通關(guān)人形機(jī)器人控制鏈，這家國(guó)產(chǎn)RISC-V芯片公司做到了
文章來(lái)源：電子發(fā)燒友網(wǎng)（作者/吳子鵬）
近來(lái)，人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)爆火，引發(fā)廣泛關(guān)注。從系統(tǒng)構(gòu)成來(lái)看，人形機(jī)器人需多種專用芯片協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制、感知交互和能源管理等功能。在系統(tǒng)控制方面，人形機(jī)器人需 CPU 或 GPU 等高算力芯片作為 “大腦”，處理多模態(tài)交互及環(huán)境感知數(shù)據(jù)；還需高算力、高集成的 MPU 或 MCU 芯片作為 “小腦”，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與步態(tài)；同時(shí)，也需要高性能的 MCU 用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)或感知控制等環(huán)節(jié)，控制機(jī)器人動(dòng)作執(zhí)行與感知反饋。
先楫半導(dǎo)體執(zhí)行副總裁兼市場(chǎng)銷售負(fù)責(zé)人陳丹（Danny Chen）在接受電子發(fā)燒友網(wǎng)《人形機(jī)器人電機(jī)控制與傳感》專題采訪時(shí)表示，在人形機(jī)器人領(lǐng)域，先楫半導(dǎo)體目前雖沒(méi)有 “大腦” 芯片，但能為機(jī)器人客戶提供“小腦” 、關(guān)節(jié)伺服、實(shí)時(shí)通訊、感知控制等方面的芯片及解決方案。
貫通人形機(jī)器人控制鏈
先楫半導(dǎo)體是一家專注于高性能嵌入式解決方案的半導(dǎo)體公司，產(chǎn)品涵蓋微控制器、微處理器和周邊芯片，以及配套的開發(fā)工具和生態(tài)系統(tǒng)。該公司芯片主要采用 RISC-V 內(nèi)核，是全球領(lǐng)先的 RISC-V 芯片公司。如陳丹所言，先楫半導(dǎo)體的方案已貫通從感知、通訊到運(yùn)動(dòng)、控制的整個(gè)控制鏈，致力于幫助機(jī)器人客戶打造業(yè)界領(lǐng)先的人形機(jī)器人關(guān)節(jié)和神經(jīng)。
在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方面，當(dāng)前全球主流的人形機(jī)器人基本采用電力驅(qū)動(dòng)方式。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片將主控芯片發(fā)出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和方向的控制。陳丹認(rèn)為，關(guān)節(jié)是為人形機(jī)器人提供強(qiáng)勁動(dòng)力的關(guān)鍵，不僅要求輸出大扭矩，還需快速響應(yīng)，且多個(gè)關(guān)節(jié)間要保持良好同步性。這就要求負(fù)責(zé)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的 HPM MCU 必須具備高算力、高實(shí)時(shí)性和集成實(shí)時(shí)通訊接口。其中，高算力和高實(shí)時(shí)性確保關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能快速實(shí)現(xiàn)電流環(huán)控制、FOC、補(bǔ)償和濾波等算法，快速輸出所需力矩并到達(dá)目標(biāo)位置；實(shí)時(shí)通訊如 CANFD、EtherCAT、TSN 等，能滿足各種復(fù)雜工況下穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)的通訊需求，契合關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)要求。
人形機(jī)器人的神經(jīng)主要指機(jī)器人體內(nèi)的通訊系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)各模塊間通信。常見(jiàn)的總線通信技術(shù)有控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、以太網(wǎng)控制自動(dòng)化技術(shù)（Ether CAT）、串行外設(shè)接口（SPI）、集成電路總線（I2C）總線等。陳丹指出，通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳遞“大腦”和“小腦”計(jì)算出的各個(gè)控制指令，反饋各個(gè)傳感器、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)等檢測(cè)到的信息和狀態(tài)等，高速、低延時(shí)、穩(wěn)定的體內(nèi)通訊系統(tǒng)至關(guān)重要。先楫半導(dǎo)體的 HPM6E00 系列 MCU 是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊 MCU，集成了 USB、CANFD、Ether CAT、千兆以太網(wǎng)控制器和 TSN交換機(jī)，能滿足人形機(jī)器人的各種通信需求。例如，其中 EtherCAT 的延遲可小至 us 級(jí)，抖動(dòng)達(dá) ns 級(jí)，可作為各個(gè)關(guān)節(jié)之間、靈巧手之間的通信網(wǎng)絡(luò)；TSN（時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)）作為國(guó)內(nèi)外廣受關(guān)注的下一代高實(shí)時(shí)性網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，可以兼顧數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘捄痛_定性及可靠性，有望在未來(lái)人形機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。
（先楫半導(dǎo)體MCU芯片在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用）
人形機(jī)器人用到的傳感器種類眾多，包括視覺(jué)、力矩、雷達(dá)、位置、慣性測(cè)量單元（IMU）等。要實(shí)現(xiàn)高效的感知和運(yùn)動(dòng)控制，需對(duì)這些傳感信息進(jìn)行處理和傳輸。陳丹稱，由于人形機(jī)器人的傳感器分布于全身各處，且輸出方式各異，所以需用 MCU 將傳感器信息轉(zhuǎn)換并及時(shí)傳送到“大腦”、“小腦”和各個(gè)執(zhí)行器。先楫半導(dǎo)體的 HPM5000 系列 MCU 具有 480MHz 主頻、16 位高精度 ADC、豐富的 CAN、UART 接口，非常適合作為分布式的傳感器處理 MCU。
