【解決方案】ADI人形機器人解決方案

人形機器人產業正快速發展，作為智慧機器人領域的代表性應用，它融合了機械製造、材料科學、通訊技術、感測技術、控制技術、仿生學與人工智慧等多項跨領域技術，象徵著機電整合、自動化與智慧化的最高水準。人形機器人不僅是智慧機器人中整合度最高的應用之一，同時也是技術挑戰性最高的領域。

本篇將全面介紹 ADI 在人形機器人領域的技術與解決方案，涵蓋即時控制、感測、通訊連接等多個層面：

  1. 運動控制：ADI Trinamic 產品 TMC9660 為一款智慧柵極驅動器 IC，內建伺服（FOC）控制器與降壓轉換器，客戶可在無需軟體程式設計的情況下，輕鬆實現進階電機與運動控制。

  2. 位置檢測：ADI 的新型單晶片多圈與角度位置感測器 ADMT4000，在斷電後仍能保留位置資訊，無需重新校正，簡化系統設計。

  3. 即時通訊：ADI 提供多種高速通訊介面選項，包括工業乙太網、GMSL 高速串列介面等，滿足機器人與外部設備之間的高速資料傳輸需求。

ADI 人形機器人領域的核心產品

如下圖（圖1）所示，ADI 在人形機器人應用中提供完整的解決方案，包含：

  1. 通訊連接：高速 GMSL、高速乙太網、USB、無線 SmartMesh 等

  2. 感測器：追蹤運動與方向的 IMU

  3. 視覺檢測：3D ToF 相機、毫米波雷達

  4. 振動檢測：振動感測器

  5. 關節運動控制：多圈位置編碼器與 TMC 系列控制器

  6. 安全與電源管理：安全加密晶片及電源管理晶片

圖1. ADI人形機器人領域核心產品

電機驅動與運動控制器

運動控制是人形機器人的核心硬體之一，作為關鍵執行元件，能驅動機器人完成各種運動。這些運動元件主要安裝在機器人關節位置，也就是連桿機構的連接點，將馬達的旋轉運動轉化為驅動連桿的動作。

驅動器（或致動器）通常由馬達減速器（傳動機構）、編碼器（位置感測）、控制板與控制軟體等組成。其中，TMC9660 是特別適用於人形機器人的電機驅動與運動控制 IC，具備智慧柵極驅動、內建 FOC 伺服控制器、降壓轉換器，以及快速類比電流感測（ADC 與 CSA）。其控制環路頻率最高可達 100kHz，能有效降低電流／扭矩紋波、提升控制頻寬，實現更高的動態反應能力。使用者無需撰寫程式即可輕鬆導入進階 FOC 控制演算法，極大化簡化應用開發。

TMC9660 支援包括 PMSM 永磁同步、BLDC 無刷直流、步進與有刷直流等多種馬達。內建 PI 位置控制器、8 點斜坡產生器，並支援多種包括A/B/N、霍爾感測器、SPI 介面在內編碼器。

圖2. TMC9660子系統圖

TMC9660 功能總覽

  • 70V智慧閘極驅動器（GDRV）：高度集成的單片閘極驅動器和馬達控制器IC，最多可驅動 4 組半橋（NMOS），具12V 閘極驅動輸出電壓、支援最高 1A 拉電流與 2A 灌電流，並可程式化設定。

  • 運動控制核心模組：FOC 控制頻率最高可達 100kHz，在上位機輸入速度和位置等參數則可輸出控制信號來直接控制電機，達到所需要的速度和位置，無需再完成FOC的一些演算法。內建 8 點斜坡產生器與即時諧波計算功能；馬達位置反饋介面支援A/B/N編碼器，U/V/W編碼器，及帶有SPI介面的霍爾編碼器。

  • 量測單元：提供4 組高頻寬（15MHz）雙向電流檢測器（CSA），支援可調增益（5x/10x/20x/40x及直通），並內建 4 個 13 位元 ADC可用於同步採樣。

