从控制到感知，一篇文章阅读纳芯微的人形机器人布局(第一部分)

04-03 16:07

电子爱好者网报道(文章 / 吴子鹏)人形机器人的控制链和感知链形成了实现智能操作和环境交互的关键技术体系。随着控制链与感知链的深度合作，人形机器人正在逐渐突破非结构化环境下的多任务执行问题，成为工业、服务、医疗等方面的关键生产工具。

在电子爱好者的话题《人形机器人的电机控制与传感器》中，我们特别邀请了两位技术专家:纳芯微技术市场经理高峰和陈旭骅。他们分享了纳芯微公司在人形机器人控制链和感知链方面的布局和具体实践，以及这两个领域的后续发展趋势。本文是第一部分，主要关注纳芯微在人形机器人控制链方面的规划和讨论。

纳芯微技术市场经理高峰

人形机器人在控制方面的特殊要求

控制和驱动系统是人形机器人实现拟人运动和智能交互的关键技术媒介。它有一个完整的控制链，包括 "大脑" 类人控制，信息传输，关节驱动，运动控制，以及配套的电池管理。

高峰期指出，人形机器人的控制链接与传统工业控制存在显著差异。以电机驱动为例。首先，人形机器人需要多自由度。每个关节可能配备多个电机，如肩部和肘部，需要更复杂的协同控制算法，大大提高了系统的复杂性。传统电机，如输送带电机，通常只需要控制单一的自由度和速度。

其次是稳定平衡和实时调整。人形机器人在行走或跑步时必须保持稳定。传统电机，如风扇电机，通常在设定转速后不需要频繁调整。但是，人形机器人需要根据传感器数据实时调整扭矩和位置，例如，借助传感器数据 IMU 反馈调整姿势，避免摔倒。这种情况需要更快的响应时间和更复杂的控制算法，例如模型预测控制。

第三是平稳的控制和安全。鉴于人形机器人需要与人类互动，安全尤为重要。传统电机，如机床电机，可以追求高刚度来实现精确定位。然而，人形机器人需要检测外力，例如减小扭矩或在碰撞时停止工作，选择力控或阻抗控制，以确保与他人接触时的安全。

第四，高精度和高动态响应。人形机器人动作复杂多变，如快速挥手或精细抓取，要求电机能够快速响应(如毫秒调整)，带宽更高，延迟更低，同时处理多轴同步问题。传统电机，比如洗衣机电机，对响应速度要求不高，只需要稳定旋转即可。

第五是能源效率和热管理。人形机器人一般依靠电池供电，因此需要高效利用能源。但是很多传统电机直接连接电源，对能耗要求并不严格。因此，人类电机将提高控制算法，以节约能源和降低消耗，同时处理散热问题。由于结构紧凑，热量可能会堆积，影响性能和使用寿命。

第六是环境适应性和鲁棒性。人形机器人需要在不同的地形工作，如上下楼梯、不平坦的地面等。，这就需要电机来适应变化。传统电机通常在固定的环境中运行，如工厂装配线。因此，人形机器人需要更强的鲁棒来应对道路偏差和负荷变化，可能需要使用自适应控制算法。

七是集成感知和反馈。人形机器人依赖于力觉、视觉、视觉等多种传感器。IMU 等等，电机控制需要立即整合这些信息。传统电机可能只使用编码器进行反馈。因此，人类系统需要更复杂的传感器整合，例如使用视觉调节姿势，或者通过力反馈调整抓取力。

第八是体积和重量的限制。人形机器人关节空间有限，电机需要无框电机或定制驱动器等高功率密度。但是传统电机一般体积大，不需要考虑紧凑的设计。

基于以上对人形机器人电机控制要点的总结，我们可以看到，这些要结合更先进的控制算法和硬件开发来满足复杂的目标和交互需求。纳芯微继续深化高级算法和高集成商品，致力于解决人形机器人电机控制的高要求。

微丰富的纳芯运动控制方案

芯片作为人形机器人控制系统的核心硬件，通过多层次的技术架构，可以全面支持机器人的运动、感知和决策。接下来，我们将了解纳芯微推出的芯片解决方案和配套设计资源，以满足人形机器人控制系统的需求。

高度集成的关节驱动

目前，无框力矩电机和空心杯电机是关节驱动领域的主要电机类型。原则上，它们仍然属于永磁电机，因此它们的驱动框架图与永磁电机相同，是三相逆变电路。控制驱动板主要包括 MCU、预驱芯片(栅极驱动)、驱动 MOSFET/IGBT、相流检测，母线电压检测和编码器等。

受关节电机或灵活手的空间限制，整机厂或方案厂商一般倾向于选择集成度较高的电机驱动。 SoC 以及更小的封装编码器来实现电机控制，例如集成高压。 LDO、通讯接口(一般为 CAN 或是 485 通信接口）、MCU 高集成度控制核心和预驱电路 SoC。对空心杯电机而言，其部署空间较小，一般尺寸为 φ 8mm - φ 13mm。未来，高度集成的电机驱动 SoC 磁编码器可以进一步整合，从而实现单芯片解决方案。

