一文读懂德州仪器的人形机器人电机驱动和传感布局

电子发烧友网报道（文/吴子鹏）随着 AI 大模型、电机驱动和多模态传感等核心技术不断取得突破，人形机器人正处于技术突破与规模量产的临界点，展现出巨大的发展潜力。《人形机器人产业研究报告》指出，中国人形机器人市场规模预计在 2029 年将达到 750 亿元，2035 年更是有望突破 3000 亿元。

在电子发烧友网《人形机器人的电机控制和传感器》专题中，德州仪器公司中国区技术支持总监赵向源表示，在工业和个人生活领域，机器人正积极改善着人们的日常生活。人形机器人作为人工智能与机器人技术融合的产物，正迅速渗透至多个应用场景，尤其在护理和家庭领域展现出极大潜力。例如：​
·据估算，三分之二的老年人无法独立满足基本生活需求，需要依赖某种形式的支持或护理。人形机器人可协助医护人员完成日常护理任务，如帮助行动不便的患者移动、提供陪伴服务，甚至监测患者健康状况，从而减轻护理人员工作负担，提升护理质量。​
·在家庭场景中，人形机器人能够承担烹饪、清洁、整理等家务劳动，为用户提供更便捷、智能的生活方式。

德州仪器公司中国区技术支持总监赵向源

面对人形机器人这一历史性机遇，作为全球领先的半导体公司，德州仪器（TI）将如何应对？相信通过本文，大家能有深入了解。

人形机器人的芯片需求

芯片作为人形机器人 “大脑” 与 “神经中枢” 的核心载体，在其设计与实现中起着基础性、决定性作用。涉及的芯片类型包括 AI 主控芯片、运动控制芯片、通信芯片等。

赵向源认为，在人形机器人领域，芯片需求主要集中在控制精度、监测与安全扫描、灵活度以及功能安全等方面。具体表现为：​
·精度方面：人形机器人需完成复杂动作和任务，这对运动控制精度提出极高要求，因此高性能控制芯片至关重要。​
·监测方面：机器人在运行过程中需实时监测周围环境并进行安全扫描，以避免碰撞或意外发生，这对芯片的实时处理能力和传感器集成能力构成挑战。​
·灵活度方面：人形机器人要适应多样化场景和任务，芯片必须具备高度灵活性和可扩展性，以支持不同算法和功能需求。​
·功能安全方面：功能安全是机器人设计的核心，芯片必须满足严格的国际安全标准，确保机器人在各种环境下的可靠性和安全性。
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德州仪器在《类人机器人中的电机控制》技术资料中提到，目前，虽然针对协作机器人和工业机器人已制定相关标准，但尚无规定类人机器人功能安全要求的标准。随着需求持续增长，预计标准机构未来会为类人机器人规定安全要求。在规定安全要求之前，类人机器人设计人员必须对当前系统设计进行相应调研，以便在未来尽可能减少重新设计带来的工作量。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691-4 等标准可在一定程度上阐明未来预期。

人形机器人芯片需求的特殊性

从赵向源的描述中不难发现，人形机器人对芯片的需求与过往的工业机器人和消费类机器人存在显著差异。在具体应用中，这种差异或许体现得更为直观，比如在电机驱动和控制方面。

设计类人机器人驱动器需要精准、灵活和创新。与传统电机控制相比，人形机器人的电机控制需求更为复杂和多样化。人形机器人结构愈发复杂和精确，自由度（DOF）不断提高，这对不同位置的驱动器（如手部、脖颈、肩膀、肘部、腰部、髋部、膝盖、足踝）提出了多样化要求，需要在高精度控制、实时响应、多轴协同、能效优化以及安全性等方面实现全面突破。例如，在护理场景中，机器人需以毫米级精度完成抓取或辅助动作；在家庭场景中，机器人需在动态环境中快速调整姿态以避免碰撞。这些需求给电机控制技术带来了更高挑战。

为应对这些挑战，人形机器人设计人员需针对电机控制方案的特征性能进行专门优化，包括通信接口架构、位置感测、电机类型、电机控制算法、功率级要求、电子电路尺寸、功能安全等方面。例如，鉴于驱动器在机器人中的位置分布，优化与所有驱动器的通信，同时最大限度减少布线数量就显得尤为重要。实现优化的方法有多种，最常用的是菊花链通信和线性总线拓扑。

德州仪器在人形机器人电机驱动方面的布局

针对人形机器人（德州仪器称之为类人机器人）的特殊芯片需求，德州仪器提供了全面的集成电路产品系列，使工程师能够满足各种设计规格，从而构建出能与机器人环境顺畅交互的机器人。

