人形機(jī)器人又稱仿生機(jī)器人，是一種模仿人類外形的機(jī)器人，除具備人形和模擬人類動作外還兼具智慧化和可交互性等特點(diǎn)。人形機(jī)器人的核心技術(shù)模塊包括環(huán)境感知模塊、運(yùn)動控制模塊和人機(jī)交互模塊。

▲人形機(jī)器人核心模塊

相比專門為單一任務(wù)設(shè)計的機(jī)器人，人形機(jī)器人可以在不同場景之間快速切換，具有高度的通用性和靈活性，能夠執(zhí)行多種不同類型的任務(wù)，具有更廣闊的商業(yè)應(yīng)用前景。此外，相較于其他形態(tài)的機(jī)器人，人形機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)按照人類的身體特征和操作習(xí)慣來設(shè)計的各類基礎(chǔ)設(shè)施，無需對現(xiàn)有的環(huán)境和設(shè)施進(jìn)行大規(guī)模改造。

▲多款人形機(jī)器人產(chǎn)品相繼推出（來源：各公司對外資料）

目前人形機(jī)器人正處于商業(yè)化爆發(fā)期前夜，普遍認(rèn)為到2030年市場規(guī)模可達(dá)數(shù)百億美元。Markets and Markets預(yù)計全球人形機(jī)器人市場規(guī)模將由2023年的18億美元提升至2028年的138億美元，年復(fù)合增速約50.2%。據(jù)高盛預(yù)測，樂觀情況下2035年市場規(guī)?？赡苓_(dá)到1540億美元，相當(dāng)于2021年電動汽車市場規(guī)模或手機(jī)市場規(guī)模的1/3。2024年4月首屆中國人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)大會上發(fā)布的《人形機(jī)器人產(chǎn)業(yè)研究報告》預(yù)測，2024年中國人形機(jī)器人市場規(guī)模將達(dá)約27.6億元，2026年達(dá)到104.71億元，2029年達(dá)到750億元，將占世界總量的32.7%，比例居世界第一，到2035年有望達(dá)到3000億元規(guī)模。

靈巧手：人形機(jī)器人交互核心部件

人類靈巧的手是生活中必不可缺的部分，不但能夠以不同的姿態(tài)抓取各式各樣的物體，而且能夠通過精確的操作實(shí)現(xiàn)特定的、復(fù)雜的任務(wù)。同樣，機(jī)器人靈巧手也是機(jī)器人設(shè)計與操作的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人局部精細(xì)操作的重要途徑。

▲人形機(jī)器人靈巧手案例（來源：各公司對外資料）

靈巧手是人形機(jī)器人重要的未端執(zhí)行器。未端執(zhí)行器直接安裝在機(jī)器人手腕上，用于夾持工件、或讓工具按照規(guī)定的程序完成的工作的機(jī)構(gòu)。相較于普通工業(yè)機(jī)械手(自由度少、結(jié)構(gòu)簡單、易于控制)，類人化設(shè)計的靈巧手對控制精度、靈活性要求極高。靈巧手是模擬人類手部功能的高自由度機(jī)械裝置，具備抓取、操作、感知等能力，是人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精細(xì)交互的核心執(zhí)行器。

▲靈巧手部分抓取場景（來源：EPIC）

靈巧手的性能和成本受其三大核心組件---驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和傳感裝置的共同影響。驅(qū)動系統(tǒng)(各類電機(jī))提供動力來源，驅(qū)動手指關(guān)節(jié)運(yùn)動；傳動系統(tǒng)(齒輪、連桿、腱繩等)將驅(qū)動系統(tǒng)的動力高效傳遞到手指關(guān)節(jié)，并調(diào)節(jié)輸出的力、速度和行程；傳感系統(tǒng)(各類傳感器)實(shí)時監(jiān)測手指狀態(tài)(位置、力、觸覺等)，反饋給控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)。

▲靈巧手手指結(jié)構(gòu)示意圖（來源：因時機(jī)器人）

根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動四類。電機(jī)驅(qū)動是目前多指靈巧手的主要驅(qū)動方式。電機(jī)驅(qū)動具有驅(qū)動力大，控制精度高、響應(yīng)快、模塊化設(shè)計、易于更換維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。特斯拉optimus、優(yōu)必選人形機(jī)器人靈巧手等都選擇了電機(jī)驅(qū)動方式。

