電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）人形機(jī)器人的控制鏈和感知鏈，構(gòu)成了其實(shí)現(xiàn)智能化操作與環(huán)境交互的核心技術(shù)體系。憑借控制鏈與感知鏈的深度協(xié)同，人形機(jī)器人正逐步攻克非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的多任務(wù)執(zhí)行難題，成為工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的關(guān)鍵生產(chǎn)力工具。

在電子發(fā)燒友網(wǎng)《人形機(jī)器人的電機(jī)控制和傳感器》專題中，我們特邀納芯微技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理高峰、陳旭驊兩位技術(shù)專家。他們分享了納芯微公司在人形機(jī)器人控制鏈和感知鏈方面的布局與具體實(shí)踐，以及這兩大領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。本文為上篇，主要聚焦高峰關(guān)于納芯微在人形機(jī)器人控制鏈方面的布局闡述。

人形機(jī)器人在控制方面的特殊要求

控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)擬人化運(yùn)動(dòng)與智能交互的核心技術(shù)載體。其擁有一套完整的控制鏈，涵蓋 “大腦” 類人控制、信息傳輸、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)控制，以及配套的電源管理。

高峰指出，人形機(jī)器人的控制鏈路與傳統(tǒng)工業(yè)控制存在顯著差異。以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，首先人形機(jī)器人需具備多自由度，每個(gè)關(guān)節(jié)可能配備多個(gè)電機(jī)，像肩部、肘部等部位，需要更為復(fù)雜的協(xié)同控制算法，極大地提升了系統(tǒng)復(fù)雜度。而傳統(tǒng)電機(jī)，如傳送帶電機(jī)，往往只需控制單一自由度，僅需控制速度即可。

其次是動(dòng)態(tài)平衡和實(shí)時(shí)調(diào)整。人形機(jī)器人在行走或跑步時(shí)，必須保持平衡。傳統(tǒng)電機(jī)，如風(fēng)扇電機(jī)，設(shè)定轉(zhuǎn)速后通常無(wú)需頻繁調(diào)整。但人形機(jī)器人則需要依據(jù)傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整力矩和位置，例如借助 IMU 反饋來(lái)調(diào)整姿態(tài)，防止摔倒。這就需要更快的響應(yīng)時(shí)間以及更復(fù)雜的控制算法，如模型預(yù)測(cè)控制。

第三是柔順控制和安全性。鑒于人形機(jī)器人需與人類互動(dòng)，安全性至關(guān)重要。傳統(tǒng)電機(jī)，如機(jī)床電機(jī)，可能追求高剛性以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。但人形機(jī)器人則需要檢測(cè)外部力，例如在碰撞時(shí)減小力矩或停止運(yùn)行，采用力控或阻抗控制，確保與人接觸時(shí)的安全。

第四是高精度和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)。人形機(jī)器人動(dòng)作復(fù)雜多樣，如快速揮手或精細(xì)抓取，這要求電機(jī)能夠快速響應(yīng)（如毫秒級(jí)調(diào)整），具備更高的帶寬和更低的延遲，同時(shí)還要處理多軸同步問(wèn)題。傳統(tǒng)電機(jī)，如洗衣機(jī)電機(jī)，對(duì)響應(yīng)速度要求并不高，只需穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)即可。

第五是能源效率和熱管理。人形機(jī)器人通常依靠電池供電，因此需要高效利用能源。而許多傳統(tǒng)電機(jī)直接連接電源，對(duì)能耗要求并不嚴(yán)苛。所以人形電機(jī)會(huì)優(yōu)化控制算法以降低能耗，同時(shí)還要處理散熱問(wèn)題，因?yàn)榫o湊的結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致熱量積聚，影響性能和壽命。

第六是環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性。人形機(jī)器人需要在不同地形工作，如上下樓梯、不平地面等，這就要求電機(jī)能夠適應(yīng)變化。傳統(tǒng)電機(jī)一般在固定環(huán)境運(yùn)行，如工廠流水線。所以人形機(jī)器人需要更強(qiáng)的魯棒性，以應(yīng)對(duì)地面打滑、負(fù)載變化等情況，可能需要采用自適應(yīng)控制算法。?
第七是集成感知與反饋。人形機(jī)器人依賴多種傳感器，如力覺(jué)、視覺(jué)、IMU 等，電機(jī)控制需要實(shí)時(shí)整合這些數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)電機(jī)可能僅使用編碼器反饋。所以人形系統(tǒng)需要更復(fù)雜的傳感器融合，比如利用視覺(jué)調(diào)整步態(tài)，或通過(guò)力反饋調(diào)整抓取力度。

