IMU在人形機器人中的作用

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

人形機器人在真實(shí)世界環(huán)境中能否準確無(wú)誤地完成各種任務(wù)、執行各種動(dòng)作，精準的姿態(tài)檢測以及控制成為了關(guān)鍵要素。當前技術(shù)中，機器人姿態(tài)檢測方法主要有視覺(jué)傳感器、激光雷達、IMU等，但視覺(jué)傳感器、激光雷達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(wèn)題。

1 機器人運動(dòng)功能核心傳感器——IMU

在機器人的眾多關(guān)鍵技術(shù)中，IMU（Inertial Measurement Unit，慣性測量單元）作為一種測量物體三軸姿態(tài)角（或角速率）以及加速度的裝置，對機器人的精準導航與穩定控制發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。

IMU得益于近年來(lái)半導體行業(yè)的快速發(fā)展，尤其MEMS IMU其成本呈指數級下降，而且慣性測量單元由于其自身檢測原理的機制，完全不依賴(lài)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(chēng)MCU）的實(shí)時(shí)處理，以IMU為載體的姿態(tài)檢測系統存在抗環(huán)境干擾強、穩定性好、實(shí)時(shí)性高、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

IMU產(chǎn)品為機器人的運動(dòng)控制提供了重要支持，在機器人行走、奔跑或執行各種任務(wù)時(shí)，IMU可以檢測到微小的姿態(tài)變化和振動(dòng)，從而使機器人能夠及時(shí)調整自身的運動(dòng)狀態(tài)，保持穩定。IMU對于那些需要進(jìn)行高精度操作的機器人來(lái)說(shuō)尤為重要，通過(guò)動(dòng)作的物理分解，將運動(dòng)數據分為加速度和角速度等狀態(tài)量，機器人通過(guò)學(xué)習慣性傳感器IMU回傳數據的特征來(lái)完成復雜動(dòng)作機器學(xué)習，IMU確保機器人的動(dòng)作準確無(wú)誤。2 IMU賦能機器人運動(dòng)

2.1人形機器人對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，性?xún)r(jià)比較高的IMU模組通過(guò)算法達到較高指標，大幅提升IMU輸出性能指標。

(2) 系統穩定性

通過(guò)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)境中都能保持穩定的加速度角速度和姿態(tài)測量，為機器人提供可靠的數據支持，發(fā)揮機器人感知世界不可或缺的關(guān)鍵小腦作用。

(3) 高速數據更新率

1kHz數據輸出，較高的數據更新率更快的進(jìn)行實(shí)時(shí)響應

(4) 小體積，低功耗

緊湊的6軸集成加速度計和陀螺儀

(5) 機器人系統

支持機器人ROS1，ROS2系統

(6) 豐富的接口

支持232，CAN甚至以太網(wǎng)等豐富的接口

2.2 系統指標

(1) 陀螺穩定性<3°/h，陀螺不穩定性：<1°/h

(2) IMU噪聲：RMS噪聲大概在0.01-0.05范圍

(3) 機器人動(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) 機器人姿態(tài)角度范圍：pitch，roll，yaw均為±π

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

2.3 市場(chǎng)方案

目前為機器人提供IMU模組方案的供應商已基本為國內本土設計公司，產(chǎn)品成熟可靠，領(lǐng)頭公司有導遠科技，華依科技，原極等公司。

華依科技

導遠科技

3 結束語(yǔ)

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

在未來(lái)，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，IMU 在機器人應用中的作用將更加凸顯。我們可以期待，搭載著(zhù)先進(jìn) IMU 的機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)、醫療護理、工業(yè)生產(chǎn)還是科學(xué)探索等領(lǐng)域，IMU 都將助力機器人發(fā)揮出更大的潛力。