為人形機(jī)器人提供高效電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案
綜上所述，先楫半導(dǎo)體能夠?yàn)槿诵螜C(jī)器人提供高算力、高性能運(yùn)動(dòng)控制、高實(shí)時(shí)通訊、高集成度及小型化、高安全和高可靠性的控制方案，憑借這 “5 高” 特性賦能人形機(jī)器人發(fā)展。之所以能做到這些，是因?yàn)橄乳雽?dǎo)體針對(duì)機(jī)器人的關(guān)鍵特性對(duì)自身芯片和方案進(jìn)行了專門優(yōu)化。
以本期專題聚焦的電機(jī)控制應(yīng)用展開。先楫半導(dǎo)體的目標(biāo)是成為伺服行業(yè)國(guó)產(chǎn) MCU 第一品牌，為伺服驅(qū)動(dòng)客戶提供豐富的產(chǎn)品規(guī)劃。例如，適合做驅(qū)顯一體的 HPM6400 和 6700 系列，適合做多軸控制的 HPM6200 系列，適合做編碼器的 HPM5300 系列，適合做總線伺服的 HPM6E00 系列，還有先楫半導(dǎo)體預(yù)計(jì)將于3月底發(fā)布的適合做高性能脈沖伺服的新產(chǎn)品 HPM6P00 系列等。相較于傳統(tǒng)機(jī)器人的電機(jī)控制，人形機(jī)器人的電機(jī)控制具有高響應(yīng)特性、高集成度、高功率密度等特點(diǎn)，先楫半導(dǎo)體針對(duì)這些特性進(jìn)行了專項(xiàng)優(yōu)化。
（先楫半導(dǎo)體產(chǎn)品圖）
要實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人毫秒甚至微妙級(jí)的高響應(yīng)特性，對(duì) MCU 整體提出了更高要求，如更快的執(zhí)行速度、更快電流采樣、更快的 SVPWM 發(fā)波等。為滿足人形機(jī)器人電機(jī)控制需求，先楫半導(dǎo)體在 HPM6E00 和 HPM6P00 系列中嵌入硬件電流環(huán)，將電流環(huán)執(zhí)行時(shí)間從傳統(tǒng)的 10us 縮短至 200ns 左右，提升幅度達(dá)百倍以上。
要滿足人形機(jī)器人緊湊的布局要求，尤其是在手或腳的末端，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器必須具備高集成度。在傳統(tǒng)的總線型工業(yè)電機(jī)控制或關(guān)節(jié)上，主控芯片采用 MCU+FPGA+ESC+PHY 的形式，有 5 個(gè)大尺寸芯片。而先楫半導(dǎo)體在 2025 年 CES 上新推出的機(jī)器人關(guān)節(jié)專用芯片 HPM6E8Y，將 5 顆大尺寸芯片集成于一顆芯片，極大地節(jié)省了空間。特別值得一提的是，HPM6E8Y 是全球首款集成 ESC 和 PHY 的高性能 MCU。
為使人形機(jī)器人具備更強(qiáng)續(xù)航能力，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)提出了高效和高功率密度的要求。高載波是提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率密度的有效手段之一，可縮小感性器件的尺寸和質(zhì)量，但也對(duì)控制 MCU 提出了更高算力要求。先楫半導(dǎo)體的 HPM6E00 和 HPM6P00 系列產(chǎn)品的高算力 CPU、硬件電流環(huán)、2MSPS 的 ADC 等，都能有效提升控制器的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，有利于提高載波頻率，進(jìn)而提升關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的功率密度。
全方位、全產(chǎn)業(yè)鏈的機(jī)器人布局
中國(guó)電子學(xué)會(huì)預(yù)計(jì)，2030 年中國(guó)人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模有望突破 8700 億元，成為繼新能源汽車后的新萬(wàn)億級(jí)終端市場(chǎng)。先楫半導(dǎo)體憑借性能領(lǐng)先的芯片和方案，有望在快速增長(zhǎng)的人形機(jī)器人市場(chǎng)取得佳績(jī)。
當(dāng)然，陳丹特別強(qiáng)調(diào)，先楫半導(dǎo)體并非因近期人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大熱才開始布局該領(lǐng)域，而是憑借在機(jī)器人市場(chǎng)全方位、全產(chǎn)業(yè)鏈的布局，自然成為人形機(jī)器人方案商的優(yōu)質(zhì)選擇之一。
先楫半導(dǎo)體在機(jī)器人領(lǐng)域布局較早，且采用全方位、全產(chǎn)業(yè)鏈的布局方式。全方位是指先楫半導(dǎo)體自成立之初就聚焦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，從工業(yè)機(jī)臂、協(xié)同機(jī)械臂、AMR 移動(dòng)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人到近期火熱的四足機(jī)器人和人形機(jī)器人；全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)侵赶乳雽?dǎo)體不僅支持機(jī)器人整機(jī)廠家，也支持關(guān)節(jié)模組、編碼器、傳感器、自動(dòng)化集成商等產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)。
此外，陳丹在采訪中提到，作為國(guó)產(chǎn)高性能 RISC-V 內(nèi)核 MCU 芯片供應(yīng)商，先楫半導(dǎo)體不僅實(shí)現(xiàn)了芯片性能領(lǐng)先，還在生態(tài)系統(tǒng)、開發(fā)工具和資源方面提供完備支持。例如，在開發(fā)工具方面，先楫半導(dǎo)體提供了完善的開發(fā)工具，如不斷優(yōu)化的 SDK，其中包含各種外設(shè)的底層驅(qū)動(dòng)、中間件等，還有豐富的例程，涵蓋音頻、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、AI 等領(lǐng)域；在開發(fā)資源方面，先楫半導(dǎo)體不僅自身提供各種接近量產(chǎn)級(jí)的方案，還有眾多專業(yè)合作伙伴，能協(xié)助客戶快速開發(fā)產(chǎn)品，大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
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