第八是體積和重量限制。人形機(jī)器人關(guān)節(jié)空間有限，電機(jī)需要具備高功率密度，如無(wú)框電機(jī)或定制驅(qū)動(dòng)器。而傳統(tǒng)電機(jī)一般體積較大，無(wú)需考慮緊湊設(shè)計(jì)。

基于以上對(duì)人形機(jī)器人電機(jī)控制要點(diǎn)的總結(jié)，我們可以看到這些都需要結(jié)合更高級(jí)的控制算法和硬件設(shè)計(jì)，來(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜任務(wù)和交互需求。納芯微持續(xù)深耕高階算法和高集成度產(chǎn)品，致力于解決人形機(jī)器人電機(jī)控制方面的高要求。

納芯微豐富的運(yùn)動(dòng)控制方案

芯片作為人形機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心硬件，通過(guò)多層級(jí)技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、感知、決策的全方位支撐。接下來(lái)，我們一同了解納芯微針對(duì)人形機(jī)器人控制系統(tǒng)需求推出的芯片方案及配套設(shè)計(jì)資源。

高集成的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)?
在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，目前無(wú)框力矩電機(jī)和空心杯電機(jī)是主要的電機(jī)類型。從原理上講，它們?nèi)詫儆谟来烹姍C(jī)，因此其驅(qū)動(dòng)架構(gòu)框圖與永磁電機(jī)一致，為三相逆變電路?？刂乞?qū)動(dòng)板主要包含 MCU、預(yù)驅(qū)芯片（柵極驅(qū)動(dòng)）、驅(qū)動(dòng)MOSFET/IGBT、相電流檢測(cè)、母線電壓檢測(cè)和編碼器等。

受限于關(guān)節(jié)電機(jī)或靈活手的空間限制，整機(jī)廠或方案商通常傾向于選擇集成度更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng) SoC和更小封裝的編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，例如集成高壓 LDO、通信接口（一般為 CAN 或者 485 通信接口）、MCU 控制內(nèi)核和預(yù)驅(qū)電路的高集成度 SoC。對(duì)于空心杯電機(jī)而言，其部署空間更小，通常尺寸在 φ8mm - φ13mm。未來(lái)，高集成度的電機(jī)驅(qū)動(dòng) SoC可能會(huì)進(jìn)一步整合磁編碼器，從而實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案。

納芯微目前已量產(chǎn)集成預(yù)驅(qū)的 NSUC1602 芯片和全集成 NSUC1610 芯片，為關(guān)節(jié)電機(jī)或靈活手帶來(lái)高集成的創(chuàng)新體驗(yàn)。其中，納芯微 NSUC1602 內(nèi)核采用 ARM Cortex - M3，內(nèi)部集成 3 相 BLDC 預(yù)驅(qū)動(dòng)器，能夠支持包括 FOC 矢量控制或無(wú)感六步換相控制等復(fù)雜電機(jī)算法。該芯片適用于汽車?yán)鋮s風(fēng)扇、電子水泵等領(lǐng)域，可支持最高 1.5kW 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該集成芯片可直接應(yīng)用于具身智能關(guān)節(jié)模組中線性 / 旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的無(wú)邊框電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其高集成度的芯片設(shè)計(jì)，特別針對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)對(duì)空間要求極高的特點(diǎn)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)空間。

納芯微在 2023 年初推出的 NSUC1610 則是一款全集成 SoC產(chǎn)品，內(nèi)核同樣為 ARM Cortex - M3，集成預(yù)驅(qū)、Lin收發(fā)器、LDO、MOS 管陣列、DAC 以及雙路溫度傳感器。目前已在各類車用小電機(jī)執(zhí)行器，如各種閥類、空調(diào)出風(fēng)口以及座椅通風(fēng)功能上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。對(duì)于空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制而言，NSUC1610 的高集成度可搭配磁編碼器MT6701 提供一種極簡(jiǎn)的解決方案。在編碼器方面，MT6701 和 MT6826S 分別提供了 QFN3*3 及 QFN4*4 兩種小型化封裝方案，分別提供 12 位絕對(duì)角度控制以及 15 位絕對(duì)角度控制方案，能夠滿足絕大部分空心杯電機(jī)的應(yīng)用需求。

高效的運(yùn)動(dòng)控制
在運(yùn)動(dòng)控制方面，納芯微推出的 NSD262x、NSD1224等柵極驅(qū)動(dòng)器，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠精確控制人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)電機(jī)，確保機(jī)器人能夠高效、穩(wěn)定地完成各種動(dòng)作。這些芯片具備高功率密度、低噪聲、高精度等特性，能夠?yàn)殡姍C(jī)提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的精確控制，保障電機(jī)高效穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種復(fù)雜動(dòng)作的流暢執(zhí)行。