▲特斯拉靈巧手采用空心杯電機(jī)驅(qū)動技術(shù)路線（來源：特斯拉AI Day）

靈巧手目前主要應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療、智能制造等領(lǐng)域。如執(zhí)行航天飛行器的艙外任務(wù)、仿生假肢和遠(yuǎn)程手術(shù)、拼裝流水線上小尺寸零件等。隨著近年來人形機(jī)器人技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人形機(jī)器人用靈巧手有望成為靈巧手未來的主流應(yīng)用領(lǐng)域。

根據(jù)Statista預(yù)測，全球機(jī)器人靈巧手2021年市場規(guī)模約為11.6億美元。隨著工業(yè)自動化、航空航天、醫(yī)療保健等行業(yè)對靈巧手需求的不斷增加與技術(shù)進(jìn)步對靈巧手的降本效應(yīng)，靈巧手市場規(guī)模有望不斷增加。根據(jù)Statista的預(yù)測數(shù)據(jù)，全球機(jī)器人靈巧手市場規(guī)模將由2021年的11.6億美元增長至2030年的30.35 億美元，2022-2030年間CAGR為10.9%。同時，全球機(jī)器人靈巧手市場容量將由2021年的50.75萬只增長到2030年的141.21 萬只，2022-2030 年間CAGR為11.7%。

靈巧手的主要通信類型

機(jī)器人靈巧手是多自由度、多傳感器，且需要快速、實(shí)時通訊的機(jī)器人控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定、可靠、高速與實(shí)時通訊的機(jī)器人靈巧手是保證其實(shí)現(xiàn)在線操作的關(guān)鍵因素。目前全球典型的靈巧手常用的兩類通訊方式，一類是基于國際通用通訊協(xié)議開發(fā)的靈巧手，比如串口通訊、USB接口通訊、CAN總線通訊、Ethernet通訊和 EtherCAT通訊等；另一類則是由用戶自定義通訊協(xié)議的靈巧手，比如PPSeCo等。

靈巧手的通訊設(shè)計主要考慮如下4個問題：通訊的速度、通訊的距離、通訊的節(jié)點(diǎn)數(shù)、能否易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的靈巧手控制算法。通訊速度即是靈巧手實(shí)際需要的通訊傳輸速度，通訊的距離般指主控端到靈巧手的連線距離，節(jié)點(diǎn)數(shù)是指一個主控端可以控制靈巧手的個數(shù)。而對于第4點(diǎn)源于靈巧手不僅要保證高速、穩(wěn)定、可靠的通訊，而且由于靈巧手控制算法的復(fù)雜性，更應(yīng)當(dāng)基于通訊協(xié)議設(shè)計出便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法的控制平臺，從而將靈巧手的控制器算法應(yīng)用到具體的操作中。

▲靈巧手通訊總線比較

從對比表可以看出，EtherCAT 總線是目前最適合人形機(jī)器人靈巧手的實(shí)時以太網(wǎng)通訊總線，基于EtherCAT 的靈巧手可以達(dá)到設(shè)計的期望性能指標(biāo)。

基于 EtherCAT 設(shè)計的靈巧手系統(tǒng)

典型EtherCAT實(shí)時通訊的靈巧手手掌板電路主要包括微處理器、EtherCAT 從站通信模塊、手指通訊電路模塊、處理器擴(kuò)展內(nèi)存模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊等。

微處理器電路模塊是靈巧手手掌板總的處理器單元；EtherCAT從站通信電路模塊用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議必須的硬件電路模塊；手指電路模塊是靈巧手手指通訊自定義單元；電壓轉(zhuǎn)換電路模塊將 PCB 輸入的電壓轉(zhuǎn)換成 3.3V、2.5V 或1.2V等電壓，對整板 PCB 供電；擴(kuò)展內(nèi)存SRAM，針對 EtherCAT 協(xié)議對大內(nèi)存的需求，進(jìn)行微處理器內(nèi)存擴(kuò)展。

▲基于EtherCAT 的人形機(jī)器人靈巧手系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統(tǒng)

靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統(tǒng)主要包括微處理器、外部存儲器、Flash、手指控制器和EtherCAT從站通信模塊組成。

1）微處理器是靈巧手EtherCAT 從站設(shè)計的核心，也是從站設(shè)計的難點(diǎn)。處理器的作用是對EtherCAT從站芯片控制和通訊,處理手指發(fā)來的信息，尤其需要實(shí)時地進(jìn)行 EtherCAT 協(xié)議層的處理。

2）外部存儲器，由于 EtherCAT 協(xié)議層需要占用大量的內(nèi)存，僅憑借控制器片內(nèi)部的RAM，會造成內(nèi)存空間不足的狀態(tài)，因此需要外部擴(kuò)展存儲器。

