2023年特斯拉AI日，Optimus用驚世駭俗的“后空翻”動(dòng)作，宣告人形機(jī)器人第一次實(shí)現(xiàn)了從“笨拙行走”到“動(dòng)態(tài)平衡”的歷史性跨越。而最近的技術(shù)突破和生產(chǎn)成本的進(jìn)一步下降，更使得人形機(jī)器人的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)，2035年人形機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1.75萬(wàn)億美元，出貨量在2030年達(dá)1500萬(wàn)臺(tái)。對(duì)希望進(jìn)入人形機(jī)器人市場(chǎng)的投資者來(lái)說(shuō)，他們可以在供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)找到機(jī)會(huì)，特別是機(jī)器人制造、AI芯片制造、傳感器開(kāi)發(fā)、相關(guān)部件和材料供應(yīng)等方面。云基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)管理軟件提供商也有望從數(shù)據(jù)生成量的增長(zhǎng)中獲益。
作為行業(yè)的重要參與者，ADI對(duì)這一變革有著獨(dú)到且全面的見(jiàn)解。憑借不斷增強(qiáng)的數(shù)字、軟件和算法能力，并結(jié)合先進(jìn)的模擬產(chǎn)品組合，ADI正在幫助人形機(jī)器人客戶應(yīng)對(duì)來(lái)自靈巧手、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制、通信連接、智能傳感等領(lǐng)域中最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
靈巧手的精密控制進(jìn)化之路
根據(jù)Statista的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，全球機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)規(guī)模將由2021年的11.6億美元增長(zhǎng)至2030年的30.35億美元，2022-2030年間年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為10.9%。同時(shí)，全球機(jī)器人靈巧手市場(chǎng)容量將由2021年的50.75萬(wàn)只增長(zhǎng)到2030年的141.21萬(wàn)只，2022-2030年間CAGR為11.7%。
靈巧手的技術(shù)突破是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作的關(guān)鍵——它不僅需要模仿人類手部的20+自由度靈活運(yùn)動(dòng)，更要在0.1毫米級(jí)精度下完成抓取、捏取、扭轉(zhuǎn)等精細(xì)動(dòng)作。為此，ADI在該領(lǐng)域提供了從磁編碼器到算法集成的全鏈路優(yōu)化解決方案。
精準(zhǔn)感知：磁編碼器破解關(guān)節(jié)定位難題
單芯片角度和多圈編碼器位置傳感器ADMT4000可以指示電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，顯示電機(jī)角度數(shù)據(jù)，量程為360度。其后端配置激光傳感器用于動(dòng)態(tài)距離測(cè)量，感應(yīng)區(qū)域可以實(shí)時(shí)顯示與被測(cè)物體的距離變化。這款產(chǎn)品最大特性是能在掉電狀態(tài)下保持位置信息，如系統(tǒng)記錄當(dāng)前位置為28.75圈，斷電手動(dòng)旋轉(zhuǎn)后重新上電，圈數(shù)變化仍可準(zhǔn)確讀取。ADMT4000集成角度檢測(cè)與無(wú)源多圈記憶功能，最高支持46圈，0°至16,560°角度記錄，精度達(dá)±0.25°。
ADI中國(guó)區(qū)工業(yè)市場(chǎng)總監(jiān)蔡振宇表示，在傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中，很多方案在斷電后需重新判斷手臂位置才能重啟，而ADI方案能讓主控單元在斷電時(shí)記憶位置信號(hào)，電機(jī)重啟后手臂直接從靜止位置復(fù)位。此外，產(chǎn)品內(nèi)部?jī)蓚€(gè)磁傳感器，轉(zhuǎn)圈傳感器和角度傳感器呈90度傾斜正交排列，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)觸發(fā)寄存器寫(xiě)入動(dòng)作，大大提高了精度。
無(wú)線傳輸，解決手部關(guān)節(jié)布線復(fù)雜問(wèn)題
針對(duì)手部關(guān)節(jié)布線復(fù)雜問(wèn)題，ADI開(kāi)發(fā)了完整的毫米波(mmWave)無(wú)線連接解決方案ADMV9611/ADMV9621，采用小型印刷電路組件(PCA)形式，可在2-3毫米距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)100Mbps速率傳輸，替代傳統(tǒng)各類控制線，使手部重量大大減輕。搭配使用ADMV9611與ADMV9621，可以搭建完整的全雙工60GHz數(shù)據(jù)鏈路，能夠在免許可的60GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段中實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
