一文讀懂德州儀器的人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感布局

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬）隨著 AI 大模型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和多模態(tài)傳感等核心技術(shù)不斷取得突破，人形機(jī)器人正處于技術(shù)突破與規(guī)模量產(chǎn)的臨界點(diǎn)，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿??！度诵螜C(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告》指出，中國(guó)人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在 2029 年將達(dá)到 750 億元，2035 年更是有望突破 3000 億元。

在電子發(fā)燒友網(wǎng)《人形機(jī)器人的電機(jī)控制和傳感器》專(zhuān)題中，德州儀器公司中國(guó)區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)趙向源表示，在工業(yè)和個(gè)人生活領(lǐng)域，機(jī)器人正積極改善著人們的日常生活。人形機(jī)器人作為人工智能與機(jī)器人技術(shù)融合的產(chǎn)物，正迅速滲透至多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，尤其在護(hù)理和家庭領(lǐng)域展現(xiàn)出極大潛力。例如：?
·據(jù)估算，三分之二的老年人無(wú)法獨(dú)立滿足基本生活需求，需要依賴(lài)某種形式的支持或護(hù)理。人形機(jī)器人可協(xié)助醫(yī)護(hù)人員完成日常護(hù)理任務(wù)，如幫助行動(dòng)不便的患者移動(dòng)、提供陪伴服務(wù)，甚至監(jiān)測(cè)患者健康狀況，從而減輕護(hù)理人員工作負(fù)擔(dān)，提升護(hù)理質(zhì)量。?
·在家庭場(chǎng)景中，人形機(jī)器人能夠承擔(dān)烹飪、清潔、整理等家務(wù)勞動(dòng)，為用戶提供更便捷、智能的生活方式。

德州儀器公司中國(guó)區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)趙向源

面對(duì)人形機(jī)器人這一歷史性機(jī)遇，作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，德州儀器（TI）將如何應(yīng)對(duì)？相信通過(guò)本文，大家能有深入了解。

人形機(jī)器人的芯片需求

芯片作為人形機(jī)器人 “大腦” 與 “神經(jīng)中樞” 的核心載體，在其設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中起著基礎(chǔ)性、決定性作用。涉及的芯片類(lèi)型包括 AI 主控芯片、運(yùn)動(dòng)控制芯片、通信芯片等。

趙向源認(rèn)為，在人形機(jī)器人領(lǐng)域，芯片需求主要集中在控制精度、監(jiān)測(cè)與安全掃描、靈活度以及功能安全等方面。具體表現(xiàn)為：?
·精度方面：人形機(jī)器人需完成復(fù)雜動(dòng)作和任務(wù)，這對(duì)運(yùn)動(dòng)控制精度提出極高要求，因此高性能控制芯片至關(guān)重要。?
·監(jiān)測(cè)方面：機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境并進(jìn)行安全掃描，以避免碰撞或意外發(fā)生，這對(duì)芯片的實(shí)時(shí)處理能力和傳感器集成能力構(gòu)成挑戰(zhàn)。?
·靈活度方面：人形機(jī)器人要適應(yīng)多樣化場(chǎng)景和任務(wù)，芯片必須具備高度靈活性和可擴(kuò)展性，以支持不同算法和功能需求。?
·功能安全方面：功能安全是機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心，芯片必須滿足嚴(yán)格的國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，確保機(jī)器人在各種環(huán)境下的可靠性和安全性。
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德州儀器在《類(lèi)人機(jī)器人中的電機(jī)控制》技術(shù)資料中提到，目前，雖然針對(duì)協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但尚無(wú)規(guī)定類(lèi)人機(jī)器人功能安全要求的標(biāo)準(zhǔn)。隨著需求持續(xù)增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)未來(lái)會(huì)為類(lèi)人機(jī)器人規(guī)定安全要求。在規(guī)定安全要求之前，類(lèi)人機(jī)器人設(shè)計(jì)人員必須對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)研，以便在未來(lái)盡可能減少重新設(shè)計(jì)帶來(lái)的工作量。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691-4 等標(biāo)準(zhǔn)可在一定程度上闡明未來(lái)預(yù)期。

