德州仪器人形机器人技术全景解析：系统级综合解决方案

引言

人形机器人正成为全球科技与制造业的下一个爆发点。据摩根士丹利研报预测，到 2050 年，全球人形机器人市场收入有望达到 5 万亿美元，未来全球人形机器人市场规模甚至可能达到 60 万亿美元。这一蓝海市场的崛起，不仅将重塑制造业和服务业的格局，也为半导体行业带来了前所未有的机遇。作为全球领先的半导体公司，德州仪器提供先进的氮化镓、栅极驱动器和精密传感器件，用于构建未来机器人的系统级综合解决方案，旨在帮助工程师设计更安全、更智能、更紧凑的人形机器人。

人形机器人的市场机遇与技术挑战

人形机器人的应用场景极为广泛，涵盖工业自动化、医疗保健、教育和研究等多个领域。其核心优势在于能够模仿人类的动作和决策能力，适应复杂多变的环境。然而，要实现这一目标，人形机器人的开发仍面临着多重挑战：高精度关节控制、复杂环境感知、高效内部通信以及对尺寸和散热的要求。这些挑战对先进的半导体技术提出了更高的要求。

一个能流畅行走、实现精准抓取的人形机器人，是如何被赋予“生命”的？

拆解人形机器人中的核心半导体技术

• 关节——高功率密度、高精度的电机控制

“兼具灵活肌腱和强大核心”

人形机器人的关节是其动作的核心，而关节的精准控制离不开高效的电机驱动系统。在典型的人形机器人架构中，往往需要集成 30 个以上的分布式关节电机，形成高度复杂的多自由度运动系统。这种密集的机电集成对驱动系统提出了双重挑战：一方面需要满足不同关节的差异化驱动需求，另一方面必须实现极致的空间利用率。TI 通过其先进的电机控制技术，为机器人关节提供了高精度、高响应的解决方案。

手指、手腕等小型关节对控制精度和功率密度要求极高。基于氮化镓 (GaN) 技术开发的 48V/16A 三相逆变器参考设计针对小型关节驱动需求优化，特别适用于 1000W 级电驱系统。相比传统 MOSFET 方案，GaN FET 不仅能够实现尺寸更小（体积缩减 50%以上），还能够因为具有更高的理论效率而有效降低开关损耗，支持更高频率的 PWM 控制，从而实现更平滑的电机电流波形和更精确的控制。

对于腰部、髋部等大功率关节，TI 推出了基于 MOSFET 的 4kW 的高功率的方案，使用了半桥智能驱动 DRV816X 。相对于传统的半桥驱动，该方案具备更高的集成度，同时集成过流保护，低侧电流采样及内部拉灌电流功能。此外，该方案中使用了F28P65x实时微控制器，集成了 EtherCAT MAC 和完整的 USB 2.0（MAC + PHY），外挂两颗 PHY 即可实现 EtherCAT 菊花链。其 9x9 的封装在业界 EtherCAT 小型化方案中同样具备竞争力.

• 视觉——毫米波雷达感应和传感器融合

“就像给机器人装上了蝙蝠的回声定位系统”

人形机器人的一个重要能力是探测和解读物理环境：正如人类依靠感官进行导航和与世界互动一样，人形机器人也需要复杂的传感系统来自主有效地执行任务。与传统的激光雷达或摄像头相比，毫米波雷达不受灰尘、雾霾或光线不足的影响，且功耗更低。但对于人形机器人而言，使用一种类型的传感器可能存在数据收集不完整不准确的局限性，进而导致导航、物体操作和环境交互方面的错误。

TI 提出了一种创新的多传感器融合方案——采用 AI 优化的雷达 SoC 和集成神经网络加速器的处理器架构，即通过将摄像头与 IWR6843 毫米波雷达相结合，在 AM62A 处理器上运行边缘 AI 模型实现环境感知。该方案中，摄像头基于 AI 模型完成人体视觉识别，而毫米波雷达则通过点云分析精确获取人体轮廓和距离信息。

这一融合系统展现出卓越的环境适应能力，可帮助机器人在极端的（如火灾现场、烟雾环境）场景下，仍能可靠地完成三维空间物体跟踪与探测。凭借 (TÜV) SÜD 内置的功能安全机制和器件安全认证，TI 雷达器件可提供 IEC 61508 所需的必要诊断覆盖范围，可在元件级别满足高达 SIL 2 的硬件功能，确保在关键任务场景下的可靠性保障。

• 神经系统——单线对以太网破解内部通信难题

“就像把杂乱的电报线路升级为光纤网络”

先进的人形机器人需要一个通信系统，不仅集成在空间受限的轻量级框架内，同时满足带宽等通信接口要求，还可支持在众多关节控件之间进行实时高带宽数据传输——传统的 CAN 通信最高只能支持十兆，在带宽和实时性上已难以满足需求人形机器人百兆以上的通信速率要求。

TI 采用 SPE 技术和/或菊花链拓扑可以减小线束的整体尺寸（4 根百兆线缆到 2 根百兆线缆），显著减轻了机器人线束的重量和复杂度。基于 Arm® 的控制器 AM261为单线对以太网方案设计，内置 PRU 模块可支持 EtherCAT, Ethernet, PROFINET 等协议。该方案还集成 IEEE 802.1AS 协议，支持控制器与 I/O 节点间 1-15ns 精度的网络时间同步，并具备强大的 EMI/EMC 抗干扰能力，符合工业 IEC 和 CISPR 标准，能够在机器人内部的噪声环境中稳定工作。此外，电缆诊断功能则进一步提高了系统的可靠性和可维护性。

结语

TI 通过电机控制、传感器融合和高速通信三大核心技术的协同，构建了人形机器人领域一套完整的解决方案。

尽管科幻电影时常描绘机器人取代人类工作或掌控世界的场景，但机器人技术的发展始终以拓展人类能力边界为目标。当前人形机器人的演进方向表明，其应用场景将持续深化和扩展。站在机器人革命的前夜，德州仪器在芯片领域的现代化技术和成果，正在为未来更多可能性构建基础。