電子發燒友網報道（文/吳子鵬）隨著 AI 大模型、電機驅動和多模態傳感等核心技術不斷取得突破，人形機器人正處于技術突破與規模量產的臨界點，展現出巨大的發展潛力。《人形機器人產業研究報告》指出，中國人形機器人市場規模預計在 2029 年將達到 750 億元，2035 年更是有望突破 3000 億元。

在電子發燒友網《人形機器人的電機控制和傳感器》專題中，德州儀器公司中國區技術支持總監趙向源表示，在工業和個人生活領域，機器人正積極改善著人們的日常生活。人形機器人作為人工智能與機器人技術融合的產物，正迅速滲透至多個應用場景，尤其在護理和家庭領域展現出極大潛力。例如：?
·據估算，三分之二的老年人無法獨立滿足基本生活需求，需要依賴某種形式的支持或護理。人形機器人可協助醫護人員完成日常護理任務，如幫助行動不便的患者移動、提供陪伴服務，甚至監測患者健康狀況，從而減輕護理人員工作負擔，提升護理質量。?
·在家庭場景中，人形機器人能夠承擔烹飪、清潔、整理等家務勞動，為用戶提供更便捷、智能的生活方式。

德州儀器公司中國區技術支持總監趙向源

面對人形機器人這一歷史性機遇，作為全球領先的半導體公司，德州儀器（TI）將如何應對？相信通過本文，大家能有深入了解。

人形機器人的芯片需求

芯片作為人形機器人 “大腦” 與 “神經中樞” 的核心載體，在其設計與實現中起著基礎性、決定性作用。涉及的芯片類型包括 AI 主控芯片、運動控制芯片、通信芯片等。

趙向源認為，在人形機器人領域，芯片需求主要集中在控制精度、監測與安全掃描、靈活度以及功能安全等方面。具體表現為：?
·精度方面：人形機器人需完成復雜動作和任務，這對運動控制精度提出極高要求，因此高性能控制芯片至關重要。?
·監測方面：機器人在運行過程中需實時監測周圍環境并進行安全掃描，以避免碰撞或意外發生，這對芯片的實時處理能力和傳感器集成能力構成挑戰。?
·靈活度方面：人形機器人要適應多樣化場景和任務，芯片必須具備高度靈活性和可擴展性，以支持不同算法和功能需求。?
·功能安全方面：功能安全是機器人設計的核心，芯片必須滿足嚴格的國際安全標準，確保機器人在各種環境下的可靠性和安全性。
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德州儀器在《類人機器人中的電機控制》技術資料中提到，目前，雖然針對協作機器人和工業機器人已制定相關標準，但尚無規定類人機器人功能安全要求的標準。隨著需求持續增長，預計標準機構未來會為類人機器人規定安全要求。在規定安全要求之前，類人機器人設計人員必須對當前系統設計進行相應調研，以便在未來盡可能減少重新設計帶來的工作量。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691-4 等標準可在一定程度上闡明未來預期。

人形機器人芯片需求的特殊性

從趙向源的描述中不難發現，人形機器人對芯片的需求與過往的工業機器人和消費類機器人存在顯著差異。在具體應用中，這種差異或許體現得更為直觀，比如在電機驅動和控制方面。

設計類人機器人驅動器需要精準、靈活和創新。與傳統電機控制相比，人形機器人的電機控制需求更為復雜和多樣化。人形機器人結構愈發復雜和精確，自由度（DOF）不斷提高，這對不同位置的驅動器（如手部、脖頸、肩膀、肘部、腰部、髖部、膝蓋、足踝）提出了多樣化要求，需要在高精度控制、實時響應、多軸協同、能效優化以及安全性等方面實現全面突破。例如，在護理場景中，機器人需以毫米級精度完成抓取或輔助動作；在家庭場景中，機器人需在動態環境中快速調整姿態以避免碰撞。這些需求給電機控制技術帶來了更高挑戰。

為應對這些挑戰，人形機器人設計人員需針對電機控制方案的特征性能進行專門優化，包括通信接口架構、位置感測、電機類型、電機控制算法、功率級要求、電子電路尺寸、功能安全等方面。例如，鑒于驅動器在機器人中的位置分布，優化與所有驅動器的通信，同時最大限度減少布線數量就顯得尤為重要。實現優化的方法有多種，最常用的是菊花鏈通信和線性總線拓撲。

德州儀器在人形機器人電機驅動方面的布局

針對人形機器人（德州儀器稱之為類人機器人）的特殊芯片需求，德州儀器提供了全面的集成電路產品系列，使工程師能夠滿足各種設計規格，從而構建出能與機器人環境順暢交互的機器人。

趙向源談到，基于德州儀器的器件和方案構建人形機器人具有三大顯著優勢：?
·智能安全緊湊的機器人電機驅動器：借助德州儀器 GaN 器件和柵極驅動器，能夠構建小型、高效且安全的伺服驅動系統。高精度電流檢測和編碼器可實現更精確的電機控制。
·智能檢測、感知和導航：德州儀器的處理器系列可提供感知、傳感器融合和導航所需的高性能邊緣 AI 計算。德州儀器毫米波雷達產品系列可實現類人機器人的高精度檢測功能，增強機器人的環境感知和自主導航能力。?
·功能安全要求：通過德州儀器模擬和嵌入式集成電路的片上安全功能，以更低的系統級成本滿足 IEC 61508、ISO 13849 和 ISO 26262 等安全標準，保障機器人在各種應用場景中的安全性和可靠性。

