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“芯片+算法+系統(tǒng)”三位一體的創(chuàng)新驅(qū)控 10月15日， MPS人形機器人解決方案發(fā)布會在上海順利舉辦。MPS模擬產(chǎn)品線的總監(jiān)瞿松帶大家縱覽人形機器人從技術(shù)萌芽到智能革命的演進歷程，深度剖析當(dāng)前機器人應(yīng)用面臨的動態(tài)平衡、環(huán)境感知與實時決策、能耗與制造成本等核心挑戰(zhàn)，同時揭曉了MPS針對人形機器人應(yīng)用難題推出的高性能電機驅(qū)動、高精度傳感器、驅(qū)控一體式電機等多款新產(chǎn)品，并詳細(xì)解析產(chǎn)品特性與技術(shù)優(yōu)勢。 人形機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 21世紀(jì)以來，人形機器人進入了快速發(fā)展階段。波士頓動力公司推出以高動態(tài)運動能力為特征的Atlas機器人。特斯拉公司研發(fā)出Optimus人形機器人，計劃應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。Figure AI 機器人首個搭載通用視覺-語言-行動（VLA）模型，能夠?qū)崿F(xiàn)自然語言控制、多機器人協(xié)作、快速學(xué)習(xí)等功能。 國內(nèi)市場也表現(xiàn)出了很強的活力。宇樹科技的R1、G1、H1等人形機器人具有較強的運動能力，同時集成了語音、圖像多模態(tài)大模型，具有較強的交互能力。智元推出了適用于工業(yè)及商業(yè)場景的遠(yuǎn)征系列，全身49個自由度，單臂最大負(fù)載5Kg，搭載了自研的具身智腦框架和WorkGPT大模型，能夠理解用戶意圖，感知環(huán)境和任務(wù)編排。靈犀系列則定位在輕量化、智能交互與服務(wù)上，具備毫秒級交互反應(yīng)，配備先進的小腦控制器和域控制器，支持豐富的交互體驗。小鵬機器人IRON高度擬人，能主動推理思考，進行類人連續(xù)對話，配備多種傳感器，已于今年進入裝配車間實習(xí)。 如上所述，人形機器人行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，技術(shù)進步、政策支持和市場需求共同推動其向規(guī)模化應(yīng)用邁進。 
圖1：機器人的演變過程 2025年人形機器人進入量產(chǎn)元年，市場規(guī)模預(yù)計將持續(xù)擴大。據(jù)高工機器人產(chǎn)業(yè)研究所（GGII）預(yù)測，2025年全球人形機器人的市場規(guī)模將達(dá)到63.39億元，2035年可能超過4000億元。工業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹紫瘸蔀橹饕膽?yīng)用場景，替代更多重復(fù)性、危險性勞動，提高生產(chǎn)效率。隨著技術(shù)成熟和成本下降，人形機器人有望在家庭服務(wù)、醫(yī)療康復(fù)、教育陪伴等方面實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。 同時，人工智能技術(shù)的進步、AI大模型與機器人的深度融合，將使機器人具備更強的自主學(xué)習(xí)和決策能力，實現(xiàn)更自然的人機交互。人形機器人正朝著類人化、自主化、集群化、安全化方向發(fā)展，相關(guān)制造商們也正努力把科幻場景變成產(chǎn)業(yè)實景。 人形機器人的技術(shù)挑戰(zhàn) 如今的機器人行業(yè)競爭激烈。尤其在當(dāng)下機器人設(shè)計迭代周期不斷縮短、成本控制日益嚴(yán)格、功能需求越發(fā)精細(xì)復(fù)雜且通往賽道終點的路線尚不明確的情況下，為了能在這場競賽中取得成功，人形機器人制造商們不得不越來越依賴于半導(dǎo)體供應(yīng)商。 人形機器人行業(yè)目前面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)，想要實現(xiàn)具身智能（Embodied Intelligence），任重道遠(yuǎn)。 