人形機(jī)器人芯片需求的特殊性

從趙向源的描述中不難發(fā)現(xiàn)，人形機(jī)器人對(duì)芯片的需求與過(guò)往的工業(yè)機(jī)器人和消費(fèi)類(lèi)機(jī)器人存在顯著差異。在具體應(yīng)用中，這種差異或許體現(xiàn)得更為直觀，比如在電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制方面。

設(shè)計(jì)類(lèi)人機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器需要精準(zhǔn)、靈活和創(chuàng)新。與傳統(tǒng)電機(jī)控制相比，人形機(jī)器人的電機(jī)控制需求更為復(fù)雜和多樣化。人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜和精確，自由度（DOF）不斷提高，這對(duì)不同位置的驅(qū)動(dòng)器（如手部、脖頸、肩膀、肘部、腰部、髖部、膝蓋、足踝）提出了多樣化要求，需要在高精度控制、實(shí)時(shí)響應(yīng)、多軸協(xié)同、能效優(yōu)化以及安全性等方面實(shí)現(xiàn)全面突破。例如，在護(hù)理場(chǎng)景中，機(jī)器人需以毫米級(jí)精度完成抓取或輔助動(dòng)作；在家庭場(chǎng)景中，機(jī)器人需在動(dòng)態(tài)環(huán)境中快速調(diào)整姿態(tài)以避免碰撞。這些需求給電機(jī)控制技術(shù)帶來(lái)了更高挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，人形機(jī)器人設(shè)計(jì)人員需針對(duì)電機(jī)控制方案的特征性能進(jìn)行專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，包括通信接口架構(gòu)、位置感測(cè)、電機(jī)類(lèi)型、電機(jī)控制算法、功率級(jí)要求、電子電路尺寸、功能安全等方面。例如，鑒于驅(qū)動(dòng)器在機(jī)器人中的位置分布，優(yōu)化與所有驅(qū)動(dòng)器的通信，同時(shí)最大限度減少布線數(shù)量就顯得尤為重要。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的方法有多種，最常用的是菊花鏈通信和線性總線拓?fù)洹?br />

德州儀器在人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面的布局

針對(duì)人形機(jī)器人（德州儀器稱(chēng)之為類(lèi)人機(jī)器人）的特殊芯片需求，德州儀器提供了全面的集成電路產(chǎn)品系列，使工程師能夠滿足各種設(shè)計(jì)規(guī)格，從而構(gòu)建出能與機(jī)器人環(huán)境順暢交互的機(jī)器人。

趙向源談到，基于德州儀器的器件和方案構(gòu)建人形機(jī)器人具有三大顯著優(yōu)勢(shì)：?
·智能安全緊湊的機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)器：借助德州儀器 GaN 器件和柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠構(gòu)建小型、高效且安全的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。高精度電流檢測(cè)和編碼器可實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)控制。
·智能檢測(cè)、感知和導(dǎo)航：德州儀器的處理器系列可提供感知、傳感器融合和導(dǎo)航所需的高性能邊緣 AI 計(jì)算。德州儀器毫米波雷達(dá)產(chǎn)品系列可實(shí)現(xiàn)類(lèi)人機(jī)器人的高精度檢測(cè)功能，增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境感知和自主導(dǎo)航能力。?
·功能安全要求：通過(guò)德州儀器模擬和嵌入式集成電路的片上安全功能，以更低的系統(tǒng)級(jí)成本滿足 IEC 61508、ISO 13849 和 ISO 26262 等安全標(biāo)準(zhǔn)，保障機(jī)器人在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的安全性和可靠性。

從《類(lèi)人機(jī)器人中的電機(jī)控制》技術(shù)資料中可以看出，德州儀器在這項(xiàng)應(yīng)用上擁有豐富的產(chǎn)品可供選擇。下面我們圍繞幾顆典型芯片展開(kāi)介紹。

