在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)對更高自動化水平的需求不斷攀升，這一趨勢極大地推動了人形機(jī)器人的研發(fā)進(jìn)程。如今的人形機(jī)器人正朝著更加復(fù)雜、精確的方向發(fā)展，其自由度（DOF）顯著提高，對周圍環(huán)境的響應(yīng)時間縮短至毫秒級，從而能夠更加逼真地模仿人類的動作。圖 1 清晰地展示了人形機(jī)器人的典型電機(jī)和運動功能。
　　更高的自由度意味著人形機(jī)器人需要配備更多的電機(jī)驅(qū)動器。而機(jī)器人設(shè)計中驅(qū)動器的位置決定了不同的驅(qū)動器要求，其中部分關(guān)鍵規(guī)格包括通信接口架構(gòu)、位置感測、電機(jī)類型、電機(jī)控制算法、功率級要求、電子電路尺寸以及功能安全注意事項等。
　　目前，雖然針對協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但專門規(guī)定人形機(jī)器人功能安全要求的標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺。隨著市場對人形機(jī)器人的需求持續(xù)增長，預(yù)計標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)未來會制定相應(yīng)的安全要求。在此之前，人形機(jī)器人設(shè)計人員必須對當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行全面調(diào)查，以便在未來盡可能減少因重新設(shè)計帶來的工作量。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691 - 4 等標(biāo)準(zhǔn)可以為未來的設(shè)計提供一定的參考和預(yù)期。
　　通信接口架構(gòu)　　鑒于驅(qū)動器在機(jī)器人中的位置分布，優(yōu)化與所有驅(qū)動器的通信并最大限度減少布線數(shù)量至關(guān)重要。實現(xiàn)優(yōu)化的方法有多種，其中最常用的是菊花鏈通信和線性總線拓?fù)洌謩e如圖 2 和圖 3 所示。

