人形機(jī)器人需要哪些類型的芯片？

2025-10-24 09:45:51 15

人形機(jī)器人≈“三層大腦 + 一身肌肉 + 一套感官 + 一堆生命維持系統(tǒng)”
對(duì)應(yīng)到芯片，就是：云邊協(xié)同/本地AI算力（大腦）、實(shí)時(shí)控制/Motion驅(qū)動(dòng)（肌肉神經(jīng)）、多模態(tài)傳感（感官）、電源與安全（生命維持）、通信與安全（血管與免疫）。

1. 計(jì)算與AI（“大腦”）

1.1 系統(tǒng)級(jí)主控（高算力、非實(shí)時(shí)）

SoC/應(yīng)用處理器：多核CPU（Arm/×86/RISC-V）+ GPU/NPU + ISP + 視頻編解碼。
用途：視覺/語音/多模態(tài)推理、任務(wù)規(guī)劃、建圖與導(dǎo)航、UI/聯(lián)網(wǎng)。
配套芯片：

高速內(nèi)存：LPDDR5/5X（>50–100 GB/s）；獨(dú)立AI卡時(shí)用 GDDR6/HBM。
高速存儲(chǔ)：NVMe SSD（操作系統(tǒng)/模型庫），UFS/eMMC（備份/日志）。
電源管理：主 SoC 的 PMIC；大電流多相降壓。
接口收發(fā)：PCIe Gen4/5、USB3.x、MIPI C-PHY/DSI、10G/1G Ethernet（TSN更佳）。

選型要點(diǎn)：TOPS/W、ISP規(guī)格、PCIe通道數(shù)、溫升與散熱、Linux/RT 雙系統(tǒng)支持、社區(qū)和工具鏈。

1.2 AI/加速協(xié)處理（異構(gòu)算力）

NPU/AI 加速卡：INT8/FP16/FP8 混合精度；支持 Transformer/分割/姿態(tài)估計(jì)。
GPU/FPGA：復(fù)雜視覺/并行加速/可編程低時(shí)延數(shù)據(jù)通路。
選型要點(diǎn)：算力密度（TOPS/W）、片上SRAM大小、編譯器生態(tài)、模型量化/稀疏支持、與主 SoC 互聯(lián)（PCIe/CXL）。

1.3 實(shí)時(shí)控制計(jì)算（硬實(shí)時(shí)）

工業(yè)MCU / 實(shí)時(shí)SoC：雙/三核 Cortex-R/M 或鎖步內(nèi)核，帶 EtherCAT/CAN-FD、PWM、ADC。
用途：運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、關(guān)節(jié)協(xié)同、力控環(huán)、傳感匯聚；1–4 kHz（力/電流環(huán)）、200–1000 Hz（位置/速度環(huán)）。
配套：片上或外置 雙冗余看門狗、獨(dú)立電源域、ECC SRAM/Flash。

2. 傳感器與前端讀出（“感官”）

2.1 視覺

圖像傳感器：RGB/灰度、全局快門（避免運(yùn)動(dòng)畸變）；高動(dòng)態(tài)（HDR）以應(yīng)對(duì)室內(nèi)外光差。
深度/結(jié)構(gòu)光/ToF：SoC 或?qū)Ｓ?nbsp;ISP/深度處理器 做去噪、測(cè)距、SLAM 前處理。
鏡頭驅(qū)動(dòng)/對(duì)焦/光圈控制IC、MIPI/SLVS-EC 收發(fā)器。

2.2 聽覺與語音

麥克風(fēng)陣列 AFE/Codec（PDM/I2S/TDM）、語音DSP（回聲消除/波束成形/降噪）。

2.3 慣性與姿態(tài)

慣性測(cè)量單元 IMU（3軸陀螺+3軸加速度）、磁力計(jì)；
高端場(chǎng)景：光纖/環(huán)形激光陀螺的 ADC/接口；
選型要點(diǎn)：角噪聲密度、零偏漂移（溫度/時(shí)間）、內(nèi)置溫補(bǔ)、時(shí)間同步（PTP/時(shí)間戳）。

2.4 觸覺與力覺

六維力矩傳感器讀出 IC、應(yīng)變片/電橋 AFE（低噪聲、可編程增益、24-bit Δ-Σ ADC）、壓阻/電容觸覺陣列掃描 IC、皮膚陣列 MUX。
選型要點(diǎn)：噪聲底、漂移、采樣同步、溫度線性化。

2.5 位置與關(guān)節(jié)反饋

編碼器 IC：磁編碼（TMR/AMR）、光電編碼、Resolver-to-Digital（RDC）轉(zhuǎn)換器。
電流/電壓采集：隔離式 ΣΔ ADC、電流檢測(cè)放大器、霍爾電流傳感器。

2.6 環(huán)境感知與安全

激光雷達(dá)/聲吶/超聲 的 驅(qū)動(dòng)+接收 AFE；
氣體/溫濕度/接近/壓力 傳感器與 I/O 擴(kuò)展。

3. 運(yùn)動(dòng)與執(zhí)行（“肌肉與神經(jīng)”）

3.1 電機(jī)控制

驅(qū)動(dòng)控制 MCU/DSC：電機(jī) FOC（磁場(chǎng)定向控制）、高分辨 PWM、三相同步采樣。
功率級(jí)：

低中壓：MOSFET（24–100 V）；
中高壓/高效率：GaN/SiC MOSFET 半橋/三相橋，適合高速關(guān)斷、低損耗。

柵極驅(qū)動(dòng)：隔離式/自舉驅(qū)動(dòng)、短路/過流/欠壓保護(hù)。
隔離與測(cè)量：數(shù)字隔離器、隔離式電流檢測(cè)（ΣΔ/霍爾）、分流電阻。
位置傳感：編碼器/RDC，上位環(huán)路 1–5 kHz，電流環(huán) 10–40 kHz。

