IMU在人形機(jī)器人中的作用

在人工智能和大數(shù)據(jù)大模型的推動(dòng)下，機(jī)器人技術(shù)正以前所未有的速度演進(jìn)，尤其是人形機(jī)器人逐漸走進(jìn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。人形機(jī)器人走進(jìn)家庭，走進(jìn)生活，在家務(wù)助手，老人扶助，人機(jī)交互方面扮演重要角色，各大公司的人形機(jī)器人也逐步落地。

人形機(jī)器人在真實(shí)世界環(huán)境中能否準(zhǔn)確無(wú)誤地完成各種任務(wù)、執(zhí)行各種動(dòng)作，精準(zhǔn)的姿態(tài)檢測(cè)以及控制成為了關(guān)鍵要素。當(dāng)前技術(shù)中，機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方法主要有視覺傳感器、激光雷達(dá)、IMU等，但視覺傳感器、激光雷達(dá)等這些方法存在成本較高、受環(huán)境因素影響大、使用局限性大、實(shí)時(shí)性較差等諸多問題。

1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能核心傳感器——IMU

在機(jī)器人的眾多關(guān)鍵技術(shù)中，IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測(cè)量單元）作為一種測(cè)量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置，對(duì)機(jī)器人的精準(zhǔn)導(dǎo)航與穩(wěn)定控制發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

IMU得益于近年來(lái)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，尤其MEMS IMU其成本呈指數(shù)級(jí)下降，而且慣性測(cè)量單元由于其自身檢測(cè)原理的機(jī)制，完全不依賴外部環(huán)境，也不受外部環(huán)境干擾影響，再配合微處理器（以下簡(jiǎn)稱MCU）的實(shí)時(shí)處理，以IMU為載體的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)存在抗環(huán)境干擾強(qiáng)、穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性高、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

IMU產(chǎn)品為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提供了重要支持，在機(jī)器人行走、奔跑或執(zhí)行各種任務(wù)時(shí)，IMU可以檢測(cè)到微小的姿態(tài)變化和振動(dòng)，從而使機(jī)器人能夠及時(shí)調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，保持穩(wěn)定。IMU對(duì)于那些需要進(jìn)行高精度操作的機(jī)器人來(lái)說尤為重要，通過動(dòng)作的物理分解，將運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分為加速度和角速度等狀態(tài)量，機(jī)器人通過學(xué)習(xí)慣性傳感器IMU回傳數(shù)據(jù)的特征來(lái)完成復(fù)雜動(dòng)作機(jī)器學(xué)習(xí)，IMU確保機(jī)器人的動(dòng)作準(zhǔn)確無(wú)誤。2 IMU賦能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

2.1人形機(jī)器人對(duì)IMU模組的要求

(1) 低成本，高性能

目前市場(chǎng)上基本是采用基于MEMS的多軸加速度和陀螺傳感器提供姿態(tài)檢測(cè)，性價(jià)比較高的IMU模組通過算法達(dá)到較高指標(biāo)，大幅提升IMU輸出性能指標(biāo)。

(2) 系統(tǒng)穩(wěn)定性

通過高精度和高動(dòng)態(tài)及360°無(wú)死角姿態(tài)解算算法，實(shí)時(shí)捕捉機(jī)器人的每一個(gè)微小動(dòng)作，確保各種靜態(tài)及動(dòng)態(tài)環(huán)境中都能保持穩(wěn)定的加速度角速度和姿態(tài)測(cè)量，為機(jī)器人提供可靠的數(shù)據(jù)支持，發(fā)揮機(jī)器人感知世界不可或缺的關(guān)鍵小腦作用。

(3) 高速數(shù)據(jù)更新率

1kHz數(shù)據(jù)輸出，較高的數(shù)據(jù)更新率更快的進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)

(4) 小體積，低功耗

緊湊的6軸集成加速度計(jì)和陀螺儀

(5) 機(jī)器人系統(tǒng)

支持機(jī)器人ROS1，ROS2系統(tǒng)

(6) 豐富的接口

支持232，CAN甚至以太網(wǎng)等豐富的接口

2.2 系統(tǒng)指標(biāo)

(1) 陀螺穩(wěn)定性<3°/h，陀螺不穩(wěn)定性：<1°/h

(2) IMU噪聲：RMS噪聲大概在0.01-0.05范圍

(3) 機(jī)器人動(dòng)靜態(tài)快速切換：靜態(tài)條件下角度不發(fā)生變化，動(dòng)靜態(tài)切換時(shí)不跳動(dòng)

(4) 機(jī)器人姿態(tài)角度范圍：pitch，roll，yaw均為±π

(5) 機(jī)器人姿態(tài)誤差：全角度范圍內(nèi)，姿態(tài)誤差為0.2°；

2.3 市場(chǎng)方案

目前為機(jī)器人提供IMU模組方案的供應(yīng)商已基本為國(guó)內(nèi)本土設(shè)計(jì)公司，產(chǎn)品成熟可靠，領(lǐng)頭公司有導(dǎo)遠(yuǎn)科技，華依科技，原極等公司。

華依科技

導(dǎo)遠(yuǎn)科技

3 結(jié)束語(yǔ)

基于MEMS的基于慣性測(cè)量單元IMU的機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方法及系統(tǒng)，提供成本低、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、受環(huán)境因素影響小的機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方案，支持ROS系統(tǒng)，具有高速信號(hào)傳輸能力，有效解決了傳統(tǒng)機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方案成本高、易受干擾、精度低等問題，旨在提供高精度、高穩(wěn)定性、高動(dòng)態(tài)的機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)方案及系統(tǒng)。

在未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，IMU 在機(jī)器人應(yīng)用中的作用將更加凸顯。我們可以期待，搭載著先進(jìn) IMU 的機(jī)器人將為我們的生活帶來(lái)更多的便利和驚喜。無(wú)論是在家庭服務(wù)、醫(yī)療護(hù)理、工業(yè)生產(chǎn)還是科學(xué)探索等領(lǐng)域，IMU 都將助力機(jī)器人發(fā)揮出更大的潛力。