MPS 人形機器人解決方案 “芯片+算法+系統”
http://www.debgrams.com 2025-10-16 09:52 來源：MPS
10月15日， MPS人形機器人解決方案發布會在上海順利舉辦。MPS模擬產品線的總監瞿松帶大家縱覽人形機器人從技術萌芽到智能革命的演進歷程，深度剖析當前機器人應用面臨的動態平衡、環境感知與實時決策、能耗與制造成本等核心挑戰，同時揭曉了MPS針對人形機器人應用難題推出的高性能電機驅動、高精度傳感器、驅控一體式電機等多款新產品，并詳細解析產品特性與技術優勢。
人形機器人的發展現狀
21世紀以來，人形機器人進入了快速發展階段。波士頓動力公司推出以高動態運動能力為特征的Atlas機器人。特斯拉公司研發出Optimus人形機器人，計劃應用于工業生產等領域。Figure AI 機器人首個搭載通用視覺-語言-行動（VLA）模型，能夠實現自然語言控制、多機器人協作、快速學習等功能。
國內市場也表現出了很強的活力。宇樹科技的R1、G1、H1等人形機器人具有較強的運動能力，同時集成了語音、圖像多模態大模型，具有較強的交互能力。智元推出了適用于工業及商業場景的遠征系列，全身49個自由度，單臂最大負載5Kg，搭載了自研的具身智腦框架和WorkGPT大模型，能夠理解用戶意圖，感知環境和任務編排。靈犀系列則定位在輕量化、智能交互與服務上，具備毫秒級交互反應，配備先進的小腦控制器和域控制器，支持豐富的交互體驗。小鵬機器人IRON高度擬人，能主動推理思考，進行類人連續對話，配備多種傳感器，已于今年進入裝配車間實習。
如上所述，人形機器人行業正處于快速發展階段，技術進步、政策支持和市場需求共同推動其向規模化應用邁進。
圖1：機器人的演變過程
2025年人形機器人進入量產元年，市場規模預計將持續擴大。據高工機器人產業研究所（GGII）預測，2025年全球人形機器人的市場規模將達到63.39億元，2035年可能超過4000億元。工業領域將首先成為主要的應用場景，替代更多重復性、危險性勞動，提高生產效率。隨著技術成熟和成本下降，人形機器人有望在家庭服務、醫療康復、教育陪伴等方面實現大規模應用。
同時，人工智能技術的進步、AI大模型與機器人的深度融合，將使機器人具備更強的自主學習和決策能力，實現更自然的人機交互。人形機器人正朝著類人化、自主化、集群化、安全化方向發展，相關制造商們也正努力把科幻場景變成產業實景。
人形機器人的技術挑戰
如今的機器人行業競爭激烈。尤其在當下機器人設計迭代周期不斷縮短、成本控制日益嚴格、功能需求越發精細復雜且通往賽道終點的路線尚不明確的情況下，為了能在這場競賽中取得成功，人形機器人制造商們不得不越來越依賴于半導體供應商。
人形機器人行業目前面臨很多技術挑戰，想要實現具身智能（Embodied Intelligence），任重道遠。
挑戰一：運動能力與穩定性不足
•動作協調性：實現自然流暢的運動和復雜動作仍有挑戰，步態和身體協調性需提升，尤其在不平坦地面或受外力沖擊時。
•平衡與靈活性：快速奔跑、跳躍等動作時，保持身體穩定和平衡困難，高精度傳感器和高級算法的需求較高。
•能源效率：高復雜度運動需要大量電力，現有電池技術難以滿足長時間、高負荷運行的需求。
圖2：人形機器人運動能力示意圖
挑戰二：感知與認知能力有限
•環境感知：多傳感器融合不完善，復雜動態環境下的識別和理解能力較弱。
•自然語言理解：理解自然語言的上下文、情感和語境困難，準確回應和流暢對話能力不足。
•決策與規劃：自主決策能力欠缺，復雜環境中實時感知和處理變化的能力有限，多任務處理能力不足。
