德州儀器人形機器人技術(shù)全景解析：系統(tǒng)級綜合解決方案

引言

人形機器人正成為全球科技與制造業(yè)的下一個爆發(fā)點。據(jù)摩根士丹利研報預(yù)測，到 2050 年，全球人形機器人市場收入有望達(dá)到 5 萬億美元，未來全球人形機器人市場規(guī)模甚至可能達(dá)到 60 萬億美元。這一藍(lán)海市場的崛起，不僅將重塑制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的格局，也為半導(dǎo)體行業(yè)帶來了前所未有的機遇。作為全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，德州儀器提供先進(jìn)的氮化鎵、柵極驅(qū)動器和精密傳感器件，用于構(gòu)建未來機器人的系統(tǒng)級綜合解決方案，旨在幫助工程師設(shè)計更安全、更智能、更緊湊的人形機器人。

人形機器人的市場機遇與技術(shù)挑戰(zhàn)

人形機器人的應(yīng)用場景極為廣泛，涵蓋工業(yè)自動化、醫(yī)療保健、教育和研究等多個領(lǐng)域。其核心優(yōu)勢在于能夠模仿人類的動作和決策能力，適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。然而，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，人形機器人的開發(fā)仍面臨著多重挑戰(zhàn)：高精度關(guān)節(jié)控制、復(fù)雜環(huán)境感知、高效內(nèi)部通信以及對尺寸和散熱的要求。這些挑戰(zhàn)對先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)提出了更高的要求。

一個能流暢行走、實現(xiàn)精準(zhǔn)抓取的人形機器人，是如何被賦予“生命”的？

拆解人形機器人中的核心半導(dǎo)體技術(shù)

• 關(guān)節(jié)——高功率密度、高精度的電機控制

“兼具靈活肌腱和強大核心”

人形機器人的關(guān)節(jié)是其動作的核心，而關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)控制離不開高效的電機驅(qū)動系統(tǒng)。在典型的人形機器人架構(gòu)中，往往需要集成 30 個以上的分布式關(guān)節(jié)電機，形成高度復(fù)雜的多自由度運動系統(tǒng)。這種密集的機電集成對驅(qū)動系統(tǒng)提出了雙重挑戰(zhàn)：一方面需要滿足不同關(guān)節(jié)的差異化驅(qū)動需求，另一方面必須實現(xiàn)極致的空間利用率。TI 通過其先進(jìn)的電機控制技術(shù)，為機器人關(guān)節(jié)提供了高精度、高響應(yīng)的解決方案。

手指、手腕等小型關(guān)節(jié)對控制精度和功率密度要求極高?；诘?(GaN) 技術(shù)開發(fā)的 48V/16A 三相逆變器參考設(shè)計針對小型關(guān)節(jié)驅(qū)動需求優(yōu)化，特別適用于 1000W 級電驅(qū)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng) MOSFET 方案，GaN FET 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸更?。w積縮減 50%以上），還能夠因為具有更高的理論效率而有效降低開關(guān)損耗，支持更高頻率的 PWM 控制，從而實現(xiàn)更平滑的電機電流波形和更精確的控制。

對于腰部、髖部等大功率關(guān)節(jié)，TI 推出了基于 MOSFET 的 4kW 的高功率的方案，使用了半橋智能驅(qū)動 DRV816X 。相對于傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動，該方案具備更高的集成度，同時集成過流保護(hù)，低側(cè)電流采樣及內(nèi)部拉灌電流功能。此外，該方案中使用了F28P65x實時微控制器，集成了 EtherCAT MAC 和完整的 USB 2.0（MAC + PHY），外掛兩顆 PHY 即可實現(xiàn) EtherCAT 菊花鏈。其 9x9 的封裝在業(yè)界 EtherCAT 小型化方案中同樣具備競爭力.