赵向源谈到，基于德州仪器的器件和方案构建人形机器人具有三大显著优势：​
·智能安全紧凑的机器人电机驱动器：借助德州仪器 GaN 器件和栅极驱动器，能够构建小型、高效且安全的伺服驱动系统。高精度电流检测和编码器可实现更精确的电机控制。
·智能检测、感知和导航：德州仪器的处理器系列可提供感知、传感器融合和导航所需的高性能边缘 AI 计算。德州仪器毫米波雷达产品系列可实现类人机器人的高精度检测功能，增强机器人的环境感知和自主导航能力。​
·功能安全要求：通过德州仪器模拟和嵌入式集成电路的片上安全功能，以更低的系统级成本满足 IEC 61508、ISO 13849 和 ISO 26262 等安全标准，保障机器人在各种应用场景中的安全性和可靠性。

从《类人机器人中的电机控制》技术资料中可以看出，德州仪器在这项应用上拥有丰富的产品可供选择。下面我们围绕几颗典型芯片展开介绍。

首先是德州仪器于去年推出的一款基于新型 C29x 内核构建的 F29H85x。该产品是一款专为高性能电机控制设计的实时微控制器，在人形机器人领域的应用显著增强了电机控制系统的能力。其关键特性包括：具备高达 800 MHz 的主频和强大的浮点运算能力，能够实现微秒级的实时控制；专门针对最新的汽车和工业安全标准设计，完整性等级可达 ASIL-D 和 SIL-3；通过隔离式硬件安全模块（HSM）保护系统免受未经授权的访问和网络威胁；功能安全和信息安全单元（SSU）能够在不影响实时性能的情况下避免代码线程间的干扰。

F29H85x 出色的产品性能使人形机器人能够以极高精度完成复杂动作。其硬件诊断和错误检测功能可保障电机控制系统在复杂环境中的可靠性和安全性；支持多轴电机控制，能够同时处理多个关节的运动控制任务，例如在行走或抓取物体时保持平衡和灵活性；高效能效管理和低功耗设计显著延长了机器人的续航时间，使其更适合长时间运行的应用场景；丰富的接口和高精度模拟外设，便于与传感器、驱动器和其他子系统无缝连接。

其次是 AM261x 微控制器，这颗器件旨在满足下一代工业和汽车嵌入式项目复杂的实时处理和控制需求。AM261x 以独特方式将先进计算与出色的实时控制外设相结合，可满足混合动力汽车 / 电动汽车（车载充电器、直流 / 直流转换器、电池管理系统）、两轴伺服驱动器、工业数字电源控制（储能、串式逆变器）和其他通用实时受限系统等应用不断增长的性能需求。AM261x 可将多达两个 Cortex-R5F MCU、一个实时控制子系统（CONTROLSS）、一个硬件安全模块（HSM）和两个 Sitara 支持 TSN 的 PRU-ICSS 实例组合在一起，因此 AM261x 非常适合高级电机控制和数字电源控制应用，而这些都是人形机器人设计的关键刚需应用。

AM261x 微控制器里的 R5F 内核以集群形式排列，并具有 256KB 共享紧耦合存储器（TCM）和 1.5MB 共享 SRAM。对于不同的功能安全配置，可以选择将 Arm® 内核编程为使用锁步选项运行。片上存储器、外设和互连中包含广泛的 ECC，增强了可靠性。除了由 HSM 管理的细粒度防火墙之外，AM261x 器件上还提供加密加速和安全启动功能，供开发人员设计更为安全的系统。

赵向源称，德州仪器的器件充分考虑了冗余与功能安全合规性，并且提供有助于优化布板空间的多种更小型的封装选项，从而更好地适配于协作机器人、人形机器人等机器人的关节部位。此外，德州仪器的氮化镓（GaN）器件集成了栅极驱动器，实现了机器人在尺寸与效率上的双重优化。这不仅可帮助制造商缩小空间占用、优化功耗，还能最大限度提升机器人的性能，进而延长运行时间，增强负载能力。

除了性能领先的芯片，德州仪器还提供能够提升开发人员设计效率的参考设计。例如，针对人形机器人电机驱动器设计，该公司提供适用于集成电机驱动器的 48V/16A 小型三相 GaN 逆变器参考设计 TIDA-010936，以及适用于集成电机驱动器的 48V、4kW 小型三相逆变器参考设计 TIDA-010956 等方案。

TIDA-010936 展示了采用三个具有集成式 GaN FET、驱动器和自举二极管的 100V、35A GaN 半桥 LMG2100R044 的高功率密度 12V 至 60V 三相功率级，专门用于电机集成式伺服驱动器和机器人应用。通过使用 IN241A 电流检测放大器，实现了精确的相电流检测；同时测量了直流链路电压和相电压，从而能够验证诸如 InstaSPIN-FOC™等先进的无传感器设计。该设计提供与德州仪器 BoosterPack 兼容的 3.3V I/O 接口，用于连接 C2000™ MCU LaunchPad™开发套件或 Arm-based 微控制器，以便快速轻松地评估德州仪器的 GaN 技术。TIDA-010936 主要特性包括：
·在 40kHz PWM 下可实现高效率（峰值为 99.3%），支持在环境温度为 25°C、连续电流高达 16Arms 且无需安装散热器的情况下稳定运行。
·小型 GaN 半桥功率级可实现高功率密度并简化 PCB 布局。
·GaN 半桥支持在更高的 PWM 频率下运行，有助于降低直流总线电容器高度，同时使用陶瓷电容器替代电解电容器。​
·零反向恢复损耗可减少开关节点振荡。​
·16.6ns 的低死区时间更大限度地减少相电压失真。使用 1mΩ 分流器和具有高 PWM 抑制功能的电流检测放大器，对 ±33A 范围内的相电流进行精密检测。