從《類人機器人中的電機控制》技術資料中可以看出，德州儀器在這項應用上擁有豐富的產品可供選擇。下面我們圍繞幾顆典型芯片展開介紹。

首先是德州儀器于去年推出的一款基于新型 C29x 內核構建的 F29H85x。該產品是一款專為高性能電機控制設計的實時微控制器，在人形機器人領域的應用顯著增強了電機控制系統的能力。其關鍵特性包括：具備高達 800 MHz 的主頻和強大的浮點運算能力，能夠實現微秒級的實時控制；專門針對最新的汽車和工業安全標準設計，完整性等級可達 ASIL-D 和 SIL-3；通過隔離式硬件安全模塊（HSM）保護系統免受未經授權的訪問和網絡威脅；功能安全和信息安全單元（SSU）能夠在不影響實時性能的情況下避免代碼線程間的干擾。

F29H85x 出色的產品性能使人形機器人能夠以極高精度完成復雜動作。其硬件診斷和錯誤檢測功能可保障電機控制系統在復雜環境中的可靠性和安全性；支持多軸電機控制，能夠同時處理多個關節的運動控制任務，例如在行走或抓取物體時保持平衡和靈活性；高效能效管理和低功耗設計顯著延長了機器人的續航時間，使其更適合長時間運行的應用場景；豐富的接口和高精度模擬外設，便于與傳感器、驅動器和其他子系統無縫連接。

其次是 AM261x 微控制器，這顆器件旨在滿足下一代工業和汽車嵌入式項目復雜的實時處理和控制需求。AM261x 以獨特方式將先進計算與出色的實時控制外設相結合，可滿足混合動力汽車 / 電動汽車（車載充電器、直流 / 直流轉換器、電池管理系統）、兩軸伺服驅動器、工業數字電源控制（儲能、串式逆變器）和其他通用實時受限系統等應用不斷增長的性能需求。AM261x 可將多達兩個 Cortex-R5F MCU、一個實時控制子系統（CONTROLSS）、一個硬件安全模塊（HSM）和兩個 Sitara 支持 TSN 的 PRU-ICSS 實例組合在一起，因此 AM261x 非常適合高級電機控制和數字電源控制應用，而這些都是人形機器人設計的關鍵剛需應用。

AM261x 微控制器里的 R5F 內核以集群形式排列，并具有 256KB 共享緊耦合存儲器（TCM）和 1.5MB 共享 SRAM。對于不同的功能安全配置，可以選擇將 Arm? 內核編程為使用鎖步選項運行。片上存儲器、外設和互連中包含廣泛的 ECC，增強了可靠性。除了由 HSM 管理的細粒度防火墻之外，AM261x 器件上還提供加密加速和安全啟動功能，供開發人員設計更為安全的系統。

趙向源稱，德州儀器的器件充分考慮了冗余與功能安全合規性，并且提供有助于優化布板空間的多種更小型的封裝選項，從而更好地適配于協作機器人、人形機器人等機器人的關節部位。此外，德州儀器的氮化鎵（GaN）器件集成了柵極驅動器，實現了機器人在尺寸與效率上的雙重優化。這不僅可幫助制造商縮小空間占用、優化功耗，還能最大限度提升機器人的性能，進而延長運行時間，增強負載能力。

除了性能領先的芯片，德州儀器還提供能夠提升開發人員設計效率的參考設計。例如，針對人形機器人電機驅動器設計，該公司提供適用于集成電機驅動器的 48V/16A 小型三相 GaN 逆變器參考設計 TIDA-010936，以及適用于集成電機驅動器的 48V、4kW 小型三相逆變器參考設計 TIDA-010956 等方案。

TIDA-010936 展示了采用三個具有集成式 GaN FET、驅動器和自舉二極管的 100V、35A GaN 半橋 LMG2100R044 的高功率密度 12V 至 60V 三相功率級，專門用于電機集成式伺服驅動器和機器人應用。通過使用 IN241A 電流檢測放大器，實現了精確的相電流檢測；同時測量了直流鏈路電壓和相電壓，從而能夠驗證諸如 InstaSPIN-FOC?等先進的無傳感器設計。該設計提供與德州儀器 BoosterPack 兼容的 3.3V I/O 接口，用于連接 C2000? MCU LaunchPad?開發套件或 Arm-based 微控制器，以便快速輕松地評估德州儀器的 GaN 技術。TIDA-010936 主要特性包括：
·在 40kHz PWM 下可實現高效率（峰值為 99.3%），支持在環境溫度為 25°C、連續電流高達 16Arms 且無需安裝散熱器的情況下穩定運行。
·小型 GaN 半橋功率級可實現高功率密度并簡化 PCB 布局。
·GaN 半橋支持在更高的 PWM 頻率下運行，有助于降低直流總線電容器高度，同時使用陶瓷電容器替代電解電容器。?
·零反向恢復損耗可減少開關節點振蕩。?
·16.6ns 的低死區時間更大限度地減少相電壓失真。使用 1mΩ 分流器和具有高 PWM 抑制功能的電流檢測放大器，對 ±33A 范圍內的相電流進行精密檢測。