挑戰(zhàn)一：運動能力與穩(wěn)定性不足 • 動作協(xié)調(diào)性：實現(xiàn)自然流暢的運動和復(fù)雜動作仍有挑戰(zhàn)，步態(tài)和身體協(xié)調(diào)性需提升，尤其在不平坦地面或受外力沖擊時。 • 平衡與靈活性：快速奔跑、跳躍等動作時，保持身體穩(wěn)定和平衡困難，高精度傳感器和高級算法的需求較高。 • 能源效率：高復(fù)雜度運動需要大量電力，現(xiàn)有電池技術(shù)難以滿足長時間、高負(fù)荷運行的需求。
圖2：人形機器人運動能力示意圖 挑戰(zhàn)二：感知與認(rèn)知能力有限 • 環(huán)境感知：多傳感器融合不完善，復(fù)雜動態(tài)環(huán)境下的識別和理解能力較弱。 • 自然語言理解：理解自然語言的上下文、情感和語境困難，準(zhǔn)確回應(yīng)和流暢對話能力不足。 • 決策與規(guī)劃：自主決策能力欠缺，復(fù)雜環(huán)境中實時感知和處理變化的能力有限，多任務(wù)處理能力不足。
圖3：人形機器人感知能力示意圖 挑戰(zhàn)三：高昂的制造成本 人形機器人的核心部件成本高昂，例如靈巧手、關(guān)節(jié)模組、傳感器等關(guān)鍵部件的成本占比較大。 MPS人形機器人解決方案 面對以上挑戰(zhàn)，MPS推出了人形機器人解決方案，除了會考慮定義產(chǎn)品的“殺手锏”功能，還會統(tǒng)一產(chǎn)品開發(fā)路線和整體芯片生態(tài)系統(tǒng)，精心設(shè)計產(chǎn)品使其具備更高的安全性、可擴展性和可靠性，從而幫助人形機器人制造商實現(xiàn)其具身智能的目標(biāo)。 電機驅(qū)動芯片：運動能力與穩(wěn)定性的核心基礎(chǔ) 首先，人形機器人運動能力與穩(wěn)定性問題的關(guān)鍵，在于電機模組的控制。為此，MPS推出了針對三相無刷直流電機的MP(Q)6547A、MP6543電機驅(qū)動器芯片。 其中，MP(Q)6547A具備較高的電壓范圍，工作電壓從4V至32V。在驅(qū)動能力方面，MP(Q)6547A內(nèi)部集成了3個半橋驅(qū)動器，6個低內(nèi)阻MOSFET，其中高邊MOSFET內(nèi)阻60 mΩ，低邊MOSFET內(nèi)阻50mΩ，連續(xù)輸出電流可達(dá)3A，峰值電流可達(dá)6A。 同時，為了使得開發(fā)更加便捷，MP(Q)6547A內(nèi)部充電泵支持100%占空比工作，具備自動同步整流功能。在故障檢測方面，MP(Q)6547A具有輸出故障提示，欠壓鎖定保護 (UVLO) 和過壓保護 (OVP)，過溫關(guān)斷保護 (OTP)，過流保護 (OCP)功能。該芯片封裝采用QFN-18 (3mmx4mm) 封裝，具有可潤濕側(cè)翼，可以在提高散熱能力的同時減小PCB占板面積。
圖4：MP6547應(yīng)用框圖 而對于低電壓范圍低功耗的機器人應(yīng)用場景，MPS還推出了三相無刷直流電機驅(qū)動芯片MP6543。MP6543的工作電壓范圍是3V至12V，內(nèi)部同樣集成了3路半橋驅(qū)動器，其中每個MOSFET內(nèi)阻110mΩ。 為了便于控制，MP6543支持PWM與ENBL輸入，支持霍爾信號輸入，內(nèi)置3.3V/100mA LDO調(diào)節(jié)器，支持內(nèi)部充電泵100%占空比工作，具備自動同步整流功能。 同時，為了便于進行目標(biāo)電流檢測，MP6543還集成了雙向電流檢測放大器。封裝采用QFN-24封裝，極大的節(jié)省了PCB空間。
