拆解灵巧手，ADI深度赋能

在此前的文章《ADI全面布局人形机器人》中，我们分享了这家模拟芯片巨头在近年火热的机器人赛道的布局。得益于在控制、传感以及电源方面的深厚积累，ADI已然成为了这个领域重要的芯片和方案供应商。
 
正如前文中所说，在机器人中还有一个重要组成部分，那就是灵巧手。作为一个复杂且尺寸有限的部件，灵巧手涉及数十个自由度的控制，还要考虑与机器人的连通、功耗控制等问题，这就让灵巧手成为了人形机器人中的重中之重。
 
ADI中国区工业市场总监蔡振宇也表示，对于人形机器人而言，立起来走路不难了，难就难在“手”和“智能”。


 
不容易的“手”
 
蔡振宇直言，手在人形机器人中的成本，是非常高。因此如何打造出“灵巧手”，降低包括“手”在内的机器人BOM成本，是人形机器人走向普及的一个前提。
 
诚然，类比人类的手，十个手指，如此多关节（单手21个自由度），同时配合做那么多高精度动作。这如果要在“灵巧手”上完全复刻，足以看到其难度之高。这也是当前不同厂商在灵巧手上的设计上采用了不同自由度和不同方案的原因之一。具体而言，灵巧手的性能和成本受仿生结构、驱动、传动、感知、复合材料以及建模与控制等多方面关键技术的影响。当中，感知更是一切的前提。
 
如人类皮肤一样，灵巧的操作要求灵巧手能够准确地反馈自身状态并感知周围环境，这就需要内传感器和外传感器两大类。其中，内部传感器用于反馈灵巧手自身的位置或力等状态信息；外部传感器是机器人获取周围环境信息的必要部件。
 
在感知之后，需要做相应的操作，这就需要借助驱动方案来实现。受到体积和重量等因素的限制，开发者目前为灵巧手提供了包括电机驱动、气压驱动、液压驱动和形状记忆合金驱动等多种驱动方式。显而易见，这是实现手的自由度和精度的关键，这也是灵巧手需要面对的首要难题。具体到技术方面，就需要对电机位置实现精准追踪。
 
“依赖齿轮或线性传感器的传统的方案体积大、成本高，且断电后需重新校准位置，极大影响生产效率。”蔡振宇表示。“对于灵巧手的驱动而言，还需要考虑另一个问题，那就是如何规避机器人断电重启后关节重置这类不符合人类常规逻辑的体验。”蔡振宇接着说。
 
在驱动这个环节，还需要考虑传动问题，是采用腱绳传动、连杆传动还是齿轮传动，这都是开发者不得不面对的又一个挑战。
 
除了要让灵巧手更灵巧以外，如何简化灵巧手内部的连接，也是灵巧手开发者不能忽视的另一个问题。因为灵巧手内的空间有限，如果再像现在这样用有线的方式去了解，不但会带来复杂性，还会给后续的维修带来麻烦。
 
作为一家横跨多个领域布局的模拟芯片企业，ADI也能为灵巧手提供广泛支持。
 
ADI的精准赋能
 
按照ADI在官网所说，公司能为全球各行各业的众多客户提供超过75000种模拟和混合信号半导体产品。换而言之，公司能为客户提供包括模拟和混合信号设备、电源管理、射频产品以及边缘处理器和传感器等在内的产品，在现实与数字世界之间架起桥梁。
 
针对灵巧手，ADI也提供了极具竞争力的解决方案。
 
例如面向驱动市场，ADI就推出了革命性的ADMT4000。据介绍，基于包括转圈（TURN COUNT）传感器和角度传感器的双磁传感器架构，ADMT4000能实现断电状态下的位置记忆，支持无源多圈记忆。
 
“我们的这个方案可记录 46 圈（0° 至 16,560°）的旋转位置，还省去了传统的ADC转换环节，实现高达 ±0.25的精度，可替代传统齿轮或线性传感器。”蔡振宇说。此外，ADMT4000 还不需要电池和额外器件，这就让其较之与统方案相比，大大降低了系统尺寸、重量和成本。
 
为了满足客户如扩展多圈型号以满足重型机器等应用的需求，ADI也升级解决方案，推出了集成FOC算法的伺服电机驱控方案，为“灵巧手”应用带来新的赋能。
 
据介绍，这是业界首个全集成驱动器+FOC解决方案，完全集成了 36V 智能 FOC 驱动器，支持PMSM/BLDC及有刷伺服电机。借助内置的硬件FOC引擎，开发者无需编写复杂的FOC算法代码，即可在其上实现电机的高效率、平稳静音及快速动态响应控制。其集成的8点加减速轨迹曲线运动控制EightPoint Motion Controller能减少运动抖动，实现平滑的加减速控制。
 
此外，因为集成了完整的无损电流检测、位置/速度/力矩闭环控制以及高达200kHz的PWM频率，该集成方案还非常适合控制低电感空心杯电机。通过SPI菊花链方式，更是仅需少量引线即可级联控制多达数十个芯片。
 
借助这些领先优势，该集成方案极大降低了系统布线的复杂度、节省了宝贵的PCB空间，还将运动控制任务从主控MCU中卸载，使主控资源能最大限度地用于大模型运算等高级AI任务，提升机器人整体算力。
 
“这是业界高集成度的 FOC 解决方案，非常适合灵巧手的关节应用。”蔡振宇说。
 
针对灵巧手的连接简化需求，ADI正在将其无线连接方案推向灵巧手应用。据介绍，ADI推出的ADMV9611/ADMV9621 是一个完整的毫米波(mmWave)无线连接解决方案，采用小型印刷电路组件(PCA)形式，。搭配使用ADMV9611与ADMV9621，可以搭建完整的全双工60 GHz数据链路，现短距离的高速无线链接，速率可达：100 Mbps，能够在免许可的60 GHz工业、科学和医疗(ISM)频段中实现高速数据传输。
 
写在最后
 
在去年年底，特斯拉创始人Elon Musk在介绍其最新的、拥有22自由度的机器人灵巧手的时候谈到，从机电角度看，在整个Optimus的开发过程中，手部占据了一半的工程量。由此可见，这个看起来小的部件，在机器人开发的重要性。
 
回看人形机器人过去几年的发展，在ADI等技术先锋的推动下，包括灵巧手在内的部件的每一次突破都在重塑人形机器人的未来。而随着他们从只提供芯片，到提供模组，再到提供整体系统方案。我们共同期待，“灵巧手”如何在不久的将来，赋予机器人真正“类人”的灵巧与智慧。