未來(lái)，該技術(shù)將支持“快速換爪”功能——物流機(jī)器人可在短時(shí)間內(nèi)切換抓取快遞的“夾爪”與搬運(yùn)零件的“吸盤”，通過(guò)無(wú)線信號(hào)同步控制參數(shù)，提升效率。
集成FOC算法的電機(jī)控制方案
隨著設(shè)備電機(jī)數(shù)量激增，傳統(tǒng)集中式控制方案因算力負(fù)荷大、系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題亟待突破。ADI的核心策略是將先進(jìn)控制算法，如FOC磁場(chǎng)定向控制集成至硬件芯片，通過(guò)固化硬件架構(gòu)大幅降低主控制器負(fù)擔(dān)。以面向靈巧手應(yīng)用推出的最新電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片為例，該款專為高精度多關(guān)節(jié)協(xié)同控制設(shè)計(jì)的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，聚焦多軸協(xié)同、高精度、低功耗，內(nèi)置FOC磁場(chǎng)定向控制，支持6-8通道同步驅(qū)動(dòng)、256細(xì)分微步控制、StealthChop2靜音、CoolStep 動(dòng)態(tài)電流調(diào)節(jié)等多個(gè)技術(shù)。
模塊化集成：即插即用加速場(chǎng)景落地
通過(guò)“傳感器+驅(qū)動(dòng)+反饋”模塊化設(shè)計(jì)，ADI將陸續(xù)推出適配不同場(chǎng)景的靈巧手解決方案。以關(guān)節(jié)模組一體化為例，通過(guò)將ADMT4000磁編碼器、TMC9660驅(qū)動(dòng)芯片與微型力傳感器組成完整的解決方案，體積較離散方案明顯縮小，降低成本
構(gòu)建低延遲、高可靠的通信網(wǎng)絡(luò)
連接對(duì)于實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能、實(shí)時(shí)決策和高效的人機(jī)交互至關(guān)重要，而人形機(jī)器人的連接涉及多個(gè)方面，需要集成多種技術(shù)和協(xié)議，以確保機(jī)器人內(nèi)部、與其他機(jī)器人以及與外部系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信。ADI通過(guò)先進(jìn)的通信接口、穩(wěn)健的傳感器集成和可靠的低延遲解決方案增強(qiáng)人形機(jī)器人連接能力，而全面的開(kāi)發(fā)工具則簡(jiǎn)化了方案實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
考慮到人形機(jī)器人和汽車在技術(shù)架構(gòu)和供應(yīng)鏈上都高度相似，ADI正在將此前應(yīng)用于汽車中的千兆多媒體串行鏈路(GMSL)技術(shù)引入機(jī)器人視覺(jué)方案中。根據(jù)蔡振宇的介紹，通過(guò)運(yùn)用加串/解串技術(shù)，GMSL能將高速大帶寬視頻信號(hào)經(jīng)同軸電纜或雙絞線，高效穩(wěn)定傳輸至遠(yuǎn)端設(shè)備，具備遠(yuǎn)距離、高速率、高帶寬優(yōu)勢(shì)，傳輸速率可達(dá)3Gbps/6Gbps/12Gbps。
在下圖展示的模擬機(jī)器人視覺(jué)模塊裝置中，通過(guò)配置三對(duì)雙目攝像頭與三個(gè)魚(yú)眼攝像頭實(shí)現(xiàn)環(huán)視效果。攝像頭收集的數(shù)據(jù)經(jīng)GMSL接口芯片傳至中央處理單元，處理后的圖像再通過(guò)該芯片傳至顯示屏。顯示屏底部的三個(gè)窗口對(duì)應(yīng)雙目攝像頭采集的“景深視頻”，用于距離判定，有明顯的空間深度信息。未開(kāi)啟魚(yú)眼功能時(shí)，CPU擬合三路環(huán)視數(shù)據(jù)生成“點(diǎn)云圖”，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、障礙識(shí)別等功能，充分展現(xiàn)了GMSL產(chǎn)品在機(jī)器人視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。
而在工業(yè)場(chǎng)景中，ADIN2299多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)兼容PROFINET、EtherCat等8種主流協(xié)議，使機(jī)器人能與PLC、機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)數(shù)據(jù)同步，在汽車生產(chǎn)線中協(xié)同完成車門密封膠涂覆等精密工序，位置誤差小于0.5毫米。
