NE时代

◎ ADI，先和「振动」较劲。

△ 撰文：董志洋

机器人没有转身，惯性传感器却可能把振动干扰误报成转动信号。内部电机运转、脚步触地带来的振动，会影响传感器读数，进而干扰机器人对自身姿态的判断。

对需要持续工作的机器人，温度变化、器件老化和反复开关机，还可能造成测量参数漂移。研发团队既要处理这些误差，也要在有限的安装空间、功耗和成本下选择传感器。

10月13日，ADI在工博会期间介绍了已经出货的精密微型MEMS惯性测量单元ADIS16607。它将三轴陀螺仪和三轴加速度计装进约6.9×6.9×2.85mm的封装，为机器人提供更紧凑的惯性测量方案。

ADI亚太区微机电产品线总监赵延辉介绍，这次小型化保留了四核传感架构、逐颗全温校准和长期稳定性设计，让器件在缩小体积的同时，继续处理实际运动中的测量难题。

小型化，增加安装选择

在赵延辉介绍的机器人配置中，头部IMU与相机配合，用于视觉惯性里程计（VIO），躯干IMU则监测整体姿态。相机提供视觉信息，IMU测量角速度和加速度，在两次图像更新之间补充运动数据，系统融合这些信息，估计机器人的姿态与运动。 

惯性测量不依赖外部定位信号或可见的环境特征，在室内等卫星信号受限的地方，也能为导航提供运动信息。与关节编码器、力与力矩传感器配合后，这些数据还可以参与肢体运动、支撑和接触状态的判断。

安装位置改变，选型重点也会变化：头部需要让相机与IMU在时间上对齐，躯干更重视整体姿态精度和长期稳定性，脚部则要承受落地冲击与振动。赵延辉介绍，已有客户在手臂、腿部和脚部配置IMU，空间、功耗和成本会影响具体选择。

ADIS16607的小型化，为这些安装位置提供了更多选择。它支持SPI、I²C通信、同步采集和传感器自检，陀螺仪与加速度计的未滤波带宽分别约为1.21kHz和1.08kHz。

采用内部时钟、不对输出数据降采样，并使用宽带滤波设置时，陀螺仪和加速度计通路的延迟分别约为0.24毫秒和0.28毫秒。同步功能用于对齐不同传感器的采样时间，较低的通路延迟则有助于系统及时获得运动数据。

ADIS16607-2与ADIS16607-3分别提供约±480°/s和±2000°/s的陀螺仪量程，用于匹配不同旋转速度。前者的运行中零偏稳定性为2.3°/hr，角随机游走为0.19°/√hr，分别反映运行中的偏置变化与随机噪声表现，都会影响后续姿态解算。

现场展台上的平衡装置展示了惯性数据怎样参与控制：系统检测装置姿态与倾倒趋势，再调整电机输出维持平衡。赵延辉解释，这需要采样、算法处理和电机响应共同配合，姿态估计偏差也会影响控制器计算的调整量。

ADI的IMU沿两条路线演进：在相近尺寸下提高性能，以及在保留测量能力的基础上缩小体积，ADIS16607属于后者。这次微型化结合了设计、工艺与封装改进，此前的模块级产品也仍在更新。

赵延辉将惯性MEMS研发重点分为低功耗、低噪声、宽带低噪声和高稳定性，部分自研技术与IP可以复用。机器人是此次活动的重点，相关产品也面向农业自动化、医疗仪器、无人机和工程机械等应用。

振动会让测量发生偏移

将传感器放在桌上采集数据，能看到静态噪声和输出稳定性；安装到机器人上，还要观察它在振动与冲击中的表现。陀螺仪测量角速度，线性加速度也可能影响其读数，器件需要降低这种影响，避免把干扰带入运动估计。

振动还可能引起振动整流误差（VRE）：交流振动经过器件的非线性或不对称响应后，在输出中形成直流偏置。即使后端把高频波动滤平，信号的平均值也可能已经改变。

赵延辉以一个量程为±2g、沿重力方向测量的加速度计举例：静止时读数为1g，叠加±0.5g振动后，信号在0.5g至1.5g之间变化，仍能完整记录。如果振动增至±1.5g，信号本应在−0.5g至2.5g之间变化，但正向超过2g的部分会被削掉，负向仍在量程内，波形失去对称，滤波后的平均值便产生偏差。

“滤波并非万能。” 赵延辉指出，滤波可以削弱高频干扰，却难以消除已经产生的直流偏置，机器人缓慢运动所需的有效信息也可能位于低频。

振动加速度相同，背后的频率与位移幅度组合也可能不同，产生的VRE并不相同。在改变振动幅度的实验中，误差还出现过先增大、后减小的变化，工程师难以仅凭振动幅度，按固定关系完成补偿。

为减少外界振动对读数的影响，ADIS16607采用四核设计，其中的“核”指MEMS机械运动结构。机器人转动时，器件内持续振动的微结构受到科里奥利力，陀螺仪据此测量角速度，外界振动如果叠加到检测方向，也可能进入读数。

赵延辉介绍，双核方案让运动结构以相反相位振动，通过差分处理抑制共同干扰；实际加工难以让两个结构完全一致，部分共同干扰仍会进入测量结果，也就是共模泄漏。四核设计进一步改善了对共同干扰的抑制能力，同时保留测量转动所需的响应。