圖5：MP6543 應(yīng)用框圖 傳感器：機器人精準(zhǔn)控制的關(guān)鍵 然而，要讓機器人更加靈活，只有電機驅(qū)動是不夠的，還需要各種傳感器來為機器人提供對外界的感知。 在諸多紛繁復(fù)雜的傳感器品類中，角度傳感器格外的重要。它可以提供手指轉(zhuǎn)動的角度反饋，讓每根手指能夠執(zhí)行精確的位置控制，并協(xié)調(diào)多指間的運動。例如機器人用靈巧手抓取一個物體，就需要各個手指，分別按照預(yù)定的角度來包裹物體，聽上去簡單，實現(xiàn)起來卻很難，如果精度稍差，就可能抓不穩(wěn)或用力不均，導(dǎo)致打滑。 傳統(tǒng)的角度傳感器，很多是基于霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)的，工作范圍內(nèi)的精度通常在1度左右（經(jīng)校準(zhǔn)后可達(dá)0.2度），這對于手指而言，還不夠靈巧，對于未來的機器人，肯定需要更高精度的角度傳感器。 為此，MPS推出了基于磁阻效應(yīng)的TMR傳感器：MA600A。其工作范圍內(nèi)的精度小于0.6度，經(jīng)校準(zhǔn)后的最終誤差 (INL) 可小于 0.1度，無噪聲分辨率可達(dá)12位至15位，帶寬也高達(dá)12kHZ。 MA600A的工作電壓為3V至3.6V，通信接口支持SPI、ABZ、PWM、UVW以及SSI，適用于多種通信協(xié)議場合。其支持菊花鏈配置，配置更加靈活，通過AEC-Q100認(rèn)證，安全可靠。 同時為了減小體積，MA600A采用QFN-16封裝，直徑只有3mm，可以輕松裝配到靈巧手中的各個位置。考慮到不同機器人的機械結(jié)構(gòu)差異，MA600A可以支持同軸或離軸安裝，可以適配不同的機械結(jié)構(gòu)。
圖6：MA600A
圖7：MA600A 應(yīng)用框圖 但是直接測量的磁傳感器較容易受到外界干擾，對于機器人靈巧手而言，其內(nèi)部有多個電機，會產(chǎn)生多種電流，這會導(dǎo)致產(chǎn)生鄰近的雜散磁場。 針對這一問題，差分傳感器可以很好的解決。為此，MPS推出了非接觸式、高精度磁性絕對角度位置差分傳感器MA900。其通過傳感器 IC 上多個位置的磁場差異來提取角度數(shù)據(jù)，這種差分方法消除了寄生磁場的影響，通過多點采樣和差分測量的方式，來消除外界干擾磁場和某些共模誤差，實現(xiàn)更穩(wěn)定的角度測量，讓機器人能在更復(fù)雜的環(huán)境中工作。 MA900提供兩種供電電壓，3V至3.6V和4.5V至5V。通信接口支持SPI、I2C、ABZ、PWM、UVW、SSI、SENT，可適配多種電壓與通信協(xié)議場景。在故障檢測方面，MP900還可配置磁場強度檢測，便于診斷檢查。 MA900符合AEC-Q100認(rèn)證，安全可靠。其封裝采用QFN-16與QFN-32，尺寸較小，節(jié)省了PCB面積。
圖8：MA900
圖9：MA900 應(yīng)用框圖 高性能、高集成度電機驅(qū)動解決方案 除了上述針對單一功能的應(yīng)用場景外，MPS還提供了一套面向未來的高性能、高集成度電機驅(qū)動解決方案，可以在高功率密度、低噪音、快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)高度集成與智能控制，以適應(yīng)人形機器人向類人化、自主化、輕量化發(fā)展的趨勢。 1. 高度集成：MCU + 驅(qū)動 + 功率器件“三合一”合封方案 為應(yīng)對人形機器人對小型化、模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計的嚴(yán)苛要求，MPS推出了基于系統(tǒng)級封裝（SiP）與合封技術(shù)（Co-Packaging） 的微型伺服驅(qū)動模組。 • 集成MCU的智能驅(qū)動方案： MPS將專用控制MCU（如基于ARM Cortex-M系列架構(gòu)）與電機驅(qū)動IC（如MP(Q)6547A / MP6543）以及功率MOSFET進行同封裝集成，形成“驅(qū)動+控制+功率”一體化模塊。 o MCU內(nèi)置微型伺服控制算法（見下文），支持FOC（磁場定向控制）、梯形波、SVPWM等多種控制模式。 o 實現(xiàn)閉環(huán)電流、速度、位置三環(huán)控制，響應(yīng)時間<1ms。 o 支持CAN FD、I2C、SPI等通信接口，便于與上層主控（如ROS系統(tǒng)）高效交互。 • 極致小型化封裝： o 采用QFN-18（3mm×4mm）、QFN-24等超小封裝，并帶可潤濕側(cè)翼，提升焊接可靠性與散熱性能。 