面向人形机器人的一维力传感器及其 ADI 方案

人形机器人实现触觉感知的重要部件是一维力传感器，其力感知系统需采用多层级传感架构，通过集成多维力传感器、关节扭矩传感器及一维拉力传感器实现协同控制。本文将介绍一维力传感器中 ADI 的方案，同时结合实际设计案例给出参考设计方案。

一维力传感器基于应变测量原理，实现单向力的精确检测。其核心结构包含弹性体和应变敏感元件两个部分：当被测力作用于弹性体时，会产生相应的机械形变，这种形变通过粘贴在弹性体表面的应变片转换为电阻变化。通过惠斯通电桥电路，可以将微小的电阻变化转换为可测量的电压信号，从而实现对作用力的精确量化。

一维力传感器展现出独特的单向测量特性，其测量性能与作用力的方向密切相关。该传感器的基准坐标系以 OZ 轴为测量主轴，当被测力矢量 F 与 OZ 轴完全重合时，系统能够实现最优测量精度。这种设计使其特别适用于作用方向明确的应用场景。

人形机器人的力感知系统需采用多层级传感架构，通过集成多维力传感器、关节扭矩传感器及一维拉力传感器实现协同控制。以典型人形平台为例，其足部设计常在跖骨区域部署一维力传感器阵列，通过分布式测量策略获取高密度接触力信息。这种配置显著提升了机器人对非结构化地形（如松散砂石、弹性表面）的适应性，为步态控制提供更精细的地面反作用力数据。如特斯拉 Optimus 前部在脚趾部位增加了一维力传感器：

MAX40109 是一款低功耗、精密传感器接口 SoC，集成高精度、可编程模拟前端（AFE）、模数转换器（ADC）、校准存储器和数字信号处理，此外还包括一个带输出缓冲器的数模转换器（DAC），支持模拟电压输出和 4mA-20mA 电流环路。

该器件通过单次流校准技术，革新传统压力传感标定流程：

• 消除传统方案必需的双阶段标定工序，缩短工厂校准时间 ≥30%
• 利用 DSP 实现传感器非线性实时补偿，省去多达 10 个激光修调电阻
• 内置温度测量模块直接从传感器电桥获取温度数据，无需外置热敏电阻

系统级优化使整体方案占板面积缩减至传统设计的 30% 以下，显著降低 BOM 成本与生产复杂度。

下面笔者将使用 MAX40109EVSYS 适配市面上两款常见的一维力传感器本体来分析测试细节。MAX40109EVSYS 分为三个部分：

1、MAX40109 板载开发板
2、板载微控制器（MAX32666）用于评估 MAX40109
3、 USB 线缆 

测试同时还需要准备以下这些物件：

1、3V 至 36V，100mA 直流电源；2.75V 至 6V，100mA 直流电源

2、两个直流电压源

3、电压表

4、安装好 MAX40109 GUI 上位机的电脑

本次测试选用两款常见一维力传感器：微型一维力传感器与大型压力称重型维力传感器。如下图（图5）所示：

将 3V-36V 电源设为 5V 输出；正极接评估板 VDDHV 测试点；负极接 AGND 测试点。

测量 VDD5V 测试点电压值（因为 MAX40109 内部自带 LDO；可以给传感器本体进行 5V 供电）。

设置 2.75V-6V 电源输出正极接 VDDA5 测试点；负极接 DGND 测试点；用于方便测试。

需要将一维力传感器的 IN+ 以及 IN- 和 MAX40109 输入端对应连接（注意有的传感器本体需要 5V 供电）；
硬件环境搭建完毕后如下图所示：

打开 GUI 文件上位机，如下图（图8）所示 MAX40109 的初始化均适配完成；同时 MAX32666 的 USB GATE 可以正常扫到该芯片。

1. 在 Configuration Register 分组框中：
   • 从 Pressure Cal 下拉菜单选择 Bypass (Raw Mode)
   • 默认 PGA Gain 值为 10
   • 在右侧 Analog Output Stage 下拉菜单中选择所需参数
2. 完成参数配置后，点击 Set All 按钮提交设置

此时点击 ADC READING 可以进行实时参数的采集；ADC 读数标签页实时显示 RAM 寄存器中的压力与温度测量值，包含以下两类数据：

• 校准数据：经 DSP 算法处理后的补偿值
• 原始数据：传感器直接输出的未处理原始值；同时进阶的话可以针对两组数据进行实时的数据分析

如下图（图10）所示：

在上位机软件操作实现校准：以压力校准为例。操作步骤如下：

• 进入 Register Settings 标签页
• 在 Configuration Register 分组框中：
  • Pressure Cal 下拉菜单选择 Bypass (Raw Mode)
  • 保持以下偏移校准选项为默认状态
    • 修调电阻-已连接 (Trim Resistor-Connected)
    • 电流源-禁用 (Current Source-Disconnected)
    • PGA 模式-正常 (PGA Mode-Normal)
• 点击 Set All 提交配置

• 切换至 MTP 标签页，在 CONFIG MTP (0x44) 寄存器中输入 0x404D
• 依次点击：Initialize→Write

• 在 MTP 标签页中：定位 ZERO_PRESSURE_OFFSET (0x3D) 寄存器
• 在值字段输入偏移量依次点击：Initialize→Write

• 进入 RAM 标签页读取 Uncalibrated Pressure (0x06) 寄存器值
• 记录原始压力代码

• 打开 Calibration 标签页，在 T0 and Pout 分组框中：
  • 输入用户计算的补偿系数
• 未使用系数填 0，依次点击：Initialize→Write（可重复修改）
• ⚠️仅最终确认后点击 Burn（限次烧录）

• 返回 Register Settings 标签页，Pressure Cal 下拉菜单改选 Enabled (默认模式)
• 点击 Set All 激活补偿

• 在 RAM 标签页读取 Calibrated Pressure (0x0F) 寄存器
• 对比目标压力下校准前后数据

人形机器人的力感知系统需采用多层级传感架构，通过集成多维力传感器、关节扭矩传感器及一维拉力传感器实现协同控制。本文以典型人形平台为例，详细介绍了一维力传感器在机器人中的应用背景，并重点阐述了一维力传感器中 ADI 的方案，同时结合实际设计案例给出参考设计方案。

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