芯耀
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引言
人形機(jī)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(jù)摩根士丹利研報(bào)預(yù)測(cè)，到 2050 年，全球人形機(jī)器人市場(chǎng)收入有望達(dá)到 5 萬億美元，未來全球人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模甚至可能達(dá)到 60 萬億美元。這一藍(lán)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(dǎo)體行業(yè)帶來了前所未有的機(jī)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(dòng)器和精密傳感器件，用于構(gòu)建未來機(jī)器人的系統(tǒng)級(jí)綜合解決方案，旨在幫助工程師設(shè)計(jì)更安全、更智能、更緊湊的人形機(jī)器人。
人形機(jī)器人的市場(chǎng)機(jī)遇與技術(shù)挑戰(zhàn)
人形機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景極為廣泛，涵蓋工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、教育和研究等多個(gè)領(lǐng)域。其核心優(yōu)勢(shì)在于能夠模仿人類的動(dòng)作和決策能力，適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，人形機(jī)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(duì)尺寸和散熱的要求。這些挑戰(zhàn)對(duì)先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)提出了更高的要求。
一個(gè)能流暢行走、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓取的人形機(jī)器人，是如何被賦予“生命”的？
拆解人形機(jī)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(jī)控制
“兼具靈活肌腱和強(qiáng)大核心”
人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)是其動(dòng)作的核心，而關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)控制離不開高效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在典型的人形機(jī)器人架構(gòu)中，往往需要集成 30 個(gè)以上的分布式關(guān)節(jié)電機(jī)，形成高度復(fù)雜的多自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。這種密集的機(jī)電集成對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)需求，另一方面必須實(shí)現(xiàn)極致的空間利用率。TI 通過其先進(jìn)的電機(jī)控制技術(shù)，為機(jī)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(duì)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(jì)針對(duì)小型關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)需求優(yōu)化，特別適用于 1000W 級(jí)電驅(qū)系統(tǒng)。相比傳統(tǒng) MOSFET 方案，GaN FET 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸更小（體積縮減 50%以上），還能夠因?yàn)榫哂懈叩睦碚撔识行Ы档?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1521715.html">開關(guān)損耗，支持更高頻率的 PWM 控制，從而實(shí)現(xiàn)更平滑的電機(jī)電流波形和更精確的控制。
對(duì)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(dòng) DRV816X 。相對(duì)于傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動(dòng)，該方案具備更高的集成度，同時(shí)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(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(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(jìng)爭(zhēng)力.
- 視覺——毫米波雷達(dá)感應(yīng)和傳感器融合
“就像給機(jī)器人裝上了蝙蝠的回聲定位系統(tǒng)”
人形機(jī)器人的一個(gè)重要能力是探測(cè)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(dòng)一樣，人形機(jī)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(duì)于人形機(jī)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(cuò)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(yùn)行邊緣 AI 模型實(shí)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(shí)別，而毫米波雷達(dá)則通過點(diǎn)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(jī)器人在極端的（如火災(zāi)現(xiàn)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(cè)。憑借 (TüV) SüD 內(nèi)置的功能安全機(jī)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(jí)別滿足高達(dá) 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(tǒng)——單線對(duì)以太網(wǎng)破解內(nèi)部通信難題
“就像把雜亂的電報(bào)線路升級(jí)為光纖網(wǎng)絡(luò)”
先進(jìn)的人形機(jī)器人需要一個(gè)通信系統(tǒng)，不僅集成在空間受限的輕量級(jí)框架內(nèi)，同時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性上已難以滿足需求人形機(jī)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(jī)器人線束的重量和復(fù)雜度。基于 Arm? 的控制器 AM261為單線對(duì)以太網(wǎng)方案設(shè)計(jì)，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(diǎn)間 1-15ns 精度的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，并具備強(qiáng)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人取代人類工作或掌控世界的場(chǎng)景，但機(jī)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(jī)器人的演進(jìn)方向表明，其應(yīng)用場(chǎng)景將持續(xù)深化和擴(kuò)展。站在機(jī)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)。