o 結(jié)合3D堆疊與芯片倒裝（Flip-Chip）工藝，顯著降低PCB占用面積，適用于手指關(guān)節(jié)、頸部、手腕等狹小空間。 o 典型模組直徑僅12mm，集成空心杯電機、行星齒輪箱與驅(qū)動控制單元，廣泛應(yīng)用于靈巧手與微型執(zhí)行器。 點睛優(yōu)勢：通過合封技術(shù)，MPS將傳統(tǒng)分立的控制器、驅(qū)動器、傳感器信號調(diào)理電路整合為單一模塊，減少布線干擾、提升系統(tǒng)可靠性，同時降低整體BOM成本。 2. 微型伺服控制算法：實現(xiàn)高精度、低噪音運動 人形機器人追求擬人化動作流暢性，傳統(tǒng)開環(huán)控制難以滿足需求。MPS在驅(qū)動芯片中嵌入了自研微型伺服控制算法棧，專為微型電機優(yōu)化： • 自適應(yīng)FOC算法： 支持無感FOC（Sensorless FOC）與有感FOC雙模式，結(jié)合高頻注入法實現(xiàn)低速高轉(zhuǎn)矩啟動，提升起步平順性。 • 振動抑制與噪音優(yōu)化： o 內(nèi)置S形加減速規(guī)劃器，避免階躍電流沖擊，降低機械共振。 o 采用隨機PWM調(diào)制技術(shù)，分散電磁噪聲頻譜，實現(xiàn)運行噪音<30dB，接近靜音級別。 o 支持自動諧振頻率識別與陷波濾波，動態(tài)抑制關(guān)節(jié)抖動。 • 實時電流前饋與擾動補償： 基于MA600A / MA900高精度角度傳感器反饋，實現(xiàn)微秒級電流環(huán)響應(yīng)，確保抓取、行走等動作的細(xì)膩力控。 應(yīng)用場景示例：在靈巧手抓取雞蛋時，伺服算法可動態(tài)調(diào)節(jié)各指關(guān)節(jié)扭矩，實現(xiàn)“輕握不破”，體現(xiàn)類人觸覺控制能力。 3. 高效率設(shè)計：延長續(xù)航，降低發(fā)熱 人形機器人受限于電池容量，能效比是核心指標(biāo)。MPS方案可從多個維度提升效率： • 低內(nèi)阻MOSFET設(shè)計： MP(Q)6547A集成6顆低Rdson MOSFET（高邊60mΩ，低邊50mΩ），導(dǎo)通損耗降低30%以上。 • 自動同步整流 + 智能休眠模式： o 內(nèi)置充電泵支持100%占空比工作，避免二極管續(xù)流損耗。 o 支持nSLEEP低功耗模式，待機電流<1μA，適合待機狀態(tài)節(jié)能。 • 高效LDO與電源管理： MP6543集成3.3V/100mA LDO，為MCU和傳感器供電，減少外部電源模塊需求，提升系統(tǒng)集成度。 • 整體系統(tǒng)效率 > 92%（典型工況下），顯著延長機器人單次作業(yè)時間。 4. 安全可靠：全鏈路故障保護與診斷 • 為保障人機共處安全，MPS驅(qū)動方案內(nèi)置多重保護機制：
• 此外，支持SPI / I2C診斷接口，可讀取內(nèi)部狀態(tài)寄存器，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控與預(yù)測性維護。 空心杯電機一體機產(chǎn)品 除了一整套完整的電機驅(qū)動系統(tǒng)外，為適應(yīng)高集成度的技術(shù)趨勢，MPS還可提供集成了行星齒輪箱、空心杯電機、電機驅(qū)動的一體化電機，直徑僅為12mm，額定轉(zhuǎn)速20000rpm、額定扭矩2mNm，可根據(jù)客戶需求，搭配不同減速比，以適應(yīng)不同轉(zhuǎn)速及扭矩需求。此產(chǎn)品方案備受機器人廠商的青睞，可在滿足動力輸出的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)成本的下降。
