率、可定制的开/关判定阈值以及过滤器配置设置。它能够控制和监测最多四个通道的信号，并通过图形用户界面（GUI）直观地显示各种设置和输出状态的数据。数据还可以以CSV格式导出。

Picoleaf™的厚度不超过0.2mm，即使与显示屏或触控面板结合也能节省空间。其2.5 × 7.0mm的紧凑尺寸实现了超小型化。Picoleaf™的柔性结构允许其粘附在高设计设备的曲面上，缠绕在圆柱体物体上，并能在潮湿环境中使用，如浴室或厨房。它可以在水下检测按压力，并用于诸如洗衣机等需用水的设备，还能在金属外壳上实现无缝按钮。

Picoleaf™压电薄膜传感器具有高灵敏度，能够检测微小至1µm的位移。单个传感器可以检测整个显示屏表面的按压力。此外，它还能监测生物信号，如非自主肌肉运动、握力和脉动。传感器是非热释电的，消除了由体温、阳光或半导体热量引起的漂移，从而减少了热效应带来的噪声。

Picoleaf™具有低功耗特性。传感器本身不耗电，其驱动放大电路可设计为低电流消耗（约10µA）。此外，Picoleaf™采用了由植物衍生的聚乳酸制成的环保有机压电薄膜，有助于实现可持续发展目标（SDGs），在其制造、处置和降解生命周期中不增加大气中的二氧化碳。而且，它还是一款符合欧洲RoHS指令的无铅产品。

Picoleaf™适合涉及按压力检测的应用。例如，它可以利用其按压检测特性作为UI传感器使用，集成到触控笔中以检测握力状态，并通过检测按压动作防止误操作。此外，得益于其高灵敏度，Picoleaf™适用于生物信号检测，如监测脉动和呼吸。

村田还提供配备Renesas Electronics所生产的GreenPAK™可编程数字分析器IC的评估板。这些评估板支持动态调整输出信号放大倍率和开/关判定阈值。评估板能够同时处理多达四个通道的信号，适合多用途评估或跨多个位置的评估，从而提高评估速度和效率。此外，专用GUI可直观调整参数，并支持条件保存与共享。