目前纳芯微已经进行了量产集成预驱 NSUC1602 芯片与全集成 NSUC1610 芯片，为关节电机或灵活手带来高度集成的创新感受。其中，纳芯微 NSUC1602 核心选用 ARM Cortex - 内部集成M3 3 相 BLDC 预驱动，可以支持包括 FOC 复杂的电机算法，如矢量控制或无感六步换相控制。该芯片适用于汽车冷却风扇、电子水泵等领域，可支持最高。 1.5kW 电动机驱动。该集成芯片可以直接应用于具体智能关节模组中的线性 / 旋转式执行机构的无框电机驱动，其高度集成的ic设计，特别是针对关节电机对空间要求极高的特点，改善了设计空间。

纳芯微在 2023 年初推出的 NSUC1610 这是一个全集成的 SoC 商品，核心也是如此 ARM Cortex - 集成预驱，M3，Lin 收发器、LDO、MOS 管阵型、DAC 以及两路温度传感器。现已在各种车辆配备小型电机执行器，如各种阀门、空调风口、座椅通风性能等实现量产应用。NSUC1610是空心杯电机的驱动控制。高集成度可与磁编码器相配。 MT6701 提供一个简单的解决方案。就编码器而言，MT6701 和 MT6826S 各自提供了 QFN3*3 及 QFN4*4 各自提供两种微型封装方案 12 位置的绝对视角控制和 15 绝对视角控制方案，能满足绝大多数空心杯电机的应用需求。

高效率的运动控制

纳芯微推出的运动控制方面 NSD262x、NSD1224 等栅极驱动器在电机驱动控制中起着关键作用，可以准确控制人形机器人的关节电机，保证机器人能够高效稳定地完成各种动作。这些芯片具有功率密度高、噪音低、精度高的特点，可以为电机提供稳定的驱动信号，准确控制电机的速度和扭矩，保证电机的高效稳定运行，从而实现机器人各种复杂动作的顺利执行。

与此同时，头部和视觉控制部分由 MCU 主导，运用 PWM 信号控制电动机驱动和电动机运行。然后通过 Hall 传感器的电流感知，结合角度传感器和相位传感器，可以稳定支持头部动作的精确控制和视觉数据采集。纳芯微在这方面也有丰富的选择方案。

高度可靠的电源和通信

对于人形机器人的电池管理，纳芯微电池管理产品包括 LDO(NSR31/33/35xx)、Flyback(NSR284x， NSR28C4x)、Buck(NSR10Axx， NSR104xx， NSR106xx， NSR114xx，各种电源管理芯片，如NSR1103x。该芯片能够准确地监控电池的电量、电压、电流等数据，实现对电池的高效充电和放电管理，延长电池的使用寿命和续航能力。与此同时，可以为机器人各个部件提供适应的稳定电源，满足不同模块的电压要求，保证系统的正常运行。

纳芯微在通信领域。 NSI83086RS485， NSI83085, NCA3176, NSIP83086 CAN(NCA1051A， NCA1042B, NSIP1042, NSI1050, NSI1042)用于机器人内部各部分之间的通信连接；NSI82xxx 该系列隔离器保证了通信的稳定性和抗干扰性， I/O Expander 用于扩大输入输出接口；电压监测元件 NSR7808 电压监测和系统保护；NSREF30/31xx 系列电压基准源提供参考电压，确保系统运行平稳可靠，并且为其它部件提供标准支持。

完善的工具链支持

纳芯微不仅为人形机器人的开发提供了丰富的芯片解决方案，而且提供了完善的设计资源支持，包括：

嵌入式算法库：纳芯微提供 ARM Cortex - M3 的 FOC(磁场定向控制)和无感六步换算法固件，支持客户快速整定电机参数，提高动态响应。例如，NSUC1602 三相预驱芯片内置电路可以适应高达 1500W 电动机功率，满足人形机器人关节高扭矩要求。

热管理和可靠性验证工具：结合有限元分析（FEA）模型、纳芯微为用户提供热模拟工具支持，预测极端温度下电机驱动芯片的性能下降，并内置 AEC - Q100 Grade 0 级别诊断保护功能，保证在保证。 - 40 ℃ - 150 在环境中稳定运行等。

工业定制化解决方案：纳芯微具有完整的电机控制处理 IP，包括 PMU，接口 CAN/LIN/485，基于 Cortex - M3 的 MCU 核心、驱动、传感器和电机控制算法研究小组。人形机器人手部可精确控制(例如 NSUC1610 MT6701 用于灵活手空心杯电机控制的解决方案)或关节电机复杂算法提供定制解决方案，帮助客户实现电机算法和软件优化解决方案。

总结

纳芯微推出了针对人形机器人多自由度、高动态响应需求的全链路控制解决方案：

关节驱动：集成预驱 SoC将微型磁编码器(MT6701/6826S)与NSUC1602/1610相结合，实现无框电机。 / 紧凑型空心杯电机设计；

运动控制：栅极驱动提供稳定可靠的驱动信号，精确控制电机转速、扭矩；

基础支持：电源管理芯片组（LDO/Buck/Flyback）RS485/CAN 保证信号稳定的通信方案。

另外，纳芯微还为开发工具链提供了完善的支持，使得人形机器人方案的开发更加高效。

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