“當(dāng)前，機(jī)器人連接標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，不同的客戶會(huì)根據(jù)具體需求，選擇包括工業(yè)以太網(wǎng)、GMSL、隔離USB、LVDS在內(nèi)的多種連接技術(shù)，我們要在滿足客戶多樣化產(chǎn)品需求方面做好充分準(zhǔn)備?！安陶裼钫f(shuō)。
實(shí)時(shí)控制：硬核性能 × 場(chǎng)景算法雙輪驅(qū)動(dòng)
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人形機(jī)器人通常需配備30個(gè)以上PMSM/BLDC電機(jī)，這些電機(jī)在12V至65V范圍內(nèi)工作，能夠提供1A至20A以上的電流，由能夠高精度管理速度、扭矩和位置的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制。比如對(duì)于涉及編碼器和精密控制環(huán)路的肘部和手腕運(yùn)動(dòng)，精確定位至關(guān)重要。此外還要能勝任操作任務(wù)，例如手指運(yùn)動(dòng)或處理精細(xì)物體。
TMCM-2611-AGV是一款專為三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)設(shè)計(jì)的雙軸伺服驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，能夠在高達(dá)14ARMS和+48V下穩(wěn)定運(yùn)行。此模塊對(duì)于人形機(jī)器人尤其有價(jià)值，因?yàn)樗軌蛱峁┚_且流暢的電機(jī)控制，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人動(dòng)作至關(guān)重要。
Trinamic TMC6100是一款用于BLDC和PMSM電機(jī)的高效柵極驅(qū)動(dòng)器，能夠確保機(jī)器人平穩(wěn)、精確地運(yùn)動(dòng)，從而完成復(fù)雜任務(wù)。TMC6200則集成了三相電機(jī)的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，在大電流負(fù)載下能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)健的性能和可靠性。
在步進(jìn)電機(jī)芯片和驅(qū)動(dòng)控制模塊演示系統(tǒng)中，TMCM-1290是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊，內(nèi)部通過(guò)StealthChop2實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)靜音控制，運(yùn)用平滑運(yùn)動(dòng)的八點(diǎn)軌跡曲線規(guī)劃，可有效解決傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)曲線中電機(jī)啟停時(shí)的加速、減速突變問(wèn)題，保障運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。另一顆芯片是電磁閥驅(qū)動(dòng)控制器MAX22216，集成四個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)，每個(gè)半橋控制相應(yīng)的電機(jī)移動(dòng)，理論上可以控制四個(gè)低電流電壓電機(jī)，主要進(jìn)行絞轉(zhuǎn)的控制，確保電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，
此外，考慮到人形機(jī)器人的電機(jī)控制解決方案將朝著更集成化、小型化和高效化的方向發(fā)展。這將促使對(duì)新型、可靠的基于氮化鎵(GaN)控制器的需求增長(zhǎng)，這些控制器能夠與緊湊型電源、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及低線數(shù)連接解決方案緊密融合，諸如ADI的信號(hào)鏈微型模塊這類緊湊型芯片產(chǎn)品集成將愈發(fā)重要。
ADI基于第三代半導(dǎo)體技術(shù)將開(kāi)關(guān)頻率提升至200kHz，配合高頻電流采樣ADC (ADuM7701及后續(xù)產(chǎn)品)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的精準(zhǔn)控制。在膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中，可支持200Nm以上的瞬時(shí)扭矩輸出，同時(shí)效率提升至95%，滿足重載搬運(yùn)場(chǎng)景需求。
結(jié)語(yǔ)
總體而言，ADI在人形機(jī)器人領(lǐng)域的布局本質(zhì)上是對(duì)其“神經(jīng)系統(tǒng)”的重構(gòu)——通過(guò)技術(shù)穿透打破層級(jí)壁壘，以場(chǎng)景適配釋放應(yīng)用潛力，借生態(tài)共建擴(kuò)大技術(shù)輻射。這種“底層技術(shù)+系統(tǒng)思維”的雙重優(yōu)勢(shì)，使ADI成為驅(qū)動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵力量，而不僅僅是扮演零部件供應(yīng)商的角色。