3）Flash用來存儲控制器的配置信息，保證掉電后不會丟失程序，上電時程序可以自動加載到 微處理器中。

4）手指控制器（電機(jī)驅(qū)動模塊）能夠使靈巧手手指得到實(shí)時控制，并實(shí)時接收手指的反饋信息。

▲基于 EtherCAT 的靈巧手從站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

EtherCAT從站通信模塊包括EtherCAT從站控制器芯片（ESC）、時鐘單元、EEPROM以及以太網(wǎng)芯片和變壓器等輔助電路單元，其中ESC是從站設(shè)計的核心。

1）ESC從站芯片負(fù)責(zé)與處理器通訊，實(shí)時的讀取用戶層和由EtherCAT主站傳輸來的數(shù)據(jù)。

2）時鐘單元，對從站芯片和處理器提供工作必備的時鐘。

3）EEPROM存儲靈巧手從站的通訊配置信息。由于ESC從站芯片需要對工作方式配置，比如 PDI的工作方式配置、通訊的地址配置，以及傳輸時用到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)配置等，這些靈巧手實(shí)際應(yīng)用需要的具體的EtherCAT從站通訊方式，都是憑借配置XML文件來實(shí)現(xiàn)，而對應(yīng)的靈巧手EtherCAT 工作方式的描述文件，將會在 EEPROM 中保存。

4）以太網(wǎng)芯片PHY保證從站工作需要的以太網(wǎng)物理層的接口需求。

5）變壓器保證以太網(wǎng)芯片滿足 IEEE802.3 和 ANSIX3.263 標(biāo)準(zhǔn)的需求。

碼靈半導(dǎo)體靈巧手 EtherCAT系統(tǒng)解決方案

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片可應(yīng)用于靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時性好、通訊速度快，同時又能夠易于復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的控制平臺。

CF110x系列最多可以提供3個數(shù)據(jù)收發(fā)端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。內(nèi)置8個FMMU單元，具有FMMU邏輯地址映射功能；內(nèi)置8個SM通道，方便對芯片內(nèi)存區(qū)域組織管理；支持 4KB寄存器空間、8KB過程數(shù)據(jù)存儲空間；支持64位分布時鐘，為微處理器提供高精度的中斷信號。CF110x系列支持眾多的PDI引腳，可以在沒有應(yīng)用層微處理器的情況下直接驅(qū)動32路數(shù)字IO信號，也可以使用外部微處理器訪問，構(gòu)建復(fù)雜的EtherCAT從站。

由于靈巧手位于整個系統(tǒng)的末端，因此保留一路 PHY 即可滿足設(shè)計需求。采用碼靈半導(dǎo)體CF1106系列芯片作為 ESC，只需在外部添加一個變壓器即可實(shí)現(xiàn)通訊功能。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

CF110x系列在靈巧手 EtherCAT系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢特點(diǎn)：

? 產(chǎn)品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權(quán)，已通過ETG官方的一致性測試認(rèn)證，符合EtherCAT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；

? 內(nèi)置8個現(xiàn)場總線內(nèi)存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產(chǎn)品支持三種數(shù)據(jù)接口（PDI）-數(shù)字I/O，SPI和8/16 位uC接口；

? 內(nèi)置64位分布式時鐘（DC），可實(shí)現(xiàn)EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；

? 可選擇性集成32位ARM Corex-M3內(nèi)核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強(qiáng)、信號完整性高和穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；

? 多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。

EtherCAT 作為一種國際通用的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時通訊協(xié)議，因此基于 EtherCAT 通訊技術(shù)設(shè)計的人形機(jī)器人靈巧手，可以與世界上不同機(jī)構(gòu)基于 EtherCAT設(shè)計的產(chǎn)品相結(jié)合，從而得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。碼靈半導(dǎo)體針對CF110x系列實(shí)現(xiàn)的靈巧手 EtherCAT系統(tǒng)應(yīng)用提供靈活便捷、簡單易用的豐富軟硬件開發(fā)工具，以及資深團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持，方便工程師開發(fā)及進(jìn)行移植測試等，助力客戶項(xiàng)目快速實(shí)現(xiàn)升級迭代。

碼靈半導(dǎo)體CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片工作溫度范圍為-40℃~85℃，并提供多種封裝，目前已投入量產(chǎn)供貨并開發(fā)派樣。歡迎聯(lián)系碼靈半導(dǎo)體李經(jīng)理18759007589（微信同號）獲取更多CF110x系列產(chǎn)品及應(yīng)用方案等詳細(xì)信息。