人形机器人关节激增，对电机控制芯片有何挑战？

“具身人形机器人的特点是自由度(DOF)很大，一个自由度意味着一个伺服电机，从峰岹的角度来看就是一颗芯片，机器人的电机与家用电器的电机不同，前者要求电机的响应非常极快。”loaesmc

峰岹科技首席技术官毕超博士在11月5日的“2024全球CEO领袖峰会”上，围绕“具身机器人对电机控制芯片的挑战”的主题，分享了人形机器人用微型电机的当前面临的一些技术难点和解决方案。他在演讲中指出，峰岹科技只干一件事——研发电机控制芯片。“现在机器人行业越来越火，我们也应在其中有所作为。”loaesmc

人形机器人的关节/DOF越来越多

根据毕超博士的介绍，具身人形机器人的DOF较多，而每一个DOF代表一个伺服电机系统，这类机器人还需根据伺服指令做出快速、准确的响应。毕超博士以Boston Dynamic的机器狗、ASIMO、ARMAR-4、Tesla G-II为例，介绍了这类人形机器人的“灵巧手臂”的DOF越来越多的趋势。比如，Boston Dynamic的机器狗有12个关节(DOF)，ASIMO有34个DOF，ARMAR-4有63 DOF，Tesla G-II的手臂有 22个DOF (一只手11个DOF)。loaesmc

其中，每一个DOF对应一个微型马达/电机，也同样需要一颗电机控制芯片，所以毕超博士认为，对电机控制芯片提供商而言，机器人灵巧手臂应用的电机越多，公司潜在的市场空间和机遇也就越大，这也是峰岹科技热衷机器人的主要原因。loaesmc

机器人灵巧手臂对微型电机有哪些要求？

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当然，机器人灵巧手臂对电机的尺寸和转矩密度也提出了非常高的要求，同时它也会带来很多问题。一只像人手一样灵活的灵巧手，需要27个DOF(8个DOF模拟腕骨，5个DOF模拟掌骨，14个DOF模拟指骨)。loaesmc

如今，许多灵巧手臂中使用了空心杯马达，这类马达又称无铁芯电机、无齿槽电机。毕超博士以目前业内主流的德国产的无齿槽电机为例，这类电机尺寸小、成本高，一个直径6毫米的电机售价高达1万人民币，如果一只灵巧手有27个DOF，仅电机的成本就超过了20万人民币。如此高昂的成本，势必会影响商用落地的速度。在面对以上问题，毕超博士提出一些方法——去掉灵巧手中非必要的关节，比如中指最前端的关节。loaesmc

除了减少关节达到降成本的目的之外，灵巧手臂还需要电机技术层面的支持，因为机器人手指的空间非常小，这要求电机尺寸要小、转矩密度要高。转矩密度是指电机在单位体积或单位重量下能产生的转矩，它是衡量电机设计效率和紧凑性的一个重要指标。高转矩密度意味着在相同体积或重量下，电机能够提供更大的转矩。loaesmc

目前，各机器人公司通常采用“高速电机+微型精密齿轮箱”的方案，还需配合高精度的微型转子位传感器，来实现减小电机体积的目的。毕超博士表示，这些都是峰岹科技的研发方向。loaesmc

此外，微型电机的反应速度也要快，只有这样机器人灵巧手的动作才能丝滑且灵活，这涉及到每一个关节的电机的协调运动。毕超博士演示了ASIMO的丝滑运动、东京大学制作的猜拳机械手DEMO的视频，反应了机器人把人的功能放大后，可以实现人类做不到的事情。这需要微型电机控制系统，把机械臂的运动精细化并快速放大。loaesmc

在电机领域，与“电机功率密度”的概念相比较，“电机转矩密度”更加有意义。转矩密度是由电机的物理条件所决定的，例如：电磁结构，电机材料和电机尺寸。而功率密度则与电机的速度密切相关，当转矩越大电机的功率就会越大。loaesmc

