2026-04-10

作者 Chad Peng

文章来源 Cytech Engineer

面向人形机器人的线性关节模组 (上) ——直线关节与 ADI ADMT4000 高精度位置记忆方案

在《面向人形机器人的六维力传感器及其 ADI 高精度信号链方案》一文中，我们介绍了六维力传感器的工作原理、设计要点，并结合 ADI AD4170-4 模拟前端芯片，展示了从应变电桥到数字输出的完整信号链解决方案。

作为人形机器人专题系列的第四篇，本篇将聚焦于人形机器人中的核心执行部件——线性关节。考虑到线性关节涉及的内容较为丰富，本篇将分为上、下篇进行介绍。本文为上篇，将重点阐述直线关节模组的结构原理、设计要点及其与旋转关节的差异，并结合 ADI ADMT4000 多圈位置传感器，展示其在直线关节中的高精度位置记忆方案；下篇将继续深入探讨直线关节的电机控制方案。

一、直线关节模组介绍以及机器人应用场景

在人形机器人中，关节模组扮演着“肌肉-骨骼”系统的角色，是驱动与执行的关键接口。它通过内置的精密减速器、丝杠或连杆机构，将伺服电机的旋转运动高效地转换为关节的屈伸或平移。其性能直接决定了机器人的运动精度、负载能力和响应速度。

我们在《面向人形机器人的谐波减速器及其 ADI 驱动与控制方案》一文中重点介绍了旋转关节模组，那么，直线关节模组与旋转关节模组有何不同？在应用方向上又有何侧重？

如下图（图1）所示，特斯拉 Optimus 人形机器人在官方活动中公开的两类核心关节执行器内部结构拆解图，完美对应了特斯拉“上旋下直”的混合驱动架构。图中左侧为特斯拉旋转关节执行器（用于上肢/躯干），右侧为特斯拉直线关节执行器（用于下肢核心受力关节）。

图1 机器人两大关节模组对比图

为便于从技术路线角度理解两类关节的差异，下表（表1）对旋转关节与直线关节进行了系统对比。左列为上肢旋转关节执行器，右列为下肢直线关节执行器，分层展示了两类模组从外到内的核心组成。

表1 旋转关节与直线关节对比

针对上述两种不同的技术路线，我们对优必选、智元、宇树、众擎、傅利叶、开普勒、Optimus、Figure AI 这八家人形机器人企业的关节方案进行了梳理总结，如下表（表2）：

表2 人形机器人企业的关节方案

直线关节相对于传统旋转关节的核心优势，主要在于大负载场景下的应用表现，目前已有越来越多的关节组件厂商投入研发。下表（表3）列举了直线关节模组核心组成单元：

表3 直线关节模组核心组成单元

图2 直线关节模组爆炸图（图片来源：杭州新剑机电传动股份有限公司官网）

二、ADI 面向直性关节模组的高精度方案

直线关节中模组的一大技术难点在于：确保人形机器人断电后能够记忆关节位置、避免重启后需要重新校准。这是商业化落地的核心可靠性需求——人形机器人关节多为多圈运动（无论是大摆幅旋转关节，还是带长行程丝杠的直线关节），一旦丢失绝对位置，不仅需要人工/手动回零校准，影响使用体验，还可能引发运动误判的安全问题。

而直线关节模组中，电机用于驱动丝杠，进而驱动模块、转盘或 X-Y 工作台做直线运动。通常情况下，现行系统中需要线性位置传感器或线性传感器来跟踪模块或 X-Y 平台的运动轨迹。ADI 的 ADMT4000 能够实现这种运动的间接测量：只要知道丝杠的螺距，并将 ADMT4000的角度传感器与多圈传感器结合，即可在断电后精确计算出模块沿直线轨道移动的线性位置。下文将基于 ADMT4000 的位置记忆技术展开详细的介绍。

图3 ADMT4000 应用于直线关节模组

三、ADI ADMT4000 断电后的位置记忆技术详解

（一）核心原理：丝杠的「旋转-直线」固有转换关系

丝杠的核心作用就是把旋转运动转化为直线运动，它有一个固定不变的特性：螺距P，即「丝杠每完整旋转 1 圈，带动连接模块的螺母沿直线移动的距离」。

因此，模块的直线位移 S 和丝杠总旋转角度 θ，存在固定的数学转换关系：S = (丝杠总旋转角度 θ / 360°) × 螺距 P。只要能精准测出丝杠总共转了多少角度，就能算出模块移动的绝对直线位置，这是间接测量的核心基础。