首先是德州儀器于去年推出的一款基于新型 C29x 內(nèi)核構(gòu)建的 F29H85x。該產(chǎn)品是一款專(zhuān)為高性能電機(jī)控制設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)微控制器，在人形機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用顯著增強(qiáng)了電機(jī)控制系統(tǒng)的能力。其關(guān)鍵特性包括：具備高達(dá) 800 MHz 的主頻和強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級(jí)的實(shí)時(shí)控制；專(zhuān)門(mén)針對(duì)最新的汽車(chē)和工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，完整性等級(jí)可達(dá) ASIL-D 和 SIL-3；通過(guò)隔離式硬件安全模塊（HSM）保護(hù)系統(tǒng)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)威脅；功能安全和信息安全單元（SSU）能夠在不影響實(shí)時(shí)性能的情況下避免代碼線程間的干擾。

F29H85x 出色的產(chǎn)品性能使人形機(jī)器人能夠以極高精度完成復(fù)雜動(dòng)作。其硬件診斷和錯(cuò)誤檢測(cè)功能可保障電機(jī)控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性和安全性；支持多軸電機(jī)控制，能夠同時(shí)處理多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，例如在行走或抓取物體時(shí)保持平衡和靈活性；高效能效管理和低功耗設(shè)計(jì)顯著延長(zhǎng)了機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間，使其更適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的應(yīng)用場(chǎng)景；豐富的接口和高精度模擬外設(shè)，便于與傳感器、驅(qū)動(dòng)器和其他子系統(tǒng)無(wú)縫連接。

其次是 AM261x 微控制器，這顆器件旨在滿足下一代工業(yè)和汽車(chē)嵌入式項(xiàng)目復(fù)雜的實(shí)時(shí)處理和控制需求。AM261x 以獨(dú)特方式將先進(jìn)計(jì)算與出色的實(shí)時(shí)控制外設(shè)相結(jié)合，可滿足混合動(dòng)力汽車(chē) / 電動(dòng)汽車(chē)（車(chē)載充電器、直流 / 直流轉(zhuǎn)換器、電池管理系統(tǒng)）、兩軸伺服驅(qū)動(dòng)器、工業(yè)數(shù)字電源控制（儲(chǔ)能、串式逆變器）和其他通用實(shí)時(shí)受限系統(tǒng)等應(yīng)用不斷增長(zhǎng)的性能需求。AM261x 可將多達(dá)兩個(gè) Cortex-R5F MCU、一個(gè)實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)（CONTROLSS）、一個(gè)硬件安全模塊（HSM）和兩個(gè) Sitara 支持 TSN 的 PRU-ICSS 實(shí)例組合在一起，因此 AM261x 非常適合高級(jí)電機(jī)控制和數(shù)字電源控制應(yīng)用，而這些都是人形機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵剛需應(yīng)用。

AM261x 微控制器里的 R5F 內(nèi)核以集群形式排列，并具有 256KB 共享緊耦合存儲(chǔ)器（TCM）和 1.5MB 共享 SRAM。對(duì)于不同的功能安全配置，可以選擇將 Arm? 內(nèi)核編程為使用鎖步選項(xiàng)運(yùn)行。片上存儲(chǔ)器、外設(shè)和互連中包含廣泛的 ECC，增強(qiáng)了可靠性。除了由 HSM 管理的細(xì)粒度防火墻之外，AM261x 器件上還提供加密加速和安全啟動(dòng)功能，供開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)更為安全的系統(tǒng)。

趙向源稱(chēng)，德州儀器的器件充分考慮了冗余與功能安全合規(guī)性，并且提供有助于優(yōu)化布板空間的多種更小型的封裝選項(xiàng)，從而更好地適配于協(xié)作機(jī)器人、人形機(jī)器人等機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位。此外，德州儀器的氮化鎵（GaN）器件集成了柵極驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在尺寸與效率上的雙重優(yōu)化。這不僅可幫助制造商縮小空間占用、優(yōu)化功耗，還能最大限度提升機(jī)器人的性能，進(jìn)而延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，增強(qiáng)負(fù)載能力。

除了性能領(lǐng)先的芯片，德州儀器還提供能夠提升開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)效率的參考設(shè)計(jì)。例如，針對(duì)人形機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，該公司提供適用于集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 48V/16A 小型三相 GaN 逆變器參考設(shè)計(jì) TIDA-010936，以及適用于集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的 48V、4kW 小型三相逆變器參考設(shè)計(jì) TIDA-010956 等方案。