实际上，电机的转距、功率与控制模式有关，这也是为什么在转矩很高的条件下，较小的电机也能实现较大的功率。同样，在体积很小的应用场景中，比如现在的吸尘器电机可达15万转/分钟以上，机器人电机一般在1万转/分钟以上，电机设计提升转矩密度的难度要远高于功率密度。loaesmc

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传统电机中的转子有3层，包括转轴、铁芯、磁钢，定子有4层，包括齿顶、齿身、绕组、磁轭，同时定子和转子之间还有气隙，由于径向层次很多，传统的交流永磁电机很难做到直径小于20mm。loaesmc

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而无槽电机/空心杯电机可以做到非常小尺寸，它的转子只有两层，包括铁芯、磁钢，定子也有两层，包括绕组、磁轭，虽然定子和转子之间仍然有气隙，但是由于定子径向层次只有2层，可以实现直径为4mm的电机结构。loaesmc

得益于无槽电机的齿槽转矩小，对转矩的控制可以比较精准。又由于电枢绕组的电感较小，电机控制的PWM频率必须较高。因为电机的气隙相对较大，电机的转矩密度不高，会造成反应速度慢，所以当电机的直径越小时，该问题就会显得越严重。此外，毕超博士还介绍说，无槽电机的主要成本在绕组制作上。loaesmc

具身机器人对微型伺服控制芯片的挑战

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机器人的关节就是微型伺服控制系统，通常它与控制、传感器、马达/电机、齿轮箱有关。峰岹科技关心的是控制与驱动，而如今在电机控制芯片中，往往还集成了位置传感器。这对于控制系统的要求是：一方面，电机的尺寸要极小，同时转矩密度大；另一方面，电机的精度要高。对此，峰岹科技的大伺服控制系统的精度可做到17个bit以上，甚至更高，但小的伺服控制系统的精度为12bit。loaesmc

电机控制芯片面临挑战，需在尺寸和转矩上实现优化，确保电机在不同位置都能精准转换。其中，电机结构设计和芯片库的改进是关键，比如电机控制必须精准，传感器配合需实现快速、稳定的响应，防止控制系统受损。loaesmc

在动力和能耗平衡上，要降低芯片损耗，提升电机性能。闭环控制算法和通讯接口的复杂性也是伺服控制系统需解决的问题。安全性方面，过载保护和电机在极端条件下的耐用性是重点。loaesmc

噪音和电磁干扰控制对多马达系统至关重要。成本控制也是挑战，以确保产品市场竞争力。在线参数辨识对于电机健康监测极为重要，但计算量大且建模困难。需要通过电流、电压等数据，快速获取电机参数变化，这对MCU硬件要求极高。对此，峰岹科技的做法是在保证性能的同时，考虑成本问题，避免芯片过于昂贵。loaesmc

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根据毕超博士的介绍，现如今，峰岹科技已从传统的单核运行转向双核运行，以不同核心处理特定信号，如一个核心专门处理电机控制，另一个处理通讯和保护等通用任务。这样，无需高制程的芯片技术即可实现高性能电机控制芯片。loaesmc

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值得注意的是，面对在线参数辨识的需求，目前双核已显不足，在此基础上，峰岹科技正在考虑采用三芯片方案——具有Tri-Core电机无感控制芯片架构。这主要是因为需要辨识的参数增多，包括摩擦系数和关联负载等，以及利用参数辨识来判断电机健康状况。loaesmc

小结：

最后，毕超博士还透露，峰岹科技不追求通过低纳米工艺芯片来增强性能，主要是考虑到控制成本的问题。他指出，公司专注于为参数辨识添加一个专门的实时操作核心。尤其是对无槽电机或空心电机等新型电机来说，这种架构对电机控制系统提出了新的挑战。loaesmc

而参数辨识对高性能控制至关重要。考虑到模型的复杂性，多核架构成为解决成本和性能问题的有效途径。目前，峰岹科技已实现32位双核，现在正致力于开发多核技术，以提升机器人伺服控制芯片的性能。loaesmc