人形机器人智能执行器驱动技术

作者：Maurizio Incurvati, Ronald Stärz, Edward A. Jones, Torsten Kuske,Thomas Elies, Sebastian März, Philip Würfel, Eric Schütte, Martin Schiestl校对：Ma Scarlett马媛 高级主任工程师 智能执行器已成为人形机器人进化的核心技术，它们集高效、精准、紧凑、柔顺性及本质安全等关键特性于一身。要实现类人运动，执行器不仅须满足上述标准，还需应对严苛的热管理、高精度与快速响应等独特挑战。与工业自动化系统不同，人形机器人运行于高度动态的环境中，必须协调众多关节、维持平衡，并在非结构化空间里与人类安全互动。其中，手部灵巧度尤具挑战性，电机驱动器的小型化是实现精细操控的关键。这一切都对智能执行器提出了极高要求。随着驱动与传感技术不断进步，安全电机控制方案已能覆盖广泛的运动和驱动场景，为机器人领域带来新的突破。 速器等减速比从数十到数百不等的机械减速器，来满足尺寸、扭矩和电流限制等要求。为实现精确的位置控制并补偿齿轮非线性与弹性带来的动态影响，通常需要采用双编码器反馈方案，分别获取关节位置以及检测电机电气角度（即磁场定向）。关节侧位置传感通常要求17–21位分辨率，而电机侧编码器分辨率可相对较低，但因电气基频较高，必须支持高速数据采样。典型框图和拓扑结构如图1(b)所示，典型集成执行器如图3(b)所示。 面向严苛需求的高性能组件与产品 随着人形机器人加速从概念走向现实，其所带来的应用挑战也愈发清晰：电机驱动技术亟需开启新一轮创新周期。为模仿人体肌肉运动的柔韧性与灵巧性，典型的人形机器人（见图1）集成了大量高性能执行器，同时面临严苛的体积限制、轻量化要求和散热约束。不仅如此，这类应用还要求实现实时控制、低延迟、精准感知、确定性通信，以及功能安全与运行安全特性。传感架构正日益呈现分布式，并依据具体应用场景进行配置——例如，关节中集成多轴扭矩传感器，或在线执行器中嵌入力传感器。这要求系统具备数据融合与边缘计算能力，以确保运动稳定性与环境感知力。 先进的执行器概念包括采用轴向磁通直驱空心轴结构并集成GaN功率级的方案（见图3(a)1[3]；以及采用PCB绕组和基于GaN半桥的环形电子电路（见图3(c)1）的紧凑型单侧轴向磁通电机+减速器方案。这两种特定的电机结构均基于无铁芯定子设计，在过载工况下仍能保持高线性度，并实现零齿槽转矩和低绕组电感。GaN与集成电子器件所实现的高开关频率，非常适合低电感电机应用，在抑制电流纹波的同时，仍能确保平滑的高带宽控制与精确的扭矩估算。 如图2所示，执行器的需求跨度极为宽广，包括各类关节所需的不同电流等级、高动态响应、快速电气与机械瞬态响应、确定性时序，以及极具挑战性的热管理。整个执行器与传感器生态系统的实时协调与控制，必然要求采用确定性、高带宽的连接技术，如EtherCAT或支持TSN的以太网（100/1000BASE-T1）。安全性是核心要求：即使在故障工况下，也必须确保与人类交互的可预测性和安全性。相关标准正逐步演进以覆盖日益丰富的应用场景，而通过ASIL B/D或SIL3等认证的元器件，则有助于实现安全运行并显著简化系统认证流程[1], [2]。 GaN技术在人形机器人的重要作用 GaN技术对于人形机器人至关重要，是实现执行器小型化、更高安全性以及高效系统性能的关键所在。这得益于能够实现更小型化的逆变器设计并实现更高系统效率的GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）。GaN在高功率密度、小型化应用中的优势可归结为以下三个关键因素。 执行器的优化设计需要从整体系统角度综合考虑实际关节扭矩与电流需求、封装空间、散热约束以及电机特性等因素。典型的人形机器人关节通常采用摆线减速器或行星减 作为一种宽禁带半导体，GaN HEMT具有更低的单次开关损耗，因此可在不过度增加功率损耗或热量的前提下，支持更高的PWM频率。