機(jī)器人技術(shù)正以前所未有的速度演進(jìn)，更新、更先進(jìn)的機(jī)器人產(chǎn)品持續(xù)問世。無論是可與人協(xié)同作業(yè)的協(xié)作機(jī)器人，還是能執(zhí)行復(fù)雜動作序列的人形機(jī)器人，關(guān)節(jié)設(shè)計始終是決定整機(jī)性能的核心關(guān)鍵。本白皮書將圍繞機(jī)器人關(guān)節(jié)技術(shù)展開系統(tǒng)性深度分析，全面拆解關(guān)節(jié)架構(gòu)的底層復(fù)雜性，厘清其對機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心驅(qū)動價值。

本文將拆解機(jī)器人關(guān)節(jié)架構(gòu)的核心邏輯，覆蓋不同機(jī)器人的關(guān)節(jié)特性差異、芯片在關(guān)節(jié)控制驅(qū)動中的核心作用，詳解電機(jī)換向與位置傳感器、電機(jī)驅(qū)動器、電流傳感器等核心組件的設(shè)計權(quán)衡，同時結(jié)合相關(guān)技術(shù)的最新迭代成果，探討其如何賦能更智能、更強(qiáng)大的機(jī)器人產(chǎn)品研發(fā)。

機(jī)器人架構(gòu)多種多樣，每種架構(gòu)都有其獨(dú)特的挑戰(zhàn)和設(shè)計要求。例如，協(xié)作機(jī)器人和機(jī)械臂通常配備 6 個關(guān)節(jié)，而人形機(jī)器人則可能需要配備 24 個甚至更多個關(guān)節(jié)。以人形機(jī)器人為例，最基礎(chǔ)的架構(gòu)可能在每條手臂上設(shè)置 4 個關(guān)節(jié)、每條腿上設(shè)置 5 個關(guān)節(jié)；而更復(fù)雜的架構(gòu)則會進(jìn)一步集成髖部、軀干、頭部乃至手部的精細(xì)運(yùn)動。

每個機(jī)器人關(guān)節(jié)的核心，都有一套由集成電路構(gòu)成的精密系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制與驅(qū)動該關(guān)節(jié)的運(yùn)動。典型的機(jī)器人關(guān)節(jié)框圖包含以下組件：

電機(jī)換向傳感器：感測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置

關(guān)節(jié)位置傳感器：感測關(guān)節(jié)的實(shí)際位置

電機(jī)驅(qū)動器：驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

電機(jī)相電流傳感器：感測電機(jī)各相電流

電源：為整個系統(tǒng)供電

關(guān)節(jié)制動驅(qū)動器：控制關(guān)節(jié)制動器

圖 1：機(jī)器人關(guān)節(jié)框圖

電機(jī)換向傳感器

電機(jī)換向傳感器是磁場定向控制 (FOC) 環(huán)路中的關(guān)鍵元件，用于精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。其主要功能是感測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并將該角度乘以電機(jī)的極對數(shù)，從而計算出電機(jī)的電角度。

01尺寸要求

傳感器的物理集成方式對其設(shè)計影響顯著。電機(jī)換向傳感器通常與電機(jī)及驅(qū)動器組件封裝在一起，因此小尺寸始終是優(yōu)先考慮的因素。對于帶有轉(zhuǎn)軸的電機(jī)，傳感器可安裝在轉(zhuǎn)軸一側(cè)，另一側(cè)則與減速箱或關(guān)節(jié)進(jìn)行機(jī)械連接。而對于需要將線纜穿過電機(jī)內(nèi)部的中空軸電機(jī)，則需采用軸側(cè)或穿軸感測方式，這可以通過磁傳感器或電感式傳感器實(shí)現(xiàn)。

02輸出要求

電機(jī)換向傳感器的輸出協(xié)議必須足夠快，以滿足約 20kHz 的 FOC 控制環(huán)路更新速率要求。此外，診斷功能對于系統(tǒng)安全性以及與關(guān)節(jié)傳感器的數(shù)據(jù)比對也極具價值。輸出類型多種多樣，其中最常見的是 SPI 接口和模擬輸出。