　　在選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，為了確保驅(qū)動器具有足夠的響應(yīng)時間，需要綜合考慮帶寬、時序和延遲要求。響應(yīng)時間可以根據(jù)規(guī)定的數(shù)據(jù)幀大小來確定所需的支持實時通信的通信協(xié)議。通信接口的帶寬要求還會受到電機(jī)控制算法在分散式電機(jī)驅(qū)動器、集中式和外部機(jī)器人運動控制器之間的拆分方式的影響，合理的拆分可以最大限度地減小節(jié)點之間所需的通信幀大小。
　　通常情況下，通信系統(tǒng)的最低帶寬要求約為 8Mbit。然而，隨著設(shè)計趨勢的發(fā)展，對系統(tǒng)診斷和安全功能的要求不斷提高。根據(jù)系統(tǒng)需求，人形機(jī)器人系統(tǒng)中常用的通信接口基于 CAN - FD 或以太網(wǎng)（包括 EtherCAT）。德州儀器（TI）提供物理層（PHY）收發(fā)器和嵌入式處理器，專門用于支持這些通信協(xié)議。CAN 收發(fā)器和以太網(wǎng) IC 是人形機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)中常用的器件。
　　位置檢測
　　人形機(jī)器人在運動過程中，必須獲取電機(jī)位置數(shù)據(jù)以進(jìn)行路徑規(guī)劃。位置數(shù)據(jù)是實現(xiàn)人形機(jī)器人受控移動的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)高精度的受控移動，機(jī)器人需要配備轉(zhuǎn)子位置傳感器，以便在電機(jī)上捕獲信息，并通過電機(jī)驅(qū)動器將信息高效地傳遞到中央處理計算機(jī)。根據(jù)所需的電機(jī)精度，可以選擇多種轉(zhuǎn)子位置傳感器，以下是一些最常用的編碼器：
　　光學(xué)編碼器：具有高精度、高分辨率的特點，能夠提供準(zhǔn)確的位置信息。
　　磁性編碼器：抗干擾能力強(qiáng)，適用于惡劣的工作環(huán)境。
　　增量編碼器：結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，廣泛應(yīng)用于一般精度要求的場合。
　　SIN/COS 旋轉(zhuǎn)變壓器：可靠性高，能夠在高溫、高振動等惡劣條件下穩(wěn)定工作。
　　這些編碼器具有不同的接口，用于連接至驅(qū)動器并提供轉(zhuǎn)子角度數(shù)據(jù)，在進(jìn)行位置控制時需要使用這些數(shù)據(jù)。這些接口需要特定的硬件支持，因此電機(jī)控制處理器至少需要支持以下編碼器配置之一：
　　專用串行接口，如 BiSS、Endat、Hiperface 或其他數(shù)字絕對編碼器。
　　具有采樣保持功能且適用于旋轉(zhuǎn)變壓器接口的 ADC 轉(zhuǎn)換器。
　　增量編碼器的正交編碼器脈沖。
　　用于接合磁性編碼器的串行接口。
　　一個電機(jī)可能需要多個編碼器，具體取決于電機(jī)和電機(jī)傳動裝置的實現(xiàn)方式。TI 提供模擬和處理器 IC 來實現(xiàn)編碼器接口系統(tǒng)。在位置感測方法中，還使用了 RS - 485 和 RS - 422 收發(fā)器以及多軸線性和角度位置傳感器。
　　電機(jī)類型
　　由于人形機(jī)器人通常采用電池供電，因此電機(jī)驅(qū)動器的設(shè)計目標(biāo)是最大限度地提高效率，以延長機(jī)器人的工作時間。
　　當(dāng)需要高功率輸出時，人形機(jī)器人可以集成永磁同步電機(jī)（PMSM）等電機(jī)。有刷直流電機(jī)則適用于一些低功耗情況，例如手部控制和手指控制。不過，當(dāng)前的設(shè)計趨勢表明，未來所有電機(jī)都將朝著無刷式電機(jī)的方向發(fā)展。
　　PMSM 電機(jī)有梯形繞組和正弦繞組兩種繞組選擇。繞組和控制算法的選擇會對電機(jī)控制的精確度產(chǎn)生影響。此外，電機(jī)設(shè)計的另一個關(guān)鍵要素是更快地切換 FET，這樣可以采用新的設(shè)計選項來提高電機(jī)單位重量的扭矩。
　　電機(jī)控制算法　　在選擇電機(jī)類型后，就需要確定控制電機(jī)的方法。實現(xiàn)控制回路有多種可選方法，但電機(jī)控制通常與圖 4 中所示的類似，該圖展示了所需的模擬子系統(tǒng)和處理器外設(shè)。