• 視覺——毫米波雷達(dá)感應(yīng)和傳感器融合

“就像給機器人裝上了蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)”

人形機器人的一個重要能力是探測和解讀物理環(huán)境：正如人類依靠感官進(jìn)行導(dǎo)航和與世界互動一樣，人形機器人也需要復(fù)雜的傳感系統(tǒng)來自主有效地執(zhí)行任務(wù)。與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)或攝像頭相比，毫米波雷達(dá)不受灰塵、霧霾或光線不足的影響，且功耗更低。但對于人形機器人而言，使用一種類型的傳感器可能存在數(shù)據(jù)收集不完整不準(zhǔn)確的局限性，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)航、物體操作和環(huán)境交互方面的錯誤。

TI 提出了一種創(chuàng)新的多傳感器融合方案——采用 AI 優(yōu)化的雷達(dá) SoC 和集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器的處理器架構(gòu)，即通過將攝像頭與 IWR6843 毫米波雷達(dá)相結(jié)合，在 AM62A 處理器上運行邊緣 AI 模型實現(xiàn)環(huán)境感知。該方案中，攝像頭基于 AI 模型完成人體視覺識別，而毫米波雷達(dá)則通過點云分析精確獲取人體輪廓和距離信息。

這一融合系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的環(huán)境適應(yīng)能力，可幫助機器人在極端的（如火災(zāi)現(xiàn)場、煙霧環(huán)境）場景下，仍能可靠地完成三維空間物體跟蹤與探測。憑借 (TüV) SüD 內(nèi)置的功能安全機制和器件安全認(rèn)證，TI 雷達(dá)器件可提供 IEC 61508 所需的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級別滿足高達(dá) SIL 2 的硬件功能，確保在關(guān)鍵任務(wù)場景下的可靠性保障。

• 神經(jīng)系統(tǒng)——單線對以太網(wǎng)破解內(nèi)部通信難題

“就像把雜亂的電報線路升級為光纖網(wǎng)絡(luò)”

先進(jìn)的人形機器人需要一個通信系統(tǒng)，不僅集成在空間受限的輕量級框架內(nèi)，同時滿足帶寬等通信接口要求，還可支持在眾多關(guān)節(jié)控件之間進(jìn)行實時高帶寬數(shù)據(jù)傳輸——傳統(tǒng)的 CAN 通信最高只能支持十兆，在帶寬和實時性上已難以滿足需求人形機器人百兆以上的通信速率要求。

TI 采用 SPE 技術(shù)和/或菊花鏈拓?fù)?/a>可以減小線束的整體尺寸（4 根百兆線纜到 2 根百兆線纜），顯著減輕了機器人線束的重量和復(fù)雜度?；?Arm? 的控制器 AM261為單線對以太網(wǎng)方案設(shè)計，內(nèi)置 PRU 模塊可支持 EtherCAT, Ethernet, PROFINET 等協(xié)議。該方案還集成 IEEE 802.1AS 協(xié)議，支持控制器與 I/O 節(jié)點間 1-15ns 精度的網(wǎng)絡(luò)時間同步，并具備強大的 EMI/EMC 抗干擾能力，符合工業(yè) IEC 和 CISPR 標(biāo)準(zhǔn)，能夠在機器人內(nèi)部的噪聲環(huán)境中穩(wěn)定工作。此外，電纜診斷功能則進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性。

結(jié)語

TI 通過電機控制、傳感器融合和高速通信三大核心技術(shù)的協(xié)同，構(gòu)建了人形機器人領(lǐng)域一套完整的解決方案。

盡管科幻電影時常描繪機器人取代人類工作或掌控世界的場景，但機器人技術(shù)的發(fā)展始終以拓展人類能力邊界為目標(biāo)。當(dāng)前人形機器人的演進(jìn)方向表明，其應(yīng)用場景將持續(xù)深化和擴展。站在機器人革命的前夜，德州儀器在芯片領(lǐng)域的現(xiàn)代化技術(shù)和成果，正在為未來更多可能性構(gòu)建基礎(chǔ)。