在当今科技飞速发展的时代，制造业和服务行业对更高自动化水平的需求不断攀升，这一趋势极大地推动了人形机器人的研发进程。如今的人形机器人正朝着更加复杂、的方向发展，其自由度（DOF）显著提高，对周围环境的响应时间缩短至毫秒级，从而能够更加逼真地模仿人类的动作。图 1 清晰地展示了人形机器人的典型电机和运动功能。
　　更高的自由度意味着人形机器人需要配备更多的电机驱动器。而机器人设计中驱动器的位置决定了不同的驱动器要求，其中部分关键规格包括通信接口架构、位置感测、电机类型、电机控制算法、功率级要求、电子电路尺寸以及功能安全注意事项等。
　　目前，虽然针对协作机器人和工业机器人已经制定了相关标准，但专门规定人形机器人功能安全要求的标准尚未出台。随着市场对人形机器人的需求持续增长，预计标准机构未来会制定相应的安全要求。在此之前，人形机器人设计人员必须对当前的系统设计进行全面调查，以便在未来尽可能减少因重新设计带来的工作量。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691 - 4 等标准可以为未来的设计提供一定的参考和预期。
　　通信接口架构　　鉴于驱动器在机器人中的位置分布，优化与所有驱动器的通信并限度减少布线数量至关重要。实现优化的方法有多种，其中常用的是菊花链通信和线性总线拓扑，分别如图 2 和图 3 所示。

　　在选择拓扑结构后，为了确保驱动器具有足够的响应时间，需要综合考虑带宽、时序和延迟要求。响应时间可以根据规定的数据帧大小来确定所需的支持实时通信的通信协议。通信接口的带宽要求还会受到电机控制算法在分散式电机驱动器、集中式和外部机器人运动控制器之间的拆分方式的影响，合理的拆分可以限度地减小节点之间所需的通信帧大小。
　　通常情况下，通信系统的带宽要求约为 8Mbit。然而，随着设计趋势的发展，对系统诊断和安全功能的要求不断提高。根据系统需求，人形机器人系统中常用的通信接口基于 CAN - FD 或以太网（包括 EtherCAT）。德州仪器（TI）提供物理层（PHY）收发器和嵌入式处理器，专门用于支持这些通信协议。CAN 收发器和以太网 IC 是人形机器人系统开发中常用的器件。
　　位置检测
　　人形机器人在运动过程中，必须获取电机位置数据以进行路径规划。位置数据是实现人形机器人受控移动的关键。为了实现高精度的受控移动，机器人需要配备转子位置传感器，以便在电机上捕获信息，并通过电机驱动器将信息高效地传递到中央处理计算机。根据所需的电机精度，可以选择多种转子位置传感器，以下是一些常用的编码器：
　　光学编码器：具有高精度、高分辨率的特点，能够提供准确的位置信息。
　　磁性编码器：抗干扰能力强，适用于恶劣的工作环境。
　　增量编码器：结构简单，成本较低，广泛应用于一般精度要求的场合。
　　SIN/COS 旋转变压器：可靠性高，能够在高温、高振动等恶劣条件下稳定工作。
　　这些编码器具有不同的接口，用于连接至驱动器并提供转子角度数据，在进行位置控制时需要使用这些数据。这些接口需要特定的硬件支持，因此电机控制处理器至少需要支持以下编码器配置之一：
　　专用串行接口，如 BiSS、Endat、Hiperface 或其他数字编码器。
　　具有采样保持功能且适用于旋转变压器接口的 ADC 转换器。
　　增量编码器的正交编码器脉冲。
　　用于接合磁性编码器的串行接口。
　　一个电机可能需要多个编码器，具体取决于电机和电机传动装置的实现方式。TI 提供模拟和处理器 IC 来实现编码器接口系统。在位置感测方法中，还使用了 RS - 485 和 RS - 422 收发器以及多轴线性和角度位置传感器。
　　电机类型
　　由于人形机器人通常采用电池供电，因此电机驱动器的设计目标是限度地提高效率，以延长机器人的工作时间。
　　当需要高功率输出时，人形机器人可以集成永磁同步电机（PMSM）等电机。有刷直流电机则适用于一些低功耗情况，例如手部控制和手指控制。不过，当前的设计趋势表明，未来所有电机都将朝着无刷式电机的方向发展。
　　PMSM 电机有梯形绕组和正弦绕组两种绕组选择。绕组和控制算法的选择会对电机控制的度产生影响。此外，电机设计的另一个关键要素是更快地切换 FET，这样可以采用新的设计选项来提高电机单位重量的扭矩。
　　电机控制算法　　在选择电机类型后，就需要确定控制电机的方法。实现控制回路有多种可选方法，但电机控制通常与图 4 中所示的类似，该图展示了所需的模拟子系统和处理器外设。