图4 丝杆和导程的关系示意图

（二）ADMT4000 的作用：精准提供丝杠总旋转信息

多圈传感器：ADMT4000 是 ADI 推出的集成了「单圈角度检测+多圈位置计数」的传感器，刚好能完整输出丝杠的总旋转信息；
单圈角度检测：能精准测出丝杠当前在 1 圈以内的旋转角度，最高支持 12 位分辨率，满足精度要求；
多圈计数功能：ADMT4000 自带非接触多圈检测（通过校准技术，实现了 ±0.25° 的精度，传感器支持 46 圈计数），最多可记录丝杠转过的累计圈数，且不需要电池就能在断电后保留圈数信息，不会丢失位置。

最终 ADMT4000 会输出两个关键数据：丝杠总共转过的整圈数 N、当前剩余的单圈角度 θ 单，因此丝杠的总旋转角度可以直接表示为：

θ_总 = N × 360° + θ_单

（三）最终直线位置计算

重启后不需要回零校准，只需要两步就能得到精准的直线位置：

1. 读取现成数据：ADMT4000 直接输出两个关键信息：

断电前已经累计的总整圈数 N（存在芯片内部，断电不丢失，可直接读出）
上电后实时测出丝杠当前在 1 圈以内的剩余角度 θ _单（磁性非接触检测，上电瞬间就能得到）

2. 计算绝对直线位置：

先算出丝杠总旋转角度：θ_总 = N × 360° + θ_单，再代入丝杠转换公式，得到当前的绝对直线位置：S = (N + θ_单 / 360°) × P

这种方法不需要额外安装昂贵的长行程线性位置传感器（如光栅尺、线性电位器），只需要一个小体积的角度传感器就能实现高精度位置测量，成本更低、抗干扰能力更强。

图5 ADI 提供的 ADMT4000 开发板演示套件

（四）ADMT4000 技术原理

ADMT4000 这款传感器由 GMR 多圈传感器、高精度 AMR 角度传感器和信号调理 ASIC 组成，其中 GMR 上带有象限传感器，ASIC 接收来自多圈传感器、象限传感器和 AMR 角度传感器的输入，并对这些信号进行必要的信号处理，如片内校准和谐波校准校正，检查系统中的机械误差等。

此外，磁体本身的任何问题都可以通过重新校准消除。通过校准技术，实现了 ±0.25° 的精度，传感器支持 46 圈计数，所以它完整的绝对测量范围是 46 圈。

图6 ADI ADMT4000

断电记忆原理：Shape Anisotropy

如何理解断电后还能记录圈数呢？首先我们引入一个概念：ADMT4000 芯片内部有一条微尺度的铁磁纳米线螺旋。这条螺旋线利用了 Shape Anisotropy 原理。

如下图（图7）所示磁学中，基于形状各向异性 Shape Anisotropy 设计畴壁发生器 Domain Wall Generator, DWG 的原理示意图，核心是利用不同形状结构的形状各向异性差异，实现可控产生、传输磁畴壁。

图7 Shape Anisotropy

图片左侧：形状各向异性的基础特性

形状各向异性是铁磁材料的核心特性：不同几何形状的磁体，退磁能在不同方向存在差异，因此磁化方向有不同的倾向性——形状越不对称，各向异性越强，本图展示了两类结构的差异：

(a) 左上：畴壁发生器 DWG（圆形结构）→ 低形状各向异性
圆形结构各方向尺寸均匀，退磁因子在所有方向近似相等，因此形状各向异性极低，磁化方向很容易跟随外部磁场改变方向，这是 DWG 能响应外场旋转调整磁化方向的基础。

(b) 左下：窄磁道/窄条带→ 高形状各向异性
窄长条形的磁道形状不对称性强，形状各向异性强度满足近似公式：形状各向异性 ≈ (t / w) × cosϑ（t为条带厚度，w为条带宽度，ϑ为外场与条带长轴的夹角）

条带越窄（w越小），形状各向异性越高，磁化方向会倾向于稳定保持在条带的长轴方向，不容易轻易跟随外场改变，因此可以稳定存储磁化方向信息。

图片右侧：畴壁发生器+磁道的工作过程

右侧展示了外场逐步旋转时，如何利用两种结构的各向异性差异，实现畴壁产生、传输，最终完成磁道磁化翻转，共分四步：

(a) 初始态：外场旋转 0°： 圆形 DWG 和磁道整体都均匀向右磁化，磁化方向一致，还没有畴壁产生。

(b) 外场旋转 90° ：圆形 DWG 各向异性低，磁化方向跟随外场转为 90° 向下；但窄磁道各向异性高，原有向右的磁化方向保持不变。两种不同取向的磁化区域交界，就在磁道入口处产生了一个 90° 磁畴壁。