TIDA-010936 展示了采用三個(gè)具有集成式 GaN FET、驅(qū)動(dòng)器和自舉二極管的 100V、35A GaN 半橋 LMG2100R044 的高功率密度 12V 至 60V 三相功率級(jí)，專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)集成式伺服驅(qū)動(dòng)器和機(jī)器人應(yīng)用。通過(guò)使用 IN241A 電流檢測(cè)放大器，實(shí)現(xiàn)了精確的相電流檢測(cè)；同時(shí)測(cè)量了直流鏈路電壓和相電壓，從而能夠驗(yàn)證諸如 InstaSPIN-FOC?等先進(jìn)的無(wú)傳感器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)提供與德州儀器 BoosterPack 兼容的 3.3V I/O 接口，用于連接 C2000? MCU LaunchPad?開(kāi)發(fā)套件或 Arm-based 微控制器，以便快速輕松地評(píng)估德州儀器的 GaN 技術(shù)。TIDA-010936 主要特性包括：
·在 40kHz PWM 下可實(shí)現(xiàn)高效率（峰值為 99.3%），支持在環(huán)境溫度為 25°C、連續(xù)電流高達(dá) 16Arms 且無(wú)需安裝散熱器的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。
·小型 GaN 半橋功率級(jí)可實(shí)現(xiàn)高功率密度并簡(jiǎn)化 PCB 布局。
·GaN 半橋支持在更高的 PWM 頻率下運(yùn)行，有助于降低直流總線電容器高度，同時(shí)使用陶瓷電容器替代電解電容器。?
·零反向恢復(fù)損耗可減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振蕩。?
·16.6ns 的低死區(qū)時(shí)間更大限度地減少相電壓失真。使用 1mΩ 分流器和具有高 PWM 抑制功能的電流檢測(cè)放大器，對(duì) ±33A 范圍內(nèi)的相電流進(jìn)行精密檢測(cè)。

TIDA-010956 展示了一款三相逆變器，其具有 48V 標(biāo)稱(chēng)直流輸入電壓和 85ARMS 額定輸出電流。100V 智能半橋柵極驅(qū)動(dòng)器 DRV8162L 可實(shí)現(xiàn)小尺寸、穩(wěn)健且高效的功率級(jí)。建議通過(guò)使用 RV8162L 的雙電源架構(gòu)的多通道關(guān)斷路徑，來(lái)實(shí)現(xiàn)安全轉(zhuǎn)矩關(guān)閉（STO）功能。借助 DRV8162L 的內(nèi)部 VDS 監(jiān)測(cè)和保護(hù)功能，可為功率級(jí)提供擊穿過(guò)流故障或輸出短路保護(hù)。使用 INA241A，實(shí)現(xiàn)精密相電流檢測(cè)。該設(shè)計(jì)提供一個(gè) 3.3V I/O 接口來(lái)連接 C2000? MCU 等主機(jī)控制器，以便快速輕松地進(jìn)行評(píng)估。TIDA-010956 主要特性包括：?
·具有 24V 直流至 60V 直流輸入和 85ARMS 連續(xù)輸出電流的三相逆變器。?
·DRV8162L 具有片上硬件保護(hù)的智能半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。?
·受到全面保護(hù)的功率級(jí)：擊穿、過(guò)流、短路、欠壓和過(guò)熱保護(hù)。

趙向源表示，德州儀器攜手工程師及原始設(shè)備制造商，共同應(yīng)對(duì)功能安全合規(guī)性挑戰(zhàn)，同時(shí)致力于物流和自動(dòng)化領(lǐng)域解決方案的開(kāi)發(fā)。在系統(tǒng)層面，德州儀器直面復(fù)雜的設(shè)計(jì)難題，提供多芯片或單芯片方案。德州儀器還率先實(shí)踐，讓各種機(jī)器人與員工并肩作戰(zhàn)，助力提升生產(chǎn)效率。與此同時(shí)，德州儀器充分利用這些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)不斷打磨產(chǎn)品質(zhì)量，為未來(lái)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

德州儀器在人形機(jī)器人智能傳感方面的布局

在感知方面，人形機(jī)器人需要通過(guò)多種傳感器感知環(huán)境、獲取數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、交互和操作等功能。其中，毫米波雷達(dá)可用于探測(cè)目標(biāo)的距離、速度和角度，適用于復(fù)雜環(huán)境下的避障、人體檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別等應(yīng)用。