TIDA-010956 展示了一款三相逆變器，其具有 48V 標稱直流輸入電壓和 85ARMS 額定輸出電流。100V 智能半橋柵極驅動器 DRV8162L 可實現小尺寸、穩健且高效的功率級。建議通過使用 RV8162L 的雙電源架構的多通道關斷路徑，來實現安全轉矩關閉（STO）功能。借助 DRV8162L 的內部 VDS 監測和保護功能，可為功率級提供擊穿過流故障或輸出短路保護。使用 INA241A，實現精密相電流檢測。該設計提供一個 3.3V I/O 接口來連接 C2000? MCU 等主機控制器，以便快速輕松地進行評估。TIDA-010956 主要特性包括：?
·具有 24V 直流至 60V 直流輸入和 85ARMS 連續輸出電流的三相逆變器。?
·DRV8162L 具有片上硬件保護的智能半橋柵極驅動器。?
·受到全面保護的功率級：擊穿、過流、短路、欠壓和過熱保護。

趙向源表示，德州儀器攜手工程師及原始設備制造商，共同應對功能安全合規性挑戰，同時致力于物流和自動化領域解決方案的開發。在系統層面，德州儀器直面復雜的設計難題，提供多芯片或單芯片方案。德州儀器還率先實踐，讓各種機器人與員工并肩作戰，助力提升生產效率。與此同時，德州儀器充分利用這些實戰經驗不斷打磨產品質量，為未來發展奠定堅實基礎。

德州儀器在人形機器人智能傳感方面的布局

在感知方面，人形機器人需要通過多種傳感器感知環境、獲取數據，以實現導航、交互和操作等功能。其中，毫米波雷達可用于探測目標的距離、速度和角度，適用于復雜環境下的避障、人體檢測和手勢識別等應用。

趙向源指出，德州儀器的工業毫米波傳感器不僅可提供距離信息，還能提供現場人員的相對速度信息，從而根據接近程度和接近速度觸發機器人減速或停止。這些雷達傳感器可在雨、煙、光線不足和多塵工廠條件等嚴苛環境中進行檢測，相比基于視覺和激光雷達的傳感器，能實現更多價值。其主要特性包括：?
·經 IEC 61508 認證，最高可達到 SIL 2 等級。?
·60GHz 和 77GHz 頻段可在不同地區提供可擴展的部署。?
·FMCW 雷達測量物體的位置和速度。?
·3D 檢測，高達 130o 的寬方位角覆蓋范圍。

同時，趙向源強調，傳感器融合對于人形機器人至關重要，主要原因如下：首先，在人形機器人中僅使用一種類型的傳感器存在明顯局限性，包括數據收集不完整或不準確。例如，攝像頭在深度感知、光線不足或探測非視覺元素時會遇到困難，而激光雷達傳感器則會因機器人移動時激光上下跳動導致讀數不準確。數據收集限制可能會引發導航、物體操作和環境交互方面的錯誤。其次，傳感器融合技術通過集成來自多個傳感器的數據，能夠更準確、可靠和全面地了解機器人所處環境，從而解決上述問題。此外，通過結合來自各種傳感模式的輸入，仿人機器人可以做出更明智的決策，進而增強執行復雜任務的能力，例如在不平坦的地形中導航、抓取不同形狀和大小的物體，以及在動態的真實世界環境中進行交互。

德州儀器也致力于提供傳感融合方案，例如該公司提供攝像頭和雷達傳感器模塊以及 IMX219 攝像頭和 IWR6843ISK EVM 毫米波雷達傳感器。該模塊實現了一種物體級融合方法，該方法應用了注重物體聚類和跟蹤的攝像頭 - 視覺處理鏈和雷達處理鏈，使用戶能夠跟蹤和探測三維環境中的物體。用戶通過機器人 SDK 演示了傳感器融合的諸多潛能和功能。

趙向源在采訪中表示，隨著技術不斷成熟和成本逐步下降，人形機器人將從工業、護理、家庭等傳統領域擴展至教育、娛樂、零售等新興領域，成為多行業的智能化助手。人工智能、5G、物聯網等技術的深度融合將推動人形機器人向更智能、更互聯的方向發展，使其能夠更好地理解和適應復雜環境。

德州儀器深刻洞察到機器人技術持續且深遠的影響，因此正全力以赴，期望利用半導體推動這一愿景的實現。在機器人技術領域，德州儀器致力于研發經濟高效、性能卓越的器件，以靈活應對從簡單到復雜的多樣化任務，為企業提供堅實支撐，助力打造創新、杰出的終端產品。為克服當前及未來機器人在實際應用中可能面臨的各種挑戰，德州儀器已攜手多家企業，共同開發傳感器和電機控制解決方案。?