开关频率达到约100 kHz时，可大幅降低对直流母线电容的需求，从而减少体积较大的电解电容，并减少陶瓷电容的使用数量。 即便在更高开关频率下，GaN晶体管相比硅基MOSFET仍具有更低的开关损耗与导通损耗，从而减少甚至免除对散热器的需求。 由 于HEMT的 单 位 面 积 导 通 电 阻（Rds-on） 更 低，GaN晶体管在相同开关位置下所需的芯片面积小于先进硅基MOSFET。将栅极驱动、检测和保护功能与晶体管都集成于同一紧凑封装之内的集成式GaN功率级，可进一步提升系统功率密度（如图4所示）。 基于GaN的执行器小型化方案适用于从低于1 kW到超过10 kW的宽功率范围（参见参考文献[4]和[5]）。在高功率范围内，可通过并联GaN晶体管实现数百安培稳态电流输出，从而驱动高功率髋关节执行器。与此同时，功率低于2 kW的空间受限关节则受益于集成式GaN功率级。通过将功率晶体管、驱动电路、自举电路、电流检测以及过流和过温保护功能都集成在单一紧凑封装之内，可显著减少外围元 图3全集成GaN电机驱动（各图按比例绘制）：a)大电流永磁同步电机（PMSM）轴向磁通直驱方案；b)径向磁通集成电机驱动+摆线减速器；c)搭配减速器的人形机器人执行器概念，融合单转子PMSM轴向磁通电机、PCB绕组、以及基于高密度集成式GaN半桥的环形电子电路、高分辨率电感式传感。 件数量。通过将完整功能模块从PCB板级实现转移至封装内部，系统功率密度可得到显著提升。在肘关节、腕关节这类空间狭小的关节中，这一优势尤为珍贵。 MOSFET在高效可靠开关中的应用 除GaN技术外，硅基MOSFET同样是48 V电池供电人形机器人的重要方案之选。在汽车领域，48 V系统已相当成熟，并经过长期应用验证。人形机器人的48 V系统有着高度相似的需求，涵盖BLDC电机转矩和电流规格、电池隔离开关以及安全约束等。这些均可通过针对相关应用优化的80V/100 V OptiMOS™ 5/7 MOSFET来实现。在BLDC电机驱动中（与汽车驱动类似），MOSFET体二极管的快速开关特性和低反向恢复电荷可有效降低开关损耗，进而提升效率。配合不同封装形式与散热设计，即可实现轻量化、小型化的高功率密度设计。对于48 V配电系统（如电池隔离开关），低导通电阻与高雪崩耐受能力尤为关键，并有助于减少系统所需器件数量。 GaN逆变器不仅尺寸紧凑，更显著提升了执行器系统的整体效率。如前所述，更低的开关损耗可在保持高逆变器效率的同时，支持更高的PWM频率。更高的开关频率降低了电机的纹波电流，进而减小铁芯损耗与绕组的交流电阻损耗[6]。执行器效率的提升，能够降低机器人关节内部热负荷，又延长了电池续航，全面优化使用体验。此外，相关元器件和功率级还须满足一系列规范要求，涵盖电压、电流额定值及车规级认证等。 所有车规级MOSFET均按照AEC-Q101标准完成认证，部分测试甚至超越标准要求。这种高可靠性使人形机器人在严苛工况下仍能稳定运行。 人形机器人不同的功率需求可通过多种封装类型进行覆盖（见图5）。低输出功率可选用尺寸仅3.3 × 3.3 mm²的PG-TSDSON-8小 型 封 装； 而 高 电 流 的 应 用 则 可 选 用10 × 15 mm²的PG-HDSOP-16大功率封装。在标准封装之外，还可选配顶部散热（TSC）方案，以增强散热能力，实现更高功率密度。 此外，还可提供丰富的设计资源来支持MOSFET在人形机器人应用中的集成开发，包括电气仿真模型、封装布局建议、三维机械模型以及热仿真模型等。 所有关节统一采用标准化的传感器架构、电气接口与软件栈，既能保证可扩展性，也可简化制造与维护流程。为人形机器人关节设计双角度电感式传感，需要进行精密的电磁与机械协同设计。线圈的几何设计、激励频率与靶标图案须在紧凑空间内兼顾足够的量程、良好的线性度与优异的信噪比，同时避免来自功率电子器件带来的干扰。