“具身人形機(jī)器人的特點(diǎn)是自由度(DOF)很大，一個(gè)自由度意味著一個(gè)伺服電機(jī)，從峰岹的角度來(lái)看就是一顆芯片，機(jī)器人的電機(jī)與家用電器的電機(jī)不同，前者要求電機(jī)的響應(yīng)非常極快。”Popesmc

峰岹科技首席技術(shù)官畢超博士在11月5日的“2024全球CEO領(lǐng)袖峰會(huì)”上，圍繞“具身機(jī)器人對(duì)電機(jī)控制芯片的挑戰(zhàn)”的主題，分享了人形機(jī)器人用微型電機(jī)的當(dāng)前面臨的一些技術(shù)難點(diǎn)和解決方案。他在演講中指出，峰岹科技只干一件事——研發(fā)電機(jī)控制芯片。“現(xiàn)在機(jī)器人行業(yè)越來(lái)越火，我們也應(yīng)在其中有所作為。”Popesmc

人形機(jī)器人的關(guān)節(jié)/DOF越來(lái)越多

根據(jù)畢超博士的介紹，具身人形機(jī)器人的DOF較多，而每一個(gè)DOF代表一個(gè)伺服電機(jī)系統(tǒng)，這類(lèi)機(jī)器人還需根據(jù)伺服指令做出快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)。畢超博士以Boston Dynamic的機(jī)器狗、ASIMO、ARMAR-4、Tesla G-II為例，介紹了這類(lèi)人形機(jī)器人的“靈巧手臂”的DOF越來(lái)越多的趨勢(shì)。比如，Boston Dynamic的機(jī)器狗有12個(gè)關(guān)節(jié)(DOF)，ASIMO有34個(gè)DOF，ARMAR-4有63 DOF，Tesla G-II的手臂有 22個(gè)DOF (一只手11個(gè)DOF)。Popesmc

其中，每一個(gè)DOF對(duì)應(yīng)一個(gè)微型馬達(dá)/電機(jī)，也同樣需要一顆電機(jī)控制芯片，所以畢超博士認(rèn)為，對(duì)電機(jī)控制芯片提供商而言，機(jī)器人靈巧手臂應(yīng)用的電機(jī)越多，公司潛在的市場(chǎng)空間和機(jī)遇也就越大，這也是峰岹科技熱衷機(jī)器人的主要原因。Popesmc

機(jī)器人靈巧手臂對(duì)微型電機(jī)有哪些要求？

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當(dāng)然，機(jī)器人靈巧手臂對(duì)電機(jī)的尺寸和轉(zhuǎn)矩密度也提出了非常高的要求，同時(shí)它也會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題。一只像人手一樣靈活的靈巧手，需要27個(gè)DOF(8個(gè)DOF模擬腕骨，5個(gè)DOF模擬掌骨，14個(gè)DOF模擬指骨)。Popesmc

如今，許多靈巧手臂中使用了空心杯馬達(dá)，這類(lèi)馬達(dá)又稱(chēng)無(wú)鐵芯電機(jī)、無(wú)齒槽電機(jī)。畢超博士以目前業(yè)內(nèi)主流的德國(guó)產(chǎn)的無(wú)齒槽電機(jī)為例，這類(lèi)電機(jī)尺寸小、成本高，一個(gè)直徑6毫米的電機(jī)售價(jià)高達(dá)1萬(wàn)人民幣，如果一只靈巧手有27個(gè)DOF，僅電機(jī)的成本就超過(guò)了20萬(wàn)人民幣。如此高昂的成本，勢(shì)必會(huì)影響商用落地的速度。在面對(duì)以上問(wèn)題，畢超博士提出一些方法——去掉靈巧手中非必要的關(guān)節(jié)，比如中指最前端的關(guān)節(jié)。Popesmc