(c) 外场旋转 120°： DWG 磁化方向跟随外场转到 120°，畴壁也随之向前移动，进入磁道内部，形成 120° 畴壁。

(d) 外场旋转 180° ：DWG 整个磁化方向反转为向左，畴壁被推着移动过整条磁道，最终整个磁道的磁化方向全部反转为向左，畴壁从磁道末端移出，完成一次磁化翻转。

ADMT4000 四大功能模块

上述四大功能模块共同构成了 ADMT4000 的核心架构，其设计机理如下图（图8）所示：

图8 ADMT4000 设计机理

（五）ADMT4000 多圈传感器工作原理演示

ADMT4000 采用了一个简化为2圈计数能力的结构来演示其多圈计数原理，如图 9 所示。

将原本的螺旋磁道简化为便于展示的方形结构，引出 O1-O4 四个检测引脚、VDD/GND 用于供电检测电阻。
核心效应基础：基于GMR（巨磁阻）效应，图片右下角明确了电阻规则：
- HR (High Resistance)：高电阻，对应磁道磁化方向和 GMR 固定钉扎层 (Direction of the pinning layer，磁化方向固定不变) 反向
- LR (Low Resistance)：低电阻，对应磁道磁化方向和钉扎层同向
运动关系：灰色箭头是外接转轴带动的外部旋转磁场方向，外磁场每旋转一圈，就会推动磁畴壁移动，改变磁道的磁化方向。

图9 ADTM4000 内部磁道组合

计数编码原理

对于 2 圈容量的传感器，只需要 2 条磁道，就能通过不同的电阻组合编码 2 种不同的累计圈数状态：

第一种状态（水平方向磁化）：蓝色磁道→LR（低阻）、红色磁道→HR（高阻），对应第 1 个圈数状态
第二种状态（垂直方向磁化）：红色磁道→HR（高阻）、蓝色磁道→LR（低阻），对应第 2 个圈数状态

芯片只需要测量两条磁道的电阻组合，就能直接读出当前的累计圈数，不需要额外的计数电路。下图（图10）为 ADMT4000 中原理工作演示机理分析：

图10 ADMT4000 多圈传感器畴壁计数+GMR 读出方案的原理验证示例

象限检测：解决 180° 检测范围限制

ADMT4000 的单圈角度检测基于 AMR 传感器，但原生AMR 只能输出0°~180°的角度，无法区分0~180°和180~360°区间。因此，ADMT4000 增加了象限检测模块 (Quadrant Detection)，将角度范围扩展为完整360°，且该模块独立于GMR多圈计数单元，功能互不干扰。

- 结构设计特点：

采用两个互相垂直正交（成90°）的 GMR 检测单元，分别为水平方向的 QD_H 和垂直方向的 QD_V；
每个 GMR 单元两端都集成畴壁发生器（DWG），带来两个核心优势：
- 迟滞更低：检测迟滞小于 45°，精度优于多圈计数单元；
- 抗干扰更强：两端 DWG 共同维持 GMR 单元的稳定磁化状态，拓宽了磁工作窗口，降低外界磁场干扰的影响。

- 编码检测原理：

1. 电阻变化与象限编码（图11右上）：随着外磁场从 0° 旋转到 360°，QD_H 和 QD_V 的 GMR 电阻会呈现错开 90° 的高低变化，不同角度区间对应唯一的高低电阻组合，正好编码出 4 个象限：

2. 象限编码对应（图11右下）：直观展示了四个象限的磁化方向和对应编码，箭头代表 GMR 单元的磁化方向，芯片通过读取编码就能直接判断当前 AMR 角度处于 360° 的哪个象限。

图11 ADMT4000 多圈传感器象限检测（Quadrant Detection）原理验证示例

整体作用总结

象限检测配合原生 AMR 传感器，让 ADMT4000 可以输出完整的 360° 单圈绝对角度，再结合 GMR 畴壁存储的非易失性多圈位置信息，最终 ADMT4000 单芯片就能输出完整的绝对多圈位置：既不需要额外外接传感器，也不需要备用电池就能实现断电位置记忆，完美满足伺服电机、人形机器人关节、工业线性模组的高精度位置检测需求。

（六）最终实测表现

从下图（图12）中可以清晰观察到：在整个测试范围（输入角度 -5000° ~ +20000°，对应累计 -14圈 ~ +55圈）内，橙色线（断电重启读出的结果）和蓝色线（连续通电的基准结果）几乎完全重合，输出和输入保持完美的 1:1 线性关系。

这直接证明了：ADMT4000 依靠【GMR 螺旋 (0~46圈) + GMR象限 (360°内定位) + AMR电桥 (±0.25°精度) 三者组合，实现了 0°~16,560° 范围内的绝对位置测量，精度 ±0.25°，断电不丢失】畴壁存储的累计圈数，断电后不会发生任何变化，重启后可以 100% 准确读出位置，完全不需要重新校准。