電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文 / 吳子鵬）人形機器人的控制鏈和感知鏈，構(gòu)成了其實現(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)《人形機器人的電機控制和傳感器》專題中，我們特邀納芯微技術(shù)市場經(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器人控制鏈和感知鏈方面的布局與具體實踐，以及這兩大領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展趨勢。本文為上篇，主要聚焦高峰關(guān)于納芯微在人形機器人控制鏈方面的布局闡述。

人形機器人在控制方面的特殊要求

控制和驅(qū)動系統(tǒng)是人形機器人實現(xiàn)擬人化運動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、運動控制，以及配套的電源管理。

高峰指出，人形機器人的控制鏈路與傳統(tǒng)工業(yè)控制存在顯著差異。以電機驅(qū)動為例，首先人形機器人需具備多自由度，每個關(guān)節(jié)可能配備多個電機，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，如傳送帶電機，往往只需控制單一自由度，僅需控制速度即可。

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

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

第四是高精度和高動態(tài)響應(yīng)。人形機器人動作復(fù)雜多樣，如快速揮手或精細抓取，這要求電機能夠快速響應(yīng)（如毫秒級調(diào)整），具備更高的帶寬和更低的延遲，同時還要處理多軸同步問題。傳統(tǒng)電機，如洗衣機電機，對響應(yīng)速度要求并不高，只需穩(wěn)定轉(zhuǎn)動即可。

第五是能源效率和熱管理。人形機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)電機直接連接電源，對能耗要求并不嚴苛。所以人形電機會優(yōu)化控制算法以降低能耗，同時還要處理散熱問題，因為緊湊的結(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，這就要求電機能夠適應(yīng)變化。傳統(tǒng)電機一般在固定環(huán)境運行，如工廠流水線。所以人形機器人需要更強的魯棒性，以應(yīng)對地面打滑、負載變化等情況，可能需要采用自適應(yīng)控制算法。?
第七是集成感知與反饋。人形機器人依賴多種傳感器，如力覺、視覺、IMU 等，電機控制需要實時整合這些數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)電機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，比如利用視覺調(diào)整步態(tài)，或通過力反饋調(diào)整抓取力度。

第八是體積和重量限制。人形機器人關(guān)節(jié)空間有限，電機需要具備高功率密度，如無框電機或定制驅(qū)動器。而傳統(tǒng)電機一般體積較大，無需考慮緊湊設(shè)計。

基于以上對人形機器人電機控制要點的總結(jié)，我們可以看到這些都需要結(jié)合更高級的控制算法和硬件設(shè)計，來應(yīng)對復(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，致力于解決人形機器人電機控制方面的高要求。

納芯微豐富的運動控制方案

芯片作為人形機器人控制系統(tǒng)的核心硬件，通過多層級技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)對機器人運動、感知、決策的全方位支撐。接下來，我們一同了解納芯微針對人形機器人控制系統(tǒng)需求推出的芯片方案及配套設(shè)計資源。

高集成的關(guān)節(jié)驅(qū)動?
在關(guān)節(jié)驅(qū)動領(lǐng)域，目前無框力矩電機和空心杯電機是主要的電機類型。從原理上講，它們?nèi)詫儆谟来烹姍C，因此其驅(qū)動架構(gòu)框圖與永磁電機一致，為三相逆變電路。控制驅(qū)動板主要包含 MCU、預(yù)驅(qū)芯片（柵極驅(qū)動）、驅(qū)動MOSFET/IGBT、相電流檢測、母線電壓檢測和編碼器等。

受限于關(guān)節(jié)電機或靈活手的空間限制，整機廠或方案商通常傾向于選擇集成度更高的電機驅(qū)動 SoC和更小封裝的編碼器來實現(xiàn)電機控制，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。對于空心杯電機而言，其部署空間更小，通常尺寸在 φ8mm - φ13mm。未來，高集成度的電機驅(qū)動 SoC可能會進一步整合磁編碼器，從而實現(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)電機或靈活手帶來高集成的創(chuàng)新體驗。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)動器，能夠支持包括 FOC 矢量控制或無感六步換相控制等復(fù)雜電機算法。該芯片適用于汽車冷卻風扇、電子水泵等領(lǐng)域，可支持最高 1.5kW 的電機驅(qū)動。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)行器的無邊框電機驅(qū)動，其高集成度的芯片設(shè)計，特別針對關(guān)節(jié)電機對空間要求極高的特點，優(yōu)化了設(shè)計空間。