　　以圖 4 為通用模板，表 1 列出了在選擇算法 FOC 或阻塞換向時所需的外設(shè)和性能。

　　TI 擁有多種不同的 MCU，能夠滿足算法和角度傳感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和實現(xiàn)高性能驅(qū)動系統(tǒng)的實時能力。在電機(jī)控制算法中，常用的有 C2000 實時微控制器和基于 Arm 的微控制器。
　　功率級要求
　　根據(jù)機(jī)器人的驅(qū)動器位置不同，功率級別在 10W 至 4kW 之間變化，大多數(shù)驅(qū)動器的功率在 10W 至 1.5kW 之間。
　　驅(qū)動器通常在低于 60V 的安全特低電壓（SELV）范圍內(nèi)工作。因此，組件必須能夠在最高達(dá) 60V 的電壓下正常工作。對于放大器、FET 和柵極驅(qū)動器，為了減輕系統(tǒng)中潛在噪聲的影響，最好使用最高可在 100V 電壓下運行的元件。
　　在確定驅(qū)動器的電氣規(guī)格后，還需要考慮其他設(shè)計因素。可用于實現(xiàn)印刷電路板（PCB）的物理尺寸是另一個重要的設(shè)計考慮因素。小尺寸 IC 和高度優(yōu)化的功率密度設(shè)計對于實現(xiàn)小空間設(shè)計目標(biāo)至關(guān)重要。高功率密度會導(dǎo)致機(jī)器人的潛在溫度限制，在該限制下機(jī)器人的外部溫度不得高于 55°C。因為在 55°C 時，30 秒內(nèi)就可能發(fā)生全厚度皮膚灼傷。而且溫度管理方法不得包括風(fēng)扇或液體等額外冷卻方式。
　　溫度管理和空間的平衡促成功率級相對于單位尺寸瓦特數(shù)的平衡，這會影響功率級架構(gòu)。可能需要解決的一個問題是，確定功率級是否需要在更高的頻率下工作。這一問題通常出現(xiàn)在 MOSFET 中，但與基于 MOSFET 的系統(tǒng)相比，GaN FET 等新技術(shù)可以提高開關(guān)性能。對于溫度敏感型系統(tǒng)，與 MOSFET 技術(shù)相比，GaN FET 具有更高的理論效率，因為其開關(guān)損耗非常低。頻率的增加會要求 MCU 具備額外的功能，以便支持以足夠高的分辨率實現(xiàn)更高頻率開關(guān)所需的信號發(fā)送。
　　TI MOSFET 柵極驅(qū)動器能夠讓客戶以盡可能高的速度開關(guān) MOSFET，而 TI 低壓 GaN FET 則方便客戶快速比較和選擇機(jī)器人中每個位置的最佳 FET 類型。需要使用高性能 MOSFET 或 GaN FET 來實現(xiàn)驅(qū)動器，以提高電機(jī)效率。精密算法有助于減少電機(jī) FET 的開關(guān)需求和損耗。
　　人形機(jī)器人由電池供電，供電電壓通常為 48V，或者在 39V 至 54V 之間，具體取決于電池的電量狀態(tài)。使用的電壓取決于所設(shè)定的最小電池電量級別。前面提到，驅(qū)動器在 39V 時所需的最大功率為 4kW，可以看出，機(jī)器人驅(qū)動器需要在大約 102A 的電流下以最高效率工作來提供所需的功率，但同時要考慮到 0A 左右的精確測量，縮短 FET 的死區(qū)時間有利于 0A 左右電流測量的線性，使測量在低電流下更加精確。　　在評估功率級要求和選擇適當(dāng)?shù)碾娏鳈z測器件以實現(xiàn)所需的性能水平時，電流檢測也是一個重要的設(shè)計考慮因素。TI 提供同相電流感測和低側(cè)電流感應(yīng)模擬選項，以及有關(guān)如何高效實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計指南。通常使用同相電流感測，以便始終能夠檢測電流并提高測量的精度。有三種不同的電流測量選項：

　　對于電流感測放大器和 Δ - Σ 調(diào)制器，由于組件的不斷改進(jìn)，這些技術(shù)所用的電流電平逐漸提高到 100A 左右。
　　功能安全　　在規(guī)劃未來的設(shè)計時，選擇能夠簡化功能安全認(rèn)證的器件非常重要。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691 - 4 標(biāo)準(zhǔn)為未來人形機(jī)器人的設(shè)計提供了預(yù)期方向。兩種 C 類標(biāo)準(zhǔn)（ISO10218 和 ISO3691 - 4）都參考了 ISO13849，規(guī)定系統(tǒng)必須達(dá)到性能等級 d（PLd）。但是，ISO3691 - 4 將架構(gòu)的確定權(quán)交給了實現(xiàn)者，而 ISO10218 則要求采用 CAT3 架構(gòu)。考慮到這些標(biāo)準(zhǔn)中的最糟糕情況，至少需要考慮人形機(jī)器人的 CAT3 PLD 安全注意事項。實現(xiàn) CAT3 系統(tǒng)時，必須采用圖 5 所示的安全架構(gòu)。

　　示例系統(tǒng)　　圖 6 中的框圖展示了建議的解決方案，用于使用 TI 組件解決 1.5kW 系統(tǒng)設(shè)計問題，下面列出了具體可以使用的元件。