ADI ADMT4000磁性位置传感器助力人形机器人关节设计-电子发烧友网

人形机器人作为集成了机械制造、控制技术与人工智能等多学科的复杂系统，其运动控制的精确性与可靠性是衡量其性能的核心指标。其中，关节的绝对位置感知，特别是在意外断电重启后的位置信息恢复能力，是系统设计中一个关键的技术挑战。本文将介绍ADI的ADMT4000磁性位置传感器，并阐述其如何通过无源多圈检测技术，为人形机器人关节设计提供一个高集成度、高可靠性的解决方案。

多圈位置记忆挑战，传统方案的技术瓶颈

当今市场上角度传感器种类较多，有磁式、光学式、电感式、旋变器式等传感器。霍尔传感器基于磁效应、XMR系列传感器有AMR、GMR和TMR传感器，他们通常对磁场方向的变化很敏感。但遗憾的是，所有这些传感器的绝对测量范围都只有单圈，即360度，AMR传感器是个例外，它的信号以180度为周期进行重复，绝对测量范围是半圈，即180度。

若想要进行超过一圈的绝对测量，非接触式是当前可行的实现方法。传统实现断电后位置记忆的多圈检测主要依赖以下几种方案，但它们各自存在着固有的局限性。

多圈编码器传统解决方案（非接触式）

- 机械式方案

该方案通常采用“齿轮组+单圈绝对值编码器”的结构，通过精密齿轮的传动比来换算圈数，其主要缺陷在于齿轮机构存在机械磨损与背隙，长期运行后会影响传动精度；多级齿轮结构复杂，体积和重量较大，与人形机器人关节追求轻量化、紧凑化的设计目标相悖。

- 带备用电源的电子方案

此方案通过为单圈传感器和存储器（如FRAM）配备备用电池，以在主电源中断时维持位置数据的记录。该方案的主要问题在于引入了电池管理，包括电池的生命周期、定期维护与更换，这增加了系统的复杂性和长期拥有成本，并降低了整体可靠性。

- 基于韦根（Wiegand）效应的方案

韦根传感器利用导线的自发电效应，可在旋转时产生能量脉冲以驱动计数和数据存储。尽管此方案无需电池，但在某些工况下，尤其是在圈数累积较多或转速变化剧烈时，存在发生圈数计数错误的风险（即“丢圈”现象），这对于要求高可靠性的机器人应用是不可接受的。

创新型多圈传感器ADMT4000技术解析

ADMT4000是ADI公司率先发布的单芯片多圈位置传感器，旨在从根本上克服上述传统方案的不足。其绝对测量范围为46圈，整个测量范围内达到±0.25度的精度，借助于这种新的多圈技术，省去了与单圈传感器结合使用的备用电池或机械齿轮，也可以免去线性执行器中的线性传感器。此外，对于未采用传统笨重机械多圈编码器的系统，这种传感器无需在上电时重新归位或重新校准，能够在完全无源（无供电）的状态下，精确记录多圈旋转运动。

ADMT4000的技术实现基础是磁畴壁在磁性纳米导线中的可控传播。在磁性材料中，磁畴是原子磁矩取向一致的区域，而磁畴壁是相邻磁畴之间的过渡层。该传感器利用外部永磁体（固定于机器人关节的旋转部分）产生的磁场，来驱动内部磁性导线中的磁畴壁发生位移。因此，关节的旋转运动被直接、无损地转换为磁畴壁在一维线性路径上的位移。

为了读取磁畴壁的位置，ADMT4000沿磁性导线集成了四个巨磁阻（GMR）检测点。GMR效应是一种量子力学效应，其电阻值会随局部磁场方向的变化而发生显著改变。当磁畴壁扫过这些GMR检测点时，会引起它们各自电阻值的变化。通过精确测量这四个检测点的电阻值，可以得到一个与磁畴壁位置唯一对应的阻抗特征。系统控制器通过读取这组电阻值，即可精确计算出磁畴壁的当前位置，从而反演出关节的绝对旋转角度和累计圈数。

关键在于，磁畴壁的位置是一种稳定的物理状态，其维持无需任何外部能量供给。这意味着，即使在系统断电期间关节发生了运动，该位置信息也被物理性地保留在芯片内部。当系统重新上电时，只需进行一次电阻读取，即可立即获知当前精确的绝对位置。

使用此款传感器需要在16~31mT的磁场窗口内操作，若没有足够的磁能，或磁场强度低于16mT，则会面临磁能不足的风险，无法将磁畴移出畴壁发生器并穿过螺旋。如果磁场强度超过 31mT，尤其是显著超过31mT的话，则会有额外磁畴加入螺旋中以致产生错误计数信息的风险，或者非常强的磁场会导致螺旋完全复位。

此外，作为一款磁性传感器，ADMT4000在应用中需考虑对外部杂散磁场的抗干扰能力。在人形机器人这类电磁环境复杂的应用中，建议采用磁屏蔽措施。ADI提供相应的屏蔽方案参考设计，通过在芯片周围或PCB板上设计屏蔽层，可以有效抑制外部磁场干扰，确保传感器测量的准确性。

从机器人到工业与汽车，ADMT4000开启新应用大门

除了在人形机器人关节中的核心应用，ADMT4000凭借其无源、多圈、高可靠性的特点，在其他多个领域也展现出巨大的应用潜力。

在广义的工业自动化中，ADMT4000可用于各类旋转执行器和线性执行器中。例如，在多轴协作机器人的关节、数控机床的XY工作平台中，断电后位置的即时恢复能力可以省去繁琐的回零操作，提高生产效率。此外，在物料搬运设备如起重机、吊车、升降机中，ADMT4000可用于拉线式编码器，精确测量钢缆或拉线的伸缩长度，其多圈检测能力完美匹配这类长行程应用的需求。