趙向源指出，德州儀器的工業(yè)毫米波傳感器不僅可提供距離信息，還能提供現(xiàn)場(chǎng)人員的相對(duì)速度信息，從而根據(jù)接近程度和接近速度觸發(fā)機(jī)器人減速或停止。這些雷達(dá)傳感器可在雨、煙、光線不足和多塵工廠條件等嚴(yán)苛環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)，相比基于視覺(jué)和激光雷達(dá)的傳感器，能實(shí)現(xiàn)更多價(jià)值。其主要特性包括：?
·經(jīng) IEC 61508 認(rèn)證，最高可達(dá)到 SIL 2 等級(jí)。?
·60GHz 和 77GHz 頻段可在不同地區(qū)提供可擴(kuò)展的部署。?
·FMCW 雷達(dá)測(cè)量物體的位置和速度。?
·3D 檢測(cè)，高達(dá) 130o 的寬方位角覆蓋范圍。

同時(shí)，趙向源強(qiáng)調(diào)，傳感器融合對(duì)于人形機(jī)器人至關(guān)重要，主要原因如下：首先，在人形機(jī)器人中僅使用一種類(lèi)型的傳感器存在明顯局限性，包括數(shù)據(jù)收集不完整或不準(zhǔn)確。例如，攝像頭在深度感知、光線不足或探測(cè)非視覺(jué)元素時(shí)會(huì)遇到困難，而激光雷達(dá)傳感器則會(huì)因機(jī)器人移動(dòng)時(shí)激光上下跳動(dòng)導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。數(shù)據(jù)收集限制可能會(huì)引發(fā)導(dǎo)航、物體操作和環(huán)境交互方面的錯(cuò)誤。其次，傳感器融合技術(shù)通過(guò)集成來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，能夠更準(zhǔn)確、可靠和全面地了解機(jī)器人所處環(huán)境，從而解決上述問(wèn)題。此外，通過(guò)結(jié)合來(lái)自各種傳感模式的輸入，仿人機(jī)器人可以做出更明智的決策，進(jìn)而增強(qiáng)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力，例如在不平坦的地形中導(dǎo)航、抓取不同形狀和大小的物體，以及在動(dòng)態(tài)的真實(shí)世界環(huán)境中進(jìn)行交互。

德州儀器也致力于提供傳感融合方案，例如該公司提供攝像頭和雷達(dá)傳感器模塊以及 IMX219 攝像頭和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷達(dá)傳感器。該模塊實(shí)現(xiàn)了一種物體級(jí)融合方法，該方法應(yīng)用了注重物體聚類(lèi)和跟蹤的攝像頭 - 視覺(jué)處理鏈和雷達(dá)處理鏈，使用戶能夠跟蹤和探測(cè)三維環(huán)境中的物體。用戶通過(guò)機(jī)器人 SDK 演示了傳感器融合的諸多潛能和功能。

趙向源在采訪中表示，隨著技術(shù)不斷成熟和成本逐步下降，人形機(jī)器人將從工業(yè)、護(hù)理、家庭等傳統(tǒng)領(lǐng)域擴(kuò)展至教育、娛樂(lè)、零售等新興領(lǐng)域，成為多行業(yè)的智能化助手。人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的深度融合將推動(dòng)人形機(jī)器人向更智能、更互聯(lián)的方向發(fā)展，使其能夠更好地理解和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境。

德州儀器深刻洞察到機(jī)器人技術(shù)持續(xù)且深遠(yuǎn)的影響，因此正全力以赴，期望利用半導(dǎo)體推動(dòng)這一愿景的實(shí)現(xiàn)。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，德州儀器致力于研發(fā)經(jīng)濟(jì)高效、性能卓越的器件，以靈活應(yīng)對(duì)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的多樣化任務(wù)，為企業(yè)提供堅(jiān)實(shí)支撐，助力打造創(chuàng)新、杰出的終端產(chǎn)品。為克服當(dāng)前及未來(lái)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中可能面臨的各種挑戰(zhàn)，德州儀器已攜手多家企業(yè)，共同開(kāi)發(fā)傳感器和電機(jī)控制解決方案。?