偏心、轴向游隙和倾斜等机械公差可能引入谐波误差。热漂移、电磁兼容（EMC）效应、铜电阻随温度及器件寿命的变化，以及电机自身噪声，均需纳入设计考量。为实现高性能运行，推荐采用比率式架构、同步解调、屏蔽措施及可靠的接地设计。此外，还需采取额外措施以支持功能安全要求[9], [10]。 人形机器人中的电感式传感器 双角度电感式传感器为人形机器人关节提供绝对式电角度反馈，并利用游标/微差（Vernier/Nonius）原理来提升有效精度与系统鲁棒性。 人形机器人关节通常结构紧凑且采用密封设计，同时长期暴露在粉尘、振动及温度波动环境中。因此，角度检测不仅需要具备高精度与快速响应能力，还必须具备良好的环境适应性。尽管未来人形机器人执行器中往往会融合多种技术，但电感式传感方案天然具备较强的抗环境干扰能力，并可实现更高的有效分辨率。电感式位置检测本身对污染不敏感[7]，无需执行归零操作即可直接输出绝对角度信息。双角度原理允许一个通道与电机的电气角度对齐以支持磁场定向控制，另一通道则利用游标/微差原理提供绝对机械角度。该原理将粗主刻度与轻微偏移的副刻度相结合，通过两组刻度标记的对齐来确定0°至360°范围内的精确位置，从而实现远高于单一主刻度方案的有效分辨率。这带来的是更高的有效精度、更强的抗机械误差能力，以及更可靠的断电控制能力[8]。 电感式位置检测包括高精度双角度传感器方案。开发过程通常涉及PCB线圈图案与导电转子的原型验证，以在电机负载条件下验证双角度解码与电角度跟踪性能。早期关节集成表明，游标/微差计算相较单通道方案可提升精度，同时还能优化机械堆叠结构，并调整解调与滤波参数以适配控制带宽。图6所示为原理性实现方案，图3(c)则为系统级集成示意图。成熟设计支持所有关节共用统一的传感器板与标准化固件。经过完善的校准补偿流程可确保在温度变化与器件一致性偏差条件下保持稳定性能，从而有效降低集成风险。 基于PCB线圈与导电转子（靶标）的电感式传感器可集成至人形机器人的主要关节，同时兼容贯穿轴与偏置轴两种结构形式。双角度电感式传感器能够实现高精度绝对位置检测，在-20°C至85°C范围内角度误差低于0.1°（4.98σ），同时对电磁干扰（EMI）、温度变化以及工业环境中常见的污染物均具有良好的抗干扰能力。 双角度电感式传感器可为人形机器人同时提供绝对角度与电角度信息。近年来，技术进步与不断完善的工具链生态，正持续推动电感式位置传感在人形机器人的精度、可靠性及易用性提升。 以将电机温度控制在安全范围内。针对低功耗微控制器的高效电机控制算法，能在维持扭矩与速度的同时进一步降低能耗。这些技术进步将机器人手的重量减至700克以下，同时也简化了散热设计。 机器人手微型化：从系统瓶颈到灵巧操作 机器人手（见图7）在驱动和控制上虽有进展，但在灵巧性、功率密度和传感能力方面仍远不及人手。人手兼具轻量化与高强度特性，通过高密度触觉传感器与自然流畅的神经肌肉控制，为机器人设计树立了重要参考。而机器人手目前依然笨重、耗电且机械结构复杂。正如埃隆·马斯克所指出的，这一“手部难题”会带来高成本、低耐久性以及有限可扩展性等挑战[11]。 分布式手指级电子架构会增加布线复杂度，因此系统集成必须配合高效通信设计。采用CAN-FD等标准的共享总线，能让传感器与电机在同一网络中协同工作，从而减少布线、降低故障点并缩短装配时间。这些创新使机器人手更轻量化、更具成本效益且更可靠，逐步逼近人手的灵巧程度。微型化本质上是将驱动、传感、供电与通信进行一体化集成的系统级重构。机器人手的未来，在于紧凑高效的设计与稳健控制策略的深度结合，由此打造出兼具可扩展性与高性能的灵巧系统，以满足工业与日常应用需求。 目前，拥有20个以上自由度的机器人手通常重逾1.5公斤，远超人手约460克的重量；并且其依赖于体积较大的人工肌腱、连杆机构或齿轮传动系统。与生物系统中肌肉、骨骼和肌腱能高效吸收冲击不同，机器人设计通常将质量与控制集中化，由此带来一系列权衡：