除了減少關(guān)節(jié)達(dá)到降成本的目的之外，靈巧手臂還需要電機(jī)技術(shù)層面的支持，因?yàn)闄C(jī)器人手指的空間非常小，這要求電機(jī)尺寸要小、轉(zhuǎn)矩密度要高。轉(zhuǎn)矩密度是指電機(jī)在單位體積或單位重量下能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，它是衡量電機(jī)設(shè)計(jì)效率和緊湊性的一個(gè)重要指標(biāo)。高轉(zhuǎn)矩密度意味著在相同體積或重量下，電機(jī)能夠提供更大的轉(zhuǎn)矩。Popesmc

目前，各機(jī)器人公司通常采用“高速電機(jī)+微型精密齒輪箱”的方案，還需配合高精度的微型轉(zhuǎn)子位傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)減小電機(jī)體積的目的。畢超博士表示，這些都是峰岹科技的研發(fā)方向。Popesmc

此外，微型電機(jī)的反應(yīng)速度也要快，只有這樣機(jī)器人靈巧手的動(dòng)作才能絲滑且靈活，這涉及到每一個(gè)關(guān)節(jié)的電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。畢超博士演示了ASIMO的絲滑運(yùn)動(dòng)、東京大學(xué)制作的猜拳機(jī)械手DEMO的視頻，反應(yīng)了機(jī)器人把人的功能放大后，可以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)做不到的事情。這需要微型電機(jī)控制系統(tǒng)，把機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)精細(xì)化并快速放大。Popesmc

在電機(jī)領(lǐng)域，與“電機(jī)功率密度”的概念相比較，“電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度”更加有意義。轉(zhuǎn)矩密度是由電機(jī)的物理?xiàng)l件所決定的，例如：電磁結(jié)構(gòu)，電機(jī)材料和電機(jī)尺寸。而功率密度則與電機(jī)的速度密切相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩越大電機(jī)的功率就會(huì)越大。Popesmc

實(shí)際上，電機(jī)的轉(zhuǎn)距、功率與控制模式有關(guān)，這也是為什么在轉(zhuǎn)矩很高的條件下，較小的電機(jī)也能實(shí)現(xiàn)較大的功率。同樣，在體積很小的應(yīng)用場(chǎng)景中，比如現(xiàn)在的吸塵器電機(jī)可達(dá)15萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘以上，機(jī)器人電機(jī)一般在1萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘以上，電機(jī)設(shè)計(jì)提升轉(zhuǎn)矩密度的難度要遠(yuǎn)高于功率密度。Popesmc

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傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子有3層，包括轉(zhuǎn)軸、鐵芯、磁鋼，定子有4層，包括齒頂、齒身、繞組、磁軛，同時(shí)定子和轉(zhuǎn)子之間還有氣隙，由于徑向?qū)哟魏芏?，傳統(tǒng)的交流永磁電機(jī)很難做到直徑小于20mm。Popesmc

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而無(wú)槽電機(jī)/空心杯電機(jī)可以做到非常小尺寸，它的轉(zhuǎn)子只有兩層，包括鐵芯、磁鋼，定子也有兩層，包括繞組、磁軛，雖然定子和轉(zhuǎn)子之間仍然有氣隙，但是由于定子徑向?qū)哟沃挥?層，可以實(shí)現(xiàn)直徑為4mm的電機(jī)結(jié)構(gòu)。Popesmc

得益于無(wú)槽電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩小，對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制可以比較精準(zhǔn)。又由于電樞繞組的電感較小，電機(jī)控制的PWM頻率必須較高。因?yàn)殡姍C(jī)的氣隙相對(duì)較大，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度不高，會(huì)造成反應(yīng)速度慢，所以當(dāng)電機(jī)的直徑越小時(shí)，該問(wèn)題就會(huì)顯得越嚴(yán)重。此外，畢超博士還介紹說(shuō)，無(wú)槽電機(jī)的主要成本在繞組制作上。Popesmc

具身機(jī)器人對(duì)微型伺服控制芯片的挑戰(zhàn)