TIDA-010956 展示了一款三相逆变器，其具有 48V 标称直流输入电压和 85ARMS 额定输出电流。100V 智能半桥栅极驱动器 DRV8162L 可实现小尺寸、稳健且高效的功率级。建议通过使用 RV8162L 的双电源架构的多通道关断路径，来实现安全转矩关闭（STO）功能。借助 DRV8162L 的内部 VDS 监测和保护功能，可为功率级提供击穿过流故障或输出短路保护。使用 INA241A，实现精密相电流检测。该设计提供一个 3.3V I/O 接口来连接 C2000™ MCU 等主机控制器，以便快速轻松地进行评估。TIDA-010956 主要特性包括：​
·具有 24V 直流至 60V 直流输入和 85ARMS 连续输出电流的三相逆变器。​
·DRV8162L 具有片上硬件保护的智能半桥栅极驱动器。​
·受到全面保护的功率级：击穿、过流、短路、欠压和过热保护。

赵向源表示，德州仪器携手工程师及原始设备制造商，共同应对功能安全合规性挑战，同时致力于物流和自动化领域解决方案的开发。在系统层面，德州仪器直面复杂的设计难题，提供多芯片或单芯片方案。德州仪器还率先实践，让各种机器人与员工并肩作战，助力提升生产效率。与此同时，德州仪器充分利用这些实战经验不断打磨产品质量，为未来发展奠定坚实基础。

德州仪器在人形机器人智能传感方面的布局

在感知方面，人形机器人需要通过多种传感器感知环境、获取数据，以实现导航、交互和操作等功能。其中，毫米波雷达可用于探测目标的距离、速度和角度，适用于复杂环境下的避障、人体检测和手势识别等应用。

赵向源指出，德州仪器的工业毫米波传感器不仅可提供距离信息，还能提供现场人员的相对速度信息，从而根据接近程度和接近速度触发机器人减速或停止。这些雷达传感器可在雨、烟、光线不足和多尘工厂条件等严苛环境中进行检测，相比基于视觉和激光雷达的传感器，能实现更多价值。其主要特性包括：​
·经 IEC 61508 认证，最高可达到 SIL 2 等级。​
·60GHz 和 77GHz 频段可在不同地区提供可扩展的部署。​
·FMCW 雷达测量物体的位置和速度。​
·3D 检测，高达 130º 的宽方位角覆盖范围。

同时，赵向源强调，传感器融合对于人形机器人至关重要，主要原因如下：首先，在人形机器人中仅使用一种类型的传感器存在明显局限性，包括数据收集不完整或不准确。例如，摄像头在深度感知、光线不足或探测非视觉元素时会遇到困难，而激光雷达传感器则会因机器人移动时激光上下跳动导致读数不准确。数据收集限制可能会引发导航、物体操作和环境交互方面的错误。其次，传感器融合技术通过集成来自多个传感器的数据，能够更准确、可靠和全面地了解机器人所处环境，从而解决上述问题。此外，通过结合来自各种传感模式的输入，仿人机器人可以做出更明智的决策，进而增强执行复杂任务的能力，例如在不平坦的地形中导航、抓取不同形状和大小的物体，以及在动态的真实世界环境中进行交互。

德州仪器也致力于提供传感融合方案，例如该公司提供摄像头和雷达传感器模块以及 IMX219 摄像头和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷达传感器。该模块实现了一种物体级融合方法，该方法应用了注重物体聚类和跟踪的摄像头 - 视觉处理链和雷达处理链，使用户能够跟踪和探测三维环境中的物体。用户通过机器人 SDK 演示了传感器融合的诸多潜能和功能。

赵向源在采访中表示，随着技术不断成熟和成本逐步下降，人形机器人将从工业、护理、家庭等传统领域扩展至教育、娱乐、零售等新兴领域，成为多行业的智能化助手。人工智能、5G、物联网等技术的深度融合将推动人形机器人向更智能、更互联的方向发展，使其能够更好地理解和适应复杂环境。

德州仪器深刻洞察到机器人技术持续且深远的影响，因此正全力以赴，期望利用半导体推动这一愿景的实现。在机器人技术领域，德州仪器致力于研发经济高效、性能卓越的器件，以灵活应对从简单到复杂的多样化任务，为企业提供坚实支撑，助力打造创新、杰出的终端产品。为克服当前及未来机器人在实际应用中可能面临的各种挑战，德州仪器已携手多家企业，共同开发传感器和电机控制解决方案。​