　　以图 4 为通用模板，表 1 列出了在选择算法 FOC 或阻塞换向时所需的外设和性能。

　　TI 拥有多种不同的 MCU，能够满足算法和角度传感器的要求。重要的因素包括 IC 的大小和实现高性能驱动系统的实时能力。在电机控制算法中，常用的有 C2000 实时微控制器和基于 Arm 的微控制器。
　　功率级要求
　　根据机器人的驱动器位置不同，功率级别在 10W 至 4kW 之间变化，大多数驱动器的功率在 10W 至 1.5kW 之间。
　　驱动器通常在低于 60V 的安全特低电压（SELV）范围内工作。因此，组件必须能够在达 60V 的电压下正常工作。对于放大器、FET 和栅极驱动器，为了减轻系统中潜在噪声的影响，使用可在 100V 电压下运行的元件。
　　在确定驱动器的电气规格后，还需要考虑其他设计因素。可用于实现印刷电路板（PCB）的物理尺寸是另一个重要的设计考虑因素。小尺寸 IC 和高度优化的功率密度设计对于实现小空间设计目标至关重要。高功率密度会导致机器人的潜在温度限制，在该限制下机器人的外部温度不得高于 55°C。因为在 55°C 时，30 秒内就可能发生全厚度皮肤灼伤。而且温度管理方法不得包括风扇或液体等额外冷却方式。
　　温度管理和空间的平衡促成功率级相对于单位尺寸瓦特数的平衡，这会影响功率级架构。可能需要解决的一个问题是，确定功率级是否需要在更高的频率下工作。这一问题通常出现在 MOSFET 中，但与基于 MOSFET 的系统相比，GaN FET 等新技术可以提高开关性能。对于温度敏感型系统，与 MOSFET 技术相比，GaN FET 具有更高的理论效率，因为其开关损耗非常低。频率的增加会要求 MCU 具备额外的功能，以便支持以足够高的分辨率实现更高频率开关所需的信号发送。
　　TI MOSFET 栅极驱动器能够让客户以尽可能高的速度开关 MOSFET，而 TI 低压 GaN FET 则方便客户快速比较和选择机器人中每个位置的 FET 类型。需要使用高性能 MOSFET 或 GaN FET 来实现驱动器，以提高电机效率。精密算法有助于减少电机 FET 的开关需求和损耗。
　　人形机器人由电池供电，供电电压通常为 48V，或者在 39V 至 54V 之间，具体取决于电池的电量状态。使用的电压取决于所设定的电池电量级别。前面提到，驱动器在 39V 时所需的功率为 4kW，可以看出，机器人驱动器需要在大约 102A 的电流下以效率工作来提供所需的功率，但同时要考虑到 0A 左右的测量，缩短 FET 的死区时间有利于 0A 左右电流测量的线性，使测量在低电流下更加。　　在评估功率级要求和选择适当的电流检测器件以实现所需的性能水平时，电流检测也是一个重要的设计考虑因素。TI 提供同相电流感测和低侧电流感应模拟选项，以及有关如何高效实现系统的设计指南。通常使用同相电流感测，以便始终能够检测电流并提高测量的精度。有三种不同的电流测量选项：

　　对于电流感测放大器和 Δ - Σ 调制器，由于组件的不断改进，这些技术所用的电流电平逐渐提高到 100A 左右。
　　功能安全　　在规划未来的设计时，选择能够简化功能安全的器件非常重要。ISO13482、ISO10218 和 ISO 3691 - 4 标准为未来人形机器人的设计提供了预期方向。两种 C 类标准（ISO10218 和 ISO3691 - 4）都参考了 ISO13849，规定系统必须达到性能等级 d（PLd）。但是，ISO3691 - 4 将架构的确定权交给了实现者，而 ISO10218 则要求采用 CAT3 架构。考虑到这些标准中的糟糕情况，至少需要考虑人形机器人的 CAT3 PLD 安全注意事项。实现 CAT3 系统时，必须采用图 5 所示的安全架构。

　　示例系统　　图 6 中的框图展示了建议的解决方案，用于使用 TI 组件解决 1.5kW 系统设计问题，下面列出了具体可以使用的元件。