ADMT4000 磁性传感器：为人形机器人关节位置记忆带来革新

人形机器人作为融合了机械制造、控制技术以及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关键指标。其中，关节的绝对位置感知，特别是在意外断电重启后恢复位置信息的能力，是系统设计中亟待解决的关键技术难题。本文将深入介绍 ADI 公司的 ADMT4000 磁性位置传感器，并详细阐述其如何凭借无源多圈检测技术，为人形机器人关节设计提供高集成度、高可靠性的解决方案。

在当今市场上，角度传感器种类繁多，包括磁式、光学式、电感式、旋变器式等。霍尔传感器基于磁效应工作，XMR 系列传感器中的 AMR、GMR 和 TMR 传感器通常对磁场方向的变化极为敏感。然而，这些传感器大多绝对测量范围仅为单圈，即 360 度，AMR 传感器是个例外，其信号以 180 度为周期重复，绝对测量范围为半圈，即 180 度。

若要实现超过一圈的绝对测量，非接触式是目前可行的方法。传统的断电后位置记忆多圈检测方案存在诸多局限性。

机械式方案一般采用 “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。但该方案存在明显缺陷，齿轮机构存在机械磨损与背隙，长期运行会影响传动精度；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、紧凑化的设计目标不符。

带备用电源的电子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。然而，这种方案引入了电池管理问题，包括电池的生命周期、定期维护与更换，增加了系统的复杂性和长期拥有成本，同时降低了整体可靠性。

基于韦根（Wiegand）效应的方案利用导线的自发电效应，在旋转时产生能量脉冲以驱动计数和数据存储。尽管无需电池，但在某些工况下，尤其是圈数累积较多或转速变化剧烈时，存在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。

ADMT4000 是 ADI 公司率先推出的单芯片多圈位置传感器，旨在从根本上克服传统方案的不足。其绝对测量范围可达 46 圈，在整个测量范围内精度达到 ±0.25 度。借助这种创新的多圈技术，无需与单圈传感器结合使用备用电池或机械齿轮，也可省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，该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 的技术实现基于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，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，驱动内部磁性导线中的磁畴壁发生位移，从而将关节的旋转运动直接、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。系统控制器通过精确测量这四个检测点的电阻值，得到一个与磁畴壁位置唯一对应的阻抗特征，进而精确计算出磁畴壁的当前位置，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，该位置信息也会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 ADMT4000 传感器需要在 16~31mT 的磁场窗口内操作。若磁能不足，或磁场强度低于 16mT，将面临无法将磁畴移出畴壁发生器并穿过螺旋的风险；如果磁场强度超过 31mT，尤其是显著超过时，可能会有额外磁畴加入螺旋中，导致错误计数信息，或者非常强的磁场会使螺旋完全复位。

此外，作为一款磁性传感器，ADMT4000 在应用中需要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场景中，建议采用磁屏蔽措施。ADI 公司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。

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领域，ADMT4000 可用于各类旋转执行器和线性执行器。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，大大提高生产效率。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，其多圈检测能力非常适合这类长行程应用。

在汽车行业，ADMT4000 同样具有重要应用价值。汽车安全带卷收器需要精确记录安全带拉出的圈数，以确定其伸出长度，该数据对于安全气囊控制器实现预紧和限力等高级保护功能至关重要，ADMT4000 的多圈无源检测特性可为此提供可靠的数据支持。

在没有机械连接的线控转向系统中，方向盘的绝对旋转位置是控制车辆转向的核心输入信号。ADMT4000 能够提供高精度的方向盘绝对位置，且其无源特性确保了在车辆启动瞬间即可获得准确的转向意图，是实现此类安全关键功能的理想选择。

ADMT4000 磁性位置传感器以其创新的技术和卓越的性能，不仅为人形机器人关节设计带来了新的解决方案，还为工业自动化和汽车等多个领域的应用开辟了新的道路。