  • 電源管理模組：支援最高 70V 輸入，5.8V／600mA 同步降壓輸出，並提供兩組外部 LDO，可設定為 2.5V／3.3V／5V。150mA輸出。

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多圈位置感測器 – ADMT4000

ADMT4000 是一款無需電源、無接觸即可記錄圈數的多圈位置感測器，適用於工業與車用位置檢測應用，在人形機器人案例中，關節位置控制是其中一項主要應用。

傳統磁性感測器在系統面臨意外斷電，重新上電後傳統感測器容易遺失位置訊息。圖3示例了4種解決方案，其中前3種是傳統解決方案。 最左邊的是多圈檢測方案，利用齒輪減速器和單圈感測器進行檢測，最大缺點就是可能造成齒輪磨損及機械滯回。 另外，也有採用備用電池加單圈位置感測器和記憶體這樣的解決方案，最大缺點是尺寸稍微偏大，需要對電池進行維護和更換，同時還需要外帶一個記憶體。 也有廠商採取韋根導線Wiegand能量收集這樣的感測器與單圈感測器及FRAM晶元的結合使用，但是這種方案在圈數多了之後也有可能出現丟圈的現象。ADI 的解決方案可利用單晶片解決多圈的位置感測，在無需備用電池或齒輪機構的情況下，仍精準記錄圈數，具備高穩定性、高抗干擾能力與高精度，體積更小、設計更緊湊。


圖3. 多圈感測器解決方案（非接觸式）
 

主要應用場景

  • 工業：人形機器人關節、線性執行器（如 XY 平台、旋轉軸）

  • 傳統：起重機、吊車、升降平台、拉線編碼器

  • 車用：安全帶、方向盤線控轉向

產品特性及參數

  • 工業領域：支援 46 圈記錄

  • 車規領域：支援 44 圈記錄

  • 3.3V 供電，SPI 輸出介面

  • 工作溫度範圍：-40°C～125°C

  • 內建溫度感測器

  • 提供 TSSOP 封裝，後續將推出 5mm x 5mm 小型封裝

磁遮罩設計建議

 
圖4. ADMT4000雜散場干擾測試

圖4主要介紹的是ADMT4000的雜散場干擾度測試，分別在帶遮罩和不帶遮罩的情況下進行測試。ADMT4000若在惡劣環境下使用時建議使用遮罩措施。 ADI開發了具有高雜散場抗擾度的磁鐵參考設計，如圖4所示。 除了提供磁鐵遮罩方案以及PCB的遮罩方案外，還提供設計圖紙。 內測發現， _磁鐵遮罩加PCB遮罩能夠提供更好的遮罩效果。 

圖5. ADMT4000磁屏蔽參考設計

ADMT4000的磁復位

復位是使用這顆IC最常關心的一個問題。 目前，ADI提供了兩種複位方法：第一種方法是翻轉復位，也就是說需要順時針旋轉46圈以上進行復位; 第二種方法是通過強磁復位，一般建議在PCB板上放置一個線圈，激勵線圈產生大於55mT的強磁場便會使ADMT4000復位。 ADI的復位電路為設計者提供參考。 

連接通信

人形機器人系統需要各種通信連接，比如頭部容納的多個感測器節點需要GMSL提供高速通信，關節和關節的連接需要乙太網/ EtherCAT連接，圖6表示不同的通信產品。


圖6. 人形機器人的通訊連接。

ADIN1300是一款低功耗、單埠千兆乙太網PHY收發器，具有低延遲和低功耗特性; GMSL （MAX96717/MAX96724）是一款高度可配置的高速SERDES（串行器和解串器）互連解決方案，可通過單線傳輸即時未壓縮視頻和感測器數據、控制數據和電源。 

ADI的SPE方案，對於10BASE-T1L方案提供PHY ADIN1100，MACPHY ADIN1110， 2埠交換器ADIN2111; 對於10BASE-T1S方案提供MACPHY和E2B AD330x。 

小結

人形機器人的大規模生產和應用逐漸成為現實，ADI提供了具有競爭力的方案，包括集成FOC演算法的電機控制方案，精準感知的磁編碼器關節方案和低延遲、高可靠的通信網路連接產品。 ADI 在感知、驅動和通信連接等維度進行產品賦能。

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