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機(jī)器人的關(guān)節(jié)就是微型伺服控制系統(tǒng)，通常它與控制、傳感器、馬達(dá)/電機(jī)、齒輪箱有關(guān)。峰岹科技關(guān)心的是控制與驅(qū)動(dòng)，而如今在電機(jī)控制芯片中，往往還集成了位置傳感器。這對(duì)于控制系統(tǒng)的要求是：一方面，電機(jī)的尺寸要極小，同時(shí)轉(zhuǎn)矩密度大；另一方面，電機(jī)的精度要高。對(duì)此，峰岹科技的大伺服控制系統(tǒng)的精度可做到17個(gè)bit以上，甚至更高，但小的伺服控制系統(tǒng)的精度為12bit。Popesmc

電機(jī)控制芯片面臨挑戰(zhàn)，需在尺寸和轉(zhuǎn)矩上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，確保電機(jī)在不同位置都能精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。其中，電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和芯片庫(kù)的改進(jìn)是關(guān)鍵，比如電機(jī)控制必須精準(zhǔn)，傳感器配合需實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定的響應(yīng)，防止控制系統(tǒng)受損。Popesmc

在動(dòng)力和能耗平衡上，要降低芯片損耗，提升電機(jī)性能。閉環(huán)控制算法和通訊接口的復(fù)雜性也是伺服控制系統(tǒng)需解決的問(wèn)題。安全性方面，過(guò)載保護(hù)和電機(jī)在極端條件下的耐用性是重點(diǎn)。Popesmc

噪音和電磁干擾控制對(duì)多馬達(dá)系統(tǒng)至關(guān)重要。成本控制也是挑戰(zhàn)，以確保產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在線參數(shù)辨識(shí)對(duì)于電機(jī)健康監(jiān)測(cè)極為重要，但計(jì)算量大且建模困難。需要通過(guò)電流、電壓等數(shù)據(jù)，快速獲取電機(jī)參數(shù)變化，這對(duì)MCU硬件要求極高。對(duì)此，峰岹科技的做法是在保證性能的同時(shí)，考慮成本問(wèn)題，避免芯片過(guò)于昂貴。Popesmc

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根據(jù)畢超博士的介紹，現(xiàn)如今，峰岹科技已從傳統(tǒng)的單核運(yùn)行轉(zhuǎn)向雙核運(yùn)行，以不同核心處理特定信號(hào)，如一個(gè)核心專(zhuān)門(mén)處理電機(jī)控制，另一個(gè)處理通訊和保護(hù)等通用任務(wù)。這樣，無(wú)需高制程的芯片技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)控制芯片。Popesmc

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值得注意的是，面對(duì)在線參數(shù)辨識(shí)的需求，目前雙核已顯不足，在此基礎(chǔ)上，峰岹科技正在考慮采用三芯片方案——具有Tri-Core電機(jī)無(wú)感控制芯片架構(gòu)。這主要是因?yàn)樾枰孀R(shí)的參數(shù)增多，包括摩擦系數(shù)和關(guān)聯(lián)負(fù)載等，以及利用參數(shù)辨識(shí)來(lái)判斷電機(jī)健康狀況。Popesmc

小結(jié)：

最后，畢超博士還透露，峰岹科技不追求通過(guò)低納米工藝芯片來(lái)增強(qiáng)性能，主要是考慮到控制成本的問(wèn)題。他指出，公司專(zhuān)注于為參數(shù)辨識(shí)添加一個(gè)專(zhuān)門(mén)的實(shí)時(shí)操作核心。尤其是對(duì)無(wú)槽電機(jī)或空心電機(jī)等新型電機(jī)來(lái)說(shuō)，這種架構(gòu)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。Popesmc

而參數(shù)辨識(shí)對(duì)高性能控制至關(guān)重要?？紤]到模型的復(fù)雜性，多核架構(gòu)成為解決成本和性能問(wèn)題的有效途徑。目前，峰岹科技已實(shí)現(xiàn)32位雙核，現(xiàn)在正致力于開(kāi)發(fā)多核技術(shù)，以提升機(jī)器人伺服控制芯片的性能。Popesmc