以人形機器人的靈巧手為例，靈巧手的設(shè)計難點在于如何在小型化的空間體系里實現(xiàn)高自由度與精準(zhǔn)控制，而這正是MPS的解決方案的優(yōu)勢所在。 MPS 的EZmotion端到端方案以高集成度為核心，該方案把FOC矢量控制算法、位置/電流/速度三環(huán)控制、PID調(diào)節(jié)和磁編碼器高度集成，形成一體化模組，能夠極大地節(jié)省PCB布板尺寸和安裝空間，降低系統(tǒng)集成復(fù)雜度。 目前，MPS提供8-16mm直徑的空心杯電機一體化設(shè)計方案，集成磁編碼器+驅(qū)動器+微型減速器+FOC算法+三環(huán)控制，有效降低手部主控MCU的要求。 同時，MPS 與客戶深度協(xié)同，推動產(chǎn)品快速進化。例如，有客戶希望將電機直接集成到機器人手指內(nèi)部，并且把電機直徑控制在 10mm 以內(nèi)，這就要求配套芯片進一步小型化。而MPS 研發(fā)團隊針對這一需求，研發(fā)了新一代改良芯片，將芯片面積縮小 30% 以上，實現(xiàn)了電機與手指的緊湊集成。靈巧手的開發(fā)涉及多電機布局、通訊排線、散熱設(shè)計等復(fù)雜工程問題，傳統(tǒng)方案的開發(fā)周期長，而MPS的模組一體化方案能夠幫助客戶縮短開發(fā)周期30%以上，同時極大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)試的便易性。
圖10：MMS1RH系列產(chǎn)品 在空心杯電機一體機領(lǐng)域，MPS推出的MMS1RH系列產(chǎn)品，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單、安全的高精度控制，還能有效減少部件和裝配成本，提升整體經(jīng)濟性與性價比。
圖11：MMS1RH系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖 MMS1RH系列產(chǎn)品集成了伺服驅(qū)動器、位置編碼器、永磁同步電機，SPI時鐘頻率8MHz。可獨立實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，在提供的 C 語言 EasyFOC 庫配合下可在速度和位置控制模式下運行。 EasyFOC庫可通過 SPI 接口讀取電機的角度、電流、電壓反饋，并根據(jù)客戶給定的控制模式計算對應(yīng)指令，發(fā)送至 MMS1RH 以實現(xiàn)位置或速度閉環(huán)控制；其中，對實時性要求較高的 FOC 電流環(huán)部分，直接在 MMS1RH內(nèi)部完成。
圖12：系統(tǒng)架構(gòu)示意圖 MMS1RH系列產(chǎn)品采用一體化電機驅(qū)動模組，集成空心杯電機+驅(qū)動器+磁編碼器+減速機。基于FOC控制技術(shù)，產(chǎn)品可實現(xiàn)位置、速度和力矩閉環(huán)控制，可擴展力/位混合控制。產(chǎn)品集成17位角度傳感器，可實現(xiàn)精準(zhǔn)位置控制，可通過MCU C語言代碼庫拓展電機控制功能。并且還用總線連接方式減少線束，簡化系統(tǒng)接線，具有外部角度、力、扭矩傳感器拓展接口。 為進一步完善靈巧手驅(qū)動解決方案，MPS還推出了電機驅(qū)動板MMP1RH，該器件具備 FOC 控制功能，集成了角度傳感器，擁有超小尺寸（直徑 9mm、厚度 6.5mm），輸入電壓范圍為 5V-18V，最大2A相電流，支持最大轉(zhuǎn)速 60000rpm，配備 RS485 接口，具備UVLO/OCP保護功能，可編程開關(guān)頻率高達(dá)80kHz，角度傳感器分辨率為14bits，電流采樣ADC分辨率為 10bits。
圖13：電機驅(qū)動板MMP1RH 結(jié)語 以上是MPS針對人形機器人的應(yīng)用需求推出的多款解決方案。先進的技術(shù)和廣泛的產(chǎn)品組合對機器人客戶具有強大的吸引力，而產(chǎn)品的可靠性和耐用性也至關(guān)重要。 在具身智能這場競賽中，MPS通過“芯片+算法+系統(tǒng)”三位一體創(chuàng)新，為人形機器人客戶提供安全、可擴展、高性價比的底層動力解決方案，幫助客戶成功且快速地開發(fā)安全、可擴展、可靠的解決方案。 作為一家全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，MPS憑借敏銳的洞察力和豐厚的經(jīng)驗可以滿足人形機器人客戶的各種要求。我們的內(nèi)部工藝技術(shù)持續(xù)領(lǐng)先于競爭對手，如今已從電源產(chǎn)品擴展到精密模擬領(lǐng)域，在應(yīng)用方面亦是從IC拓展到整個人形機器人應(yīng)用領(lǐng)域。 |