SPI 協(xié)議需要 4 個引腳，可配置為高速模式 (10MHz)，能提供芯片本身的狀態(tài)信息。此外，多個元器件還可在同一條總線上協(xié)同工作。但在高速傳輸時，不良的 PCB 板布局和噪聲干擾可能破壞信號，這一問題可通過協(xié)議內(nèi)置的安全診斷機(jī)制來捕捉。部分元器件還允許設(shè)置角度采樣時間，確保其與電流測量保持同步。

模擬 Sin/Cos 輸出可采用單端或差分形式。元器件輸出兩路正交信號，代表被測角度的三角函數(shù)值。差分輸出可有效抑制信號路徑上的共模噪聲。采樣速度取決于傳感器的帶寬和外部 ADC 的采樣速度。通過合理配置微控制器，可實(shí)現(xiàn)高效采樣，有時還需進(jìn)行信號補(bǔ)償或校準(zhǔn)。這為客戶提供了靈活的信號處理方案。對于 FOC 控制，信號的 Sin/Cos 值可直接獲取，從而減少三角函數(shù)運(yùn)算需求，縮短計算時間。

03分辨度與精度

除了速度，區(qū)分分辨率和精度這兩個常被混淆的概念也至關(guān)重要。高分辨率并不等同于高精度。高精度能提升系統(tǒng)效率，因?yàn)樵?FOC 控制中，需要利用位置信息將相電流精確轉(zhuǎn)換為軸電流，此處的誤差會導(dǎo)致電流紋波。低分辨率也會產(chǎn)生類似影響，因?yàn)檗D(zhuǎn)子在兩次測量之間可能處于未知狀態(tài)；但如果精度足夠高，則可通過插值算法進(jìn)行補(bǔ)償。若精度較低，則必須借助外部補(bǔ)償或查表方式來校正誤差。從傳感器換能器層面而言，基于霍爾效應(yīng)的磁傳感技術(shù)精度高，但分辨率較低。基于 TMR 的磁傳感技術(shù)噪聲低，因此分辨率更高；相比之下，電感式位置傳感器可獲得最高的分辨率。每種傳感器的精度最終取決于其采用的內(nèi)部/外部信號處理方案。針對各類感測技術(shù)，市場均有不同處理級別的產(chǎn)品可供選擇，以滿足不同精度需求。

04抗雜散磁場干擾

電機(jī)換向傳感器通常緊密集成于電機(jī)附近，且所在 PCB 板敷設(shè)有承載電機(jī)功率的大電流走線。因此，對電機(jī)本身或大電流產(chǎn)生的雜散磁場具備抗干擾能力，是實(shí)現(xiàn)可靠設(shè)計的關(guān)鍵。選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅黝愋涂煞烙s散磁場干擾。光學(xué)編碼器和電感式傳感器因其工作原理，天然具備抗雜散磁場干擾的優(yōu)勢。此外，通過對磁傳感器進(jìn)行智能信號處理與優(yōu)化布局，可采用差分感測方法抑制共模雜散磁場干擾。

關(guān)節(jié)位置傳感器

關(guān)節(jié)位置傳感器是機(jī)器人關(guān)節(jié)的另一核心組件。它用于感測關(guān)節(jié)的實(shí)際位置，機(jī)器人控制系統(tǒng)會依據(jù)該信息來規(guī)劃和執(zhí)行精確動作。

01抗雜散磁場干擾

與換相傳感器類似，關(guān)節(jié)位置傳感器的布局位置決定了其對雜散磁場的抗干擾需求。如果靠近電機(jī)組件，電機(jī)所產(chǎn)生的磁場會對它造成干擾。然而，如果安裝在運(yùn)動鏈更下游的位置，例如減速器之后，則容易受到不可預(yù)測的外部磁場干擾。例如，人形機(jī)器人在抓握帶有強(qiáng)磁體的電動工具時，其關(guān)節(jié)傳感器就可能受到干擾。在此類不可預(yù)測的環(huán)境中，光學(xué)或電感式傳感器固有的抗干擾能力具有顯著優(yōu)勢。

02小關(guān)節(jié)