3.2 關(guān)節(jié)模組（推薦的“每關(guān)節(jié)小系統(tǒng)”）

1× 安全 MCU（鎖步/獨(dú)立看門狗）
1× 電機(jī)控制 MCU（FOC + PWM）
1× 柵極驅(qū)動(dòng) + 功率MOSFET（GaN/SiC 依功率選）
1× 電流/電壓測(cè)量（隔離ΣΔ + CSA）
1× 編碼器/Resolver 前端
1× 隔離式 DC-DC + 數(shù)字隔離器
1× 實(shí)時(shí)總線接口（EtherCAT/CAN-FD）

3.3 末端執(zhí)行器與手部

力控驅(qū)動(dòng)：帶力矩閉環(huán)（高帶寬 AFE + 低延時(shí) MCU）。
觸覺皮膚陣列控制 IC：行列掃描/電容讀出/抗串?dāng)_設(shè)計(jì)。

4. 電源與能源管理（“生命維持系統(tǒng)”）

4.1 電池與BMS

電池監(jiān)測(cè)/均衡 IC：串聯(lián)多節(jié)鋰電電壓、電流、溫度采樣與硬件均衡；
電量計(jì)/計(jì)量 IC：SOC/SOH 估算；
高壓隔離接口：與主控通訊的 SPI/UART 隔離。

4.2 供配電架構(gòu)

高壓到母線：升/降壓 DC-DC 控制器（>1 kW 級(jí)優(yōu)先 SiC/GaN）；
母線到各域：多相降壓、負(fù)載開關(guān)、熱插拔控制、理線 PMIC（數(shù)十路）。
瞬態(tài)保護(hù)：TVS、eFuse、OCP/OVP/OTP 控制器。

4.3 充電與能量回收

車規(guī)/工業(yè)級(jí)充電前端：PFC 控制器 + 隔離 DC-DC；
再生制動(dòng)回灌：雙向 DC-DC/逆變控制器與電流采樣鏈路。

5. 通信與時(shí)鐘（“血管與節(jié)拍”）

現(xiàn)場(chǎng)總線/工業(yè)以太：EtherCAT（主/從）、CAN-FD、RS-485，支持 TSN 以太網(wǎng) 做跨域同步。
無線連接：Wi-Fi 6/6E、BT/BLE；遠(yuǎn)程可加 5G 模組。
時(shí)間同步/時(shí)鐘：PTP（IEEE 1588）硬件時(shí)間戳、高穩(wěn)參考晶振（TCXO/OCXO）、時(shí)鐘樹/抖動(dòng)清理器。
I/O 擴(kuò)展：SPI/I2C/GPIO 擴(kuò)展、橋接器（MIPI?CSI/DSI、PCIe?GbE 等）。

6. 安全與可靠（“免疫系統(tǒng)”）

功能安全 MCU/監(jiān)控：鎖步內(nèi)核、ECC、窗口看門狗、故障注入支持；
安全芯片：TPM/HSM/安全元素（密鑰、證書、加解密、啟動(dòng)測(cè)量）；
電源隔離/信號(hào)隔離：數(shù)字隔離器、隔離式 DC-DC；
傳感冗余：IMU/編碼器/力矩雙通道，交叉校驗(yàn)；
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齊：機(jī)械/電氣/功能安全流程（如 ISO 13849/26262 思維方式應(yīng)用于機(jī)器人子系統(tǒng)）。

7. 機(jī)內(nèi)“分域”架構(gòu)建議（便于拆分團(tuán)隊(duì)與布線）

頭部域：相機(jī)/麥陣 + ISP/Codec + 高算力 SoC/NPU（冷卻*，靠近傳感減少線長(zhǎng)）。
軀干域：系統(tǒng)主板（SoC、存儲(chǔ)、NVMe、交換/路由、PTP），集中供配電。
四肢域：關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)（MCU+功率+傳感），通過 EtherCAT/CAN-FD 菊鏈到軀干。
安全域：獨(dú)立安全 MCU + 急停鏈路，能在主系統(tǒng)異常時(shí)下電/抱閘。

8. 關(guān)鍵指標(biāo)與頻率“速查表”

子系統(tǒng)	關(guān)鍵芯片	典型指標(biāo)/頻率
視覺主 SoC/NPU	應(yīng)用 SoC / NPU / GPU	50–200 TOPS、LPDDR5 6–12GB、NVMe 256GB+
攝像頭前端	圖像傳感器 + ISP	2–8MP@60–120fps、HDR 100dB+、MIPI 2–4lane
實(shí)時(shí)控制	工業(yè) MCU/SoC	200–600 MHz、EtherCAT/CAN-FD、雙核/鎖步
關(guān)節(jié)電流環(huán)	MCU + ADC + 驅(qū)動(dòng)	電流環(huán) 10–40 kHz、位置環(huán) 0.2–1 kHz
力/扭矩采樣	AFE + Δ-Σ ADC	24-bit、>4 kSps/通道、噪聲 μV 級(jí)
通信主干	以太網(wǎng)/TSN	1–10 Gbps、PTP 納秒級(jí)同步
電源母線	DC-DC 控制器	48–100V→多路，效率 >95%
電池管理	BMS IC	8–16 串監(jiān)測(cè)、均衡、電量計(jì)、隔離通信

人形機(jī)器人不是“多買點(diǎn)AI算力”就能動(dòng)；它真正難在把高算力、硬實(shí)時(shí)、強(qiáng)功率、強(qiáng)安全這四個(gè)*用合適的芯片拼成一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。

免責(zé)聲明：本文采摘自“老虎說芯”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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