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執(zhí)行器，如各種閥類、空調(diào)出風口以及座椅通風功能上實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。對于空心杯電機驅(qū)動控制而言，NSUC1610 的高集成度可搭配磁編碼器MT6701 提供一種極簡的解決方案。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 位絕對角度控制以及 15 位絕對角度控制方案，能夠滿足絕大部分空心杯電機的應(yīng)用需求。

高效的運動控制
在運動控制方面，納芯微推出的 NSD262x、NSD1224等柵極驅(qū)動器，在電機驅(qū)動控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠精確控制人形機器人的關(guān)節(jié)電機，確保機器人能夠高效、穩(wěn)定地完成各種動作。這些芯片具備高功率密度、低噪聲、高精度等特性，能夠為電機提供穩(wěn)定的驅(qū)動信號，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、扭矩的精確控制，保障電機高效穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)機器人各種復(fù)雜動作的流暢執(zhí)行。

同時，頭部與視覺控制部分由 MCU 主導(dǎo)，利用 PWM 信號控制電機驅(qū)動和電機運轉(zhuǎn)。然后通過 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，實現(xiàn)頭部動作的精確控制與視覺信息采集的穩(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
針對人形機器人的電源管理，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)測電池的電量、電壓和電流等參數(shù)，實現(xiàn)對電池的高效充電和放電管理，延長電池的使用壽命和續(xù)航能力。同時，能為機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 用于擴展輸入輸出接口；電壓監(jiān)控元件 NSR7808 進行電壓監(jiān)控與系統(tǒng)保護；NSREF30/31xx 系列電壓基準源提供參考電壓，確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，并為其他元件提供基準支持。

完備的工具鏈支持?
納芯微不僅為人形機器人開發(fā)提供豐富的芯片解決方案，并提供完備的設(shè)計資源支持，包括：?
嵌入式算法庫：納芯微提供基于 ARM Cortex - M3 的 FOC（磁場定向控制）和無感六步換相算法固件，支持客戶快速實現(xiàn)電機參數(shù)整定與動態(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 1500W 的電機功率，滿足人形機器人關(guān)節(jié)高扭矩需求。

熱管理與可靠性驗證工具：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)測電機驅(qū)動芯片在極端溫度下的性能衰減，并內(nèi)置 AEC - Q100 Grade 0 級診斷保護功能，確保在 - 40℃ - 150℃環(huán)境下穩(wěn)定運行等。

行業(yè)定制化解決方案：納芯微擁有完整的電機控制解決 IP，包含 PMU，接口 CAN/LIN/485，基于 Cortex - M3 的 MCU 內(nèi)核，驅(qū)動類，傳感器類以及電機控制算法研究團隊。可以針對人形機器人手部精準控制（如 NSUC1610 + MT6701 用于靈活手空心杯電機控制的解決方案）或者關(guān)節(jié)電機復(fù)雜算法實現(xiàn)提供定制化解決方案，助力客戶實現(xiàn)電機算法和優(yōu)化系統(tǒng)方案。

小結(jié)?

針對人形機器人多自由度、高動態(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：集成預(yù)驅(qū) SoC（NSUC1602/1610）搭配微型磁編碼器（MT6701/6826S），實現(xiàn)無框電機 / 空心杯電機的緊湊設(shè)計；?
運動控制：柵極驅(qū)動器提供穩(wěn)定可靠的驅(qū)動信號，實現(xiàn)對電機轉(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 通信方案確保信號穩(wěn)定。
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此外，納芯微還提供了完備的開發(fā)工具鏈支持，使人形機器人方案開發(fā)更加高效。?