機(jī)器人系統(tǒng)中最小的關(guān)節(jié)可能僅能容納一個傳感器，該傳感器需要同時兼顧電機(jī)換向和關(guān)節(jié)位置感測。電感式技術(shù)具有高分辨率，這在需要計入減速比和電機(jī)極對數(shù)時非常有利，但其物理尺寸有一定的局限性。磁電流傳感器能夠集成到極小的空間內(nèi)，是尺寸受限應(yīng)用的理想選擇。在傳感器成本和機(jī)器人關(guān)節(jié)性能之間，設(shè)計人員需要審慎權(quán)衡。

03大關(guān)節(jié)

對于大關(guān)節(jié)，傳感器的分辨率直接決定了運(yùn)動的重復(fù)精度。假設(shè)系統(tǒng)分辨率為 0.1 度，手臂長度為 80mm，在不考慮其他運(yùn)動學(xué)約束的情況下，末端位置的理論分辨率可能只有 8mm。

關(guān)節(jié)位置傳感器所在的控制環(huán)路，其更新頻率通常低于換相傳感器。位置控制環(huán)路通常以 1kHz 到 5kHz 的頻率運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通信協(xié)議即可輕松滿足數(shù)據(jù)傳輸需求。SPI 是常用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但如果傳感器距離控制器較遠(yuǎn)，則可能更適合采用高速差分通信方式。

電機(jī)驅(qū)動器

電機(jī)驅(qū)動器的核心目標(biāo)是以高效、安全的方式開關(guān) FET，從而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。安全性通過兩方面實(shí)現(xiàn)：

一是防止半橋上下的 FET 同時導(dǎo)通造成直通電流；二是耐受電機(jī)電感在三相線上可能引起的瞬態(tài)電壓。效率的提升則通過 FET 開關(guān)頻率與導(dǎo)通/關(guān)斷時間之間的最佳平衡來實(shí)現(xiàn)。更高的開關(guān)頻率能帶來更平滑的運(yùn)動控制，但也會導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗?？焖俚膶?dǎo)通/關(guān)斷時間能降低開關(guān)損耗，但同時會影響 EMI 性能。如果導(dǎo)通/關(guān)斷時間具有良好可控性且可配置，有助于設(shè)計人員在諸多相互制約的因素中找到理想的平衡點(diǎn)。

系統(tǒng)的工作電壓是電機(jī)驅(qū)動器架構(gòu)的首要決定因素，而功率密度則是關(guān)鍵的性能指標(biāo)。更高電壓的電池通常意味著更高的功率密度。然而，當(dāng)系統(tǒng)電壓超過 60V 時，存在對人體和動物造成傷害的風(fēng)險。48V 電池系統(tǒng)因其能夠兼顧安全性與功率密度而成為主流選擇。

為了提升系統(tǒng)功率密度，設(shè)計人員需要在高度集成的三相驅(qū)動器與使用三個獨(dú)立半橋驅(qū)動器的分布式架構(gòu)之間做出選擇。功率密度也得益于小型化的實(shí)現(xiàn)方案。支持 48V 的電機(jī)驅(qū)動器無需使用外部穩(wěn)壓器或轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。從實(shí)現(xiàn)尺寸來看，將三個柵極驅(qū)動器連同診斷功能集成在單一封裝內(nèi)可能是最優(yōu)解，這是目前最緊湊的方案。與之相對，采用三個獨(dú)立的半橋驅(qū)動器可以在 PCB 板上分散布局，可能實(shí)現(xiàn)更靈活的空間利用。這種方式還能使驅(qū)動器更靠近對應(yīng)的 PET，從而減少寄生電感引起的開關(guān)損耗。

具有高功率要求的應(yīng)用需要采用高壓系統(tǒng)，這帶來了對隔離的嚴(yán)苛要求。通常，這可以通過隔離式柵極驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)方案采用兩側(cè)隔離的芯片，通過光耦實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線的信號傳輸，由外部變壓器為兩側(cè)提供隔離電源，這種方案整體體積較大。Allegro 的創(chuàng)新技術(shù)可以將外部變壓器直接集成到封裝內(nèi)部。PWM 信號和電源均通過該變壓器傳輸，不僅實(shí)現(xiàn)了空間優(yōu)化，還減少了外部 DC-DC 匹配的設(shè)計工作量。集成的組件同時降低了系統(tǒng)的寄生電感和電容，顯著提升了系統(tǒng)效率。

