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作者：德州儀器 引言 人形機器人正成為全球科技與制造業(yè)的下一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)。據摩根士丹利研報預測，到 2050 年，全球人形機器人市場(chǎng)收入有望達到 5 萬(wàn)億美元，未來(lái)全球人形機器人市場(chǎng)規模甚至可能達到 60 萬(wàn)億美元。這一藍海市場(chǎng)的崛起，不僅將重塑制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的格局，也為半導體行業(yè)帶來(lái)了前所未有的機遇。作為全球領(lǐng)先的半導體公司，德州儀器提供先進(jìn)的氮化鎵、柵極驅動(dòng)器和精密傳感器件，用于構建未來(lái)機器人的系統級綜合解決方案，旨在幫助工程師設計更安全、更智能、更緊湊的人形機器人。 人形機器人的市場(chǎng)機遇與技術(shù)挑戰 人形機器人的應用場(chǎng)景極為廣泛，涵蓋工業(yè)自動(dòng)化、醫療保健、教育和研究等多個(gè)領(lǐng)域。其核心優(yōu)勢在于能夠模仿人類(lèi)的動(dòng)作和決策能力，適應復雜多變的環(huán)境。然而，要實(shí)現這一目標，人形機器人的開(kāi)發(fā)仍面臨著(zhù)多重挑戰：高精度關(guān)節控制、復雜環(huán)境感知、高效內部通信以及對尺寸和散熱的要求。這些挑戰對先進(jìn)的半導體技術(shù)提出了更高的要求。 一個(gè)能流暢行走、實(shí)現精準抓取的人形機器人，是如何被賦予“生命”的？ 拆解人形機器人中的核心半導體技術(shù) • 關(guān)節——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)節是其動(dòng)作的核心，而關(guān)節的精準控制離不開(kāi)高效的電機驅動(dòng)系統。在典型的人形機器人架構中，往往需要集成 30 個(gè)以上的分布式關(guān)節電機，形成高度復雜的多自由度運動(dòng)系統。這種密集的機電集成對驅動(dòng)系統提出了雙重挑戰：一方面需要滿(mǎn)足不同關(guān)節的差異化驅動(dòng)需求，另一方面必須實(shí)現極致的空間利用率。TI 通過(guò)其先進(jìn)的電機控制技術(shù)，為機器人關(guān)節提供了高精度、高響應的解決方案。 手指、手腕等小型關(guān)節對控制精度和功率密度要求極高�；诘� (GaN) 技術(shù)開(kāi)發(fā)的 48V/16A 三相逆變器參考設計針對小型關(guān)節驅動(dòng)需求優(yōu)化，特別適用于 1000W 級電驅系統。相比傳統 MOSFET 方案，GaN FET 不僅能夠實(shí)現尺寸更�。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(kāi)關(guān)損耗，支持更高頻率的 PWM 控制，從而實(shí)現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，TI 推出了基于 MOSFET 的 4kW 的高功率的方案，使用了半橋智能驅動(dòng) DRV816X 。相對于傳統的半橋驅動(dòng)，該方案具備更高的集成度，同時(shí)集成過(guò)流保護，低側電流采樣及內部拉灌電流功能。此外，該方案中使用了F28P65x實(shí)時(shí)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(shí)現 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(jué)——毫米波雷達感應和傳感器融合 “就像給機器人裝上了蝙蝠的回聲定位系統” 人形機器人的一個(gè)重要能力是探測和解讀物理環(huán)境：正如人類(lèi)依靠感官進(jìn)行導航和與世界互動(dòng)一樣，人形機器人也需要復雜的傳感系統來(lái)自主有效地執行任務(wù)。與傳統的激光雷達或攝像頭相比，毫米波雷達不受灰塵、霧霾或光線(xiàn)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(lèi)型的傳感器可能存在數據收集不完整不準確的局限性，進(jìn)而導致導航、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 SoC 和集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )加速器的處理器架構，即通過(guò)將攝像頭與 IWR6843 毫米波雷達相結合，在 AM62A 處理器上運行邊緣 AI 模型實(shí)現環(huán)境感知。該方案中，攝像頭基于 AI 模型完成人體視覺(jué)識別，而毫米波雷達則通過(guò)點(diǎn)云分析精確獲取人體輪廓和距離信息。 這一融合系統展現出卓越的環(huán)境適應能力，可幫助機器人在極端的（如火災現場(chǎng)、煙霧環(huán)境）場(chǎng)景下，仍能可靠地完成三維空間物體跟蹤與探測。憑借 (TüV) SüD 內置的功能安全機制和器件安全認證，TI 雷達器件可提供 IEC 61508 所需的必要診斷覆蓋范圍，可在元件級別滿(mǎn)足高達 SIL 2 的硬件功能，確保在關(guān)鍵任務(wù)場(chǎng)景下的可靠性保障。 神經(jīng)系統——單線(xiàn)對以太網(wǎng)破解內部通信難題 “就像把雜亂的電報線(xiàn)路升級為光纖網(wǎng)絡(luò )” 先進(jìn)的人形機器人需要一個(gè)通信系統，不僅集成在空間受限的輕量級框架內，同時(shí)滿(mǎn)足帶寬等通信接口要求，還可支持在眾多關(guān)節控件之間進(jìn)行實(shí)時(shí)高帶寬數據傳輸——傳統的 CAN 通信最高只能支持十兆，在帶寬和實(shí)時(shí)性上已難以滿(mǎn)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/或菊花鏈拓撲可以減小線(xiàn)束的整體尺寸（4 根百兆線(xiàn)纜到 2 根百兆線(xiàn)纜），顯著(zhù)減輕了機器人線(xiàn)束的重量和復雜度�；� Arm® 的控制器 AM261為單線(xiàn)對以太網(wǎng)方案設計，內置 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 節點(diǎn)間 1-15ns 精度的網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步，并具備強大的 EMI/EMC 抗干擾能力，符合工業(yè) IEC 和 CISPR 標準，能夠在機器人內部的噪聲環(huán)境中穩定工作。此外，電纜診斷功能則進(jìn)一步提高了系統的可靠性和可維護性。 結語(yǔ) TI 通過(guò)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(shí)常描繪機器人取代人類(lèi)工作或掌控世界的場(chǎng)景，但機器人技術(shù)的發(fā)展始終以拓展人類(lèi)能力邊界為目標。當前人形機器人的演進(jìn)方向表明，其應用場(chǎng)景將持續深化和擴展。站在機器人革命的前夜，德州儀器在芯片領(lǐng)域的現代化技術(shù)和成果，正在為未來(lái)更多可能性構建基礎。 |