同時(shí)，頭部與視覺(jué)控制部分由 MCU 主導(dǎo)，利用 PWM 信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。然后通過(guò) Hall 傳感器的電流感知能力，結(jié)合角度傳感器、位置傳感器等，實(shí)現(xiàn)頭部動(dòng)作的精確控制與視覺(jué)信息采集的穩(wěn)定支持。納芯微在這方面也擁有豐富的方案可供選擇。

高可靠的電源和通信
針對(duì)人形機(jī)器人的電源管理，納芯微的電源管理產(chǎn)品包括 LDO（NSR31/33/35xxx）、Flyback（NSR284x, NSR28C4x）、Buck（NSR10Axx, NSR104xx, NSR106xx, NSR114xx, NSR1103x）等多種電源管理芯片。這些芯片能夠精確監(jiān)測(cè)電池的電量、電壓和電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的高效充電和放電管理，延長(zhǎng)電池的使用壽命和續(xù)航能力。同時(shí)，能為機(jī)器人各部件提供適配的穩(wěn)定電源，滿足不同模塊的電壓需求，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在通信領(lǐng)域，納芯微的 RS485（NSI83086, NSI83085, NCA3176, NSIP83086）和 CAN（NCA1051A, NCA1042B, NSIP1042, NSI1050, NSI1042）用于機(jī)器人內(nèi)部各部件間的通信連接；NSI82xx 系列隔離器則保障通信的穩(wěn)定性與抗干擾性，其 I/O Expander 用于擴(kuò)展輸入輸出接口；電壓監(jiān)控元件 NSR7808 進(jìn)行電壓監(jiān)控與系統(tǒng)保護(hù)；NSREF30/31xx 系列電壓基準(zhǔn)源提供參考電壓，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，并為其他元件提供基準(zhǔn)支持。

完備的工具鏈支持?
納芯微不僅為人形機(jī)器人開(kāi)發(fā)提供豐富的芯片解決方案，并提供完備的設(shè)計(jì)資源支持，包括：?
嵌入式算法庫(kù)：納芯微提供基于 ARM Cortex - M3 的 FOC（磁場(chǎng)定向控制）和無(wú)感六步換相算法固件，支持客戶快速實(shí)現(xiàn)電機(jī)參數(shù)整定與動(dòng)態(tài)響應(yīng)優(yōu)化。例如，NSUC1602 芯片內(nèi)置的三相預(yù)驅(qū)電路可適配高達(dá) 1500W 的電機(jī)功率，滿足人形機(jī)器人關(guān)節(jié)高扭矩需求。

熱管理與可靠性驗(yàn)證工具：結(jié)合有限元分析（FEA）模型，納芯微為客戶提供熱仿真工具支持，預(yù)測(cè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片在極端溫度下的性能衰減，并內(nèi)置 AEC - Q100 Grade 0 級(jí)診斷保護(hù)功能，確保在 - 40℃ - 150℃環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行等。

行業(yè)定制化解決方案：納芯微擁有完整的電機(jī)控制解決 IP，包含 PMU，接口 CAN/LIN/485，基于 Cortex - M3 的 MCU 內(nèi)核，驅(qū)動(dòng)類，傳感器類以及電機(jī)控制算法研究團(tuán)隊(duì)?？梢葬槍?duì)人形機(jī)器人手部精準(zhǔn)控制（如 NSUC1610 + MT6701 用于靈活手空心杯電機(jī)控制的解決方案）或者關(guān)節(jié)電機(jī)復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)提供定制化解決方案，助力客戶實(shí)現(xiàn)電機(jī)算法和優(yōu)化系統(tǒng)方案。

小結(jié)?

針對(duì)人形機(jī)器人多自由度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求，納芯微推出全鏈路控制解決方案：?
關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)：集成預(yù)驅(qū) SoC（NSUC1602/1610）搭配微型磁編碼器（MT6701/6826S），實(shí)現(xiàn)無(wú)框電機(jī) / 空心杯電機(jī)的緊湊設(shè)計(jì)；?
運(yùn)動(dòng)控制：柵極驅(qū)動(dòng)器提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩的精確控制；
基礎(chǔ)支撐：電源管理芯片組（LDO/Buck/Flyback）保障能源效率，RS485/CAN 通信方案確保信號(hào)穩(wěn)定。
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此外，納芯微還提供了完備的開(kāi)發(fā)工具鏈支持，使人形機(jī)器人方案開(kāi)發(fā)更加高效。?