電流感測

電流感測是關(guān)節(jié)控制中不可或缺的一環(huán)。它既是使用 FOC 算法實(shí)現(xiàn)高效換相的基礎(chǔ)，也用于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的估算。在低壓機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)中，常用的兩種技術(shù)是基于磁傳感和基于分流電阻的感測方案，它們可被部署在兩個主要位置。

01低邊感測

低邊感測是一種常見的布局方式，傳感器在通往接地的低邊路徑上測量電流。這種傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢在于工作電壓接近于零，無需處理高共模電壓抑制問題。其局限在于，信號僅在半橋的低邊 FET 導(dǎo)通期間可用，系統(tǒng)需要精確的時序以確保正確采樣。此外，高、低占空比運(yùn)行會受到電流感測放大器帶寬的限制。

當(dāng)使用分流電阻進(jìn)行低邊感測時，電阻值的選取需要在信號強(qiáng)度和功率損耗之間進(jìn)行權(quán)衡。盡管許多電機(jī)驅(qū)動器集成了電流感測放大器以改善信號匹配度，但電阻固有的功率損耗依然存在。磁傳感技術(shù)也可用于此場景，但其通常較低的帶寬限制了其適用性。磁傳感技術(shù)的真正優(yōu)勢體現(xiàn)在同相感測中。

同相感測

同相感測是一種更先進(jìn)、更靈活的方法，它直接在電機(jī)的各相上測量電流。這意味著在任何時刻都可以測量電流，與開關(guān)狀態(tài)無關(guān)，從而降低了對傳感器帶寬的要求。然而，使用分流電阻進(jìn)行同相感測相當(dāng)復(fù)雜且成本高昂，因?yàn)樗枰邆涓吖材Ｒ种票惹彝ǔＲ笸耆綦x的專用放大器。這正是磁電流傳感器大放異彩的領(lǐng)域。

磁電流傳感器天生具有電壓隔離特性，并提供多種帶寬選項(xiàng)以適配不同的系統(tǒng)需求。集成導(dǎo)體式電流傳感器具有低阻抗路徑，相比基于分流電阻的方案，能有效降低系統(tǒng)損耗。對于高壓/大電流系統(tǒng)，磁電流傳感器與系統(tǒng)電壓完全隔離。不同方案在成本與精度之間的權(quán)衡，則取決于采用 C 型磁芯、U 型磁芯還是無磁芯技術(shù)。

電源

如上文所述，基于 48V 電池的系統(tǒng)目前最為普遍。盡管如此，給傳感器、微控制器和其他低壓電路供電時仍需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。支持 48V 輸入的穩(wěn)壓器和電源管理芯片不僅能完成電壓轉(zhuǎn)換，還能監(jiān)控功耗，并在常規(guī)電路出現(xiàn)故障時及時切斷系統(tǒng)電源。

關(guān)節(jié)制動器

一些機(jī)器人在關(guān)節(jié)處設(shè)有電磁控制的制動器，以確保機(jī)器人在斷電或進(jìn)入故障狀態(tài)時不會意外移動。這些制動器通常由半橋驅(qū)動器控制，根據(jù)需要通電或斷電。這是一個容易被忽視但卻至關(guān)重要的功能。體積小巧、性能可靠是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕松集成的關(guān)鍵。

結(jié)論

機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全面評估眾多相互關(guān)聯(lián)的因素。從傳感器和電機(jī)驅(qū)動器的選型，到系統(tǒng)整體架構(gòu)的確定，每一個決策都影響著機(jī)器人的性能、效率和安全性。隨著機(jī)器人技術(shù)的持續(xù)演進(jìn)，驅(qū)動這些精密機(jī)器的核心技術(shù)也將不斷突破。通過深入理解關(guān)節(jié)各組件的設(shè)計權(quán)衡與技術(shù)考量要素，系統(tǒng)工程師將設(shè)計和制造出比以往任何時候都更強(qiáng)大、更可靠、更高效的機(jī)器人。