在ADI展示的0.5g、20至26kHz正弦扫频测试中，ADIS16607-2的输出波动范围相对均匀，对照器件在约24kHz附近的波动明显增大。振动引起的偏置还会在惯性解算的积分过程中累积，影响方向和位置估计。 

在传感器外增加橡胶等减振材料，可以减少传到器件上的振动，也可能引入共振、轴间耦合或响应延迟。材料的平整度与老化会改变这些特性，工程师需要将它们纳入长期使用的设计。

稳定性要经得起长期使用

赵延辉提出的工况包括连续工作、反复开关机，以及长期存放后重新执行任务。温湿度、老化和使用状态变化，都可能影响器件参数，长期重复性关系到机器人重新投入工作时，测量表现还能否保持一致。

ADIS16607采用陶瓷气密封装，每颗器件出厂前完成灵敏度、零偏和轴向对准等校准，校准温度覆盖−40～85℃，工作温度范围为−40～105℃。为评估长期稳定性，ADI还进行温度循环、加速老化、湿热及高低温存储等可靠性测试。

生产流程中的动态运动测试和校准，为各传感器确定对应的补偿参数，同时校准测量轴之间的方向偏差。测量轴之间如果存在角度偏差，一个方向的运动就可能影响另一个轴的读数，出厂前处理这些偏差，可以减少客户自行校准的工作。

现场重新校准需要已知参考条件，机器人在工作环境中未必方便获得这样的条件。赵延辉以归零问题说明，陀螺仪需要确认静止参考，加速度计又受重力影响，长期重复性会影响系统后续的校准与调试安排。

赵延辉认为，评价抗振设计的成本，需要把器件价格与后续减振、补偿和维护投入一起计算。对于需要较大动作、复杂地形与连续运行的机器人，选用低价器件后再做补偿，系统总成本未必更低。

他将当前机器人需求定位在偏中高端工业级应用，强调根据任务选择产品。随着机器人进入人机协作和持续作业场景，他预计可靠性要求还会提高，冗余或异构设计可能成为后续方向。

振动也能暴露部件磨损

测量姿态需要抑制振动造成的偏差，监测机械部件时，振动又是有用的信息。轴承和齿轮磨损、螺丝松动或异物卡滞，可能使波形幅度、谐波与频谱杂散发生变化，对照正常状态并分析磨损趋势，可以帮助安排基于状态的维护。

机器人动作慢，不代表故障信号只出现在低频。IMU内的加速度计参与姿态融合，而分析较高频的部件异常，需要更宽的测量带宽，ADXL383便面向这类需求，其三轴器件尺寸约为2.9×2.8×0.87mm，带宽最高16kHz，可放在关节附近采集振动。

同系列ADXL380、ADXL382和ADXL383的带宽分别为4kHz、8kHz和16kHz，前者提供±4、±8、±16g量程，后两者提供±15、±30、±60g量程。系列引脚基本兼容，开发者可以结合振动幅度和需要观察的频段调整选型。

ADXL383配置两条信号链：高性能路径采用16位Σ-Δ数据，支持宽带分析与TDM输出，另一条低功耗路径采用12位SAR ADC数据。高性能模式下，16kHz带宽对应的典型三轴供电电流为520μA；超低功耗模式下，带宽为50Hz，典型电流为33μA，可用于持续状态检查，再按需要切换到更高性能采集。

高性能、降带宽和低功耗模式采用16位路径，极低功耗与超低功耗模式采用12位路径，开发者可根据状态监测需求调整带宽、噪声与电流。器件还支持配置均衡、补偿和滤波环节，SPI、I²C及音频类接口则提供不同的数据接入方式。

振动信息也被用于末端操作。ADI展示的DexHand多模态触觉方案，将力、振动、声学反馈与AI分析结合，用于抓取、精密装配和滑移感知，并配套可扩展硬件、仿真训练平台与标准接口，团队正与客户共同研究不同场景的实现方式。

在电子皮肤读出方案中，多行多列测点之间的相互影响，会增加读取压力分布的难度。方案板采用AD8608、AD4010和ADG706，通过模拟前端、多路复用和行列扫描，读取16×16电阻阵列的信号并处理串扰，检测电阻范围为100Ω至500MΩ，板卡尺寸为60×90毫米，还可以进一步缩小。 

力觉信号调理面向应变片和惠斯通电桥类传感器，一维方案采用MAX40109，集成ADC、数字信号处理和DAC，采样率最高16kSPS，可通过电源线通信，并支持电桥传感器校准。六维方案采用高精度ADC与MAX32690处理器组合，采集和处理多方向受力信号。

这些信号还要接入客户已有的采集系统，赵延辉解释，部分客户需要在模拟域处理信号，或适配电压、电流、IEPE接口。ADI目前主要提供器件，并根据客户需求提供系统支持，其他配套包括用于视觉数据传输的GMSL、BMS电池管理和TMC6460电机驱动。

赵延辉还将后续降本与芯片级产品的规模效应联系起来：随着出货增加，相比过去的板级模块，规模效应有望体现得更明显。他给出的研发方向，是继续在保持性能的同时缩小器件、降低成本，让高性能惯性感知能够服务更多实际设备。

【往期回顾】

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