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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的下一個爆發點。據摩根士丹利研報預測，到 2050 年，全球人形機器人市場收入有望達到 5 萬億美元，未來全球人形機器人市場規模甚至可能達到 60 萬億美元。這一藍海市場的崛起，不僅將重塑制造業和服務業的格局，也為半導體行業帶來了前所未有的機遇。作為全球領先的半導體公司，德州儀器提供先進的氮化鎵、柵極驅動器和精密傳感器件，用于構建未來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。 人形機器人的市場機遇與技術挑戰 人形機器人的應用場景極為廣泛，涵蓋工業自動化、醫療保健、教育和研究等多個領域。其核心優勢在于能夠模仿人類的動作和決策能力，適應復雜多變的環境。然而，要實現這一目標，人形機器人的開發仍面臨著多重挑戰：高精度關節控制、復雜環境感知、高效內部通信以及對尺寸和散熱的要求。這些挑戰對先進的半導體技術提出了更高的要求。 一個能流暢行走、實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 • 關節——高功率密度、高精度的電機控制 “兼具靈活肌腱和強大核心” 人形機器人的關節是其動作的核心，而關節的精準控制離不開高效的電機驅動系統。在典型的人形機器人架構中，往往需要集成 30 個以上的分布式關節電機，形成高度復雜的多自由度運動系統。這種密集的機電集成對驅動系統提出了雙重挑戰：一方面需要滿足不同關節的差異化驅動需求，另一方面必須實現極致的空間利用率。TI 通過其先進的電機控制技術，為機器人關節提供了高精度、高響應的解決方案。 手指、手腕等小型關節對控制精度和功率密度要求極高。基于氮化鎵 (GaN) 技術開發的 48V/16A 三相逆變器參考設計針對小型關節驅動需求優化，特別適用于 1000W 級電驅系統。相比傳統 MOSFET 方案，GaN FET 不僅能夠實現尺寸更小（體積縮減 50%以上），還能夠因為具有更高的理論效率而有效降低開關損耗，支持更高頻率的 PWM 控制，從而實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 DRV816X 。相對于傳統的半橋驅動，該方案具備更高的集成度，同時集成過流保護，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 EtherCAT 菊花鏈。其 9x9 的封裝在業界 EtherCAT 小型化方案中同樣具備競爭力. 視覺——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” 人形機器人的一個重要能力是探測和解讀物理環境：正如人類依靠感官進行導航和與世界互動一樣，人形機器人也需要復雜的傳感系統來自主有效地執行任務。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據收集不完整不準確的局限性，進而導致導航、物體操作和環境交互方面的錯誤。 TI 提出了一種創新的多傳感器融合方案——采用 AI 優化的雷達 SoC 和集成神經網絡加速器的處理器架構，即通過將攝像頭與 IWR6843 毫米波雷達相結合，在 AM62A 處理器上運行邊緣 AI 模型實現環境感知。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。 這一融合系統展現出卓越的環境適應能力，可幫助機器人在極端的（如火災現場、煙霧環境）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，可在元件級別滿足高達 SIL 2 的硬件功能，確保在關鍵任務場景下的可靠性保障。 神經系統——單線對以太網破解內部通信難題 “就像把雜亂的電報線路升級為光纖網絡” 先進的人形機器人需要一個通信系統，不僅集成在空間受限的輕量級框架內，同時滿足帶寬等通信接口要求，還可支持在眾多關節控件之間進行實時高帶寬數據傳輸——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 技術和/或菊花鏈拓撲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雜度。基于 Arm® 的控制器 AM261為單線對以太網方案設計，內置 PRU 模塊可支持 EtherCAT, Ethernet, PROFINET 等協議。該方案還集成 IEEE 802.1AS 協議，支持控制器與 I/O 節點間 1-15ns 精度的網絡時間同步，并具備強大的 EMI/EMC 抗干擾能力，符合工業 IEC 和 CISPR 標準，能夠在機器人內部的噪聲環境中穩定工作。此外，電纜診斷功能則進一步提高了系統的可靠性和可維護性。 結語 TI 通過電機控制、傳感器融合和高速通信三大核心技術的協同，構建了人形機器人領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，但機器人技術的發展始終以拓展人類能力邊界為目標。當前人形機器人的演進方向表明，其應用場景將持續深化和擴展。站在機器人革命的前夜，德州儀器在芯片領域的現代化技術和成果，正在為未來更多可能性構建基礎。 |