圖3：人形機器人感知能力示意圖
挑戰三：高昂的制造成本
人形機器人的核心部件成本高昂，例如靈巧手、關節模組、傳感器等關鍵部件的成本占比較大。
MPS人形機器人解決方案
面對以上挑戰，MPS推出了人形機器人解決方案，除了會考慮定義產品的“殺手锏”功能，還會統一產品開發路線和整體芯片生態系統，精心設計產品使其具備更高的安全性、可擴展性和可靠性，從而幫助人形機器人制造商實現其具身智能的目標。
電機驅動芯片：運動能力與穩定性的核心基礎
首先，人形機器人運動能力與穩定性問題的關鍵，在于電機模組的控制。為此，MPS推出了針對三相無刷直流電機的MP(Q)6547A、MP6543電機驅動器芯片。
其中，MP(Q)6547A具備較高的電壓范圍，工作電壓從4V至32V。在驅動能力方面，MP(Q)6547A內部集成了3個半橋驅動器，6個低內阻MOSFET，其中高邊MOSFET內阻60 mΩ，低邊MOSFET內阻50mΩ，連續輸出電流可達3A，峰值電流可達6A。
同時，為了使得開發更加便捷，MP(Q)6547A內部充電泵支持100%占空比工作，具備自動同步整流功能。在故障檢測方面，MP(Q)6547A具有輸出故障提示，欠壓鎖定保護 (UVLO) 和過壓保護 (OVP)，過溫關斷保護 (OTP)，過流保護 (OCP)功能。該芯片封裝采用QFN-18 (3mmx4mm) 封裝，具有可潤濕側翼，可以在提高散熱能力的同時減小PCB占板面積。
圖4：MP6547應用框圖
而對于低電壓范圍低功耗的機器人應用場景，MPS還推出了三相無刷直流電機驅動芯片MP6543。MP6543的工作電壓范圍是3V至12V，內部同樣集成了3路半橋驅動器，其中每個MOSFET內阻110mΩ。
為了便于控制，MP6543支持PWM與ENBL輸入，支持霍爾信號輸入，內置3.3V/100mA LDO調節器，支持內部充電泵100%占空比工作，具備自動同步整流功能。
同時，為了便于進行目標電流檢測，MP6543還集成了雙向電流檢測放大器。封裝采用QFN-24封裝，極大的節省了PCB空間。
圖5：MP6543 應用框圖
傳感器：機器人精準控制的關鍵
然而，要讓機器人更加靈活，只有電機驅動是不夠的，還需要各種傳感器來為機器人提供對外界的感知。
在諸多紛繁復雜的傳感器品類中，角度傳感器格外的重要。它可以提供手指轉動的角度反饋，讓每根手指能夠執行精確的位置控制，并協調多指間的運動。例如機器人用靈巧手抓取一個物體，就需要各個手指，分別按照預定的角度來包裹物體，聽上去簡單，實現起來卻很難，如果精度稍差，就可能抓不穩或用力不均，導致打滑。
傳統的角度傳感器，很多是基于霍爾效應來實現的，工作范圍內的精度通常在1度左右（經校準后可達0.2度），這對于手指而言，還不夠靈巧，對于未來的機器人，肯定需要更高精度的角度傳感器。
為此，MPS推出了基于磁阻效應的TMR傳感器：MA600A。其工作范圍內的精度小于0.6度，經校準后的最終誤差 (INL) 可小于 0.1度，無噪聲分辨率可達12位至15位，帶寬也高達12kHZ。
MA600A的工作電壓為3V至3.6V，通信接口支持SPI、ABZ、PWM、UVW以及SSI，適用于多種通信協議場合。其支持菊花鏈配置，配置更加靈活，通過AEC-Q100認證，安全可靠。
同時為了減小體積，MA600A采用QFN-16封裝，直徑只有3mm，可以輕松裝配到靈巧手中的各個位置。考慮到不同機器人的機械結構差異，MA600A可以支持同軸或離軸安裝，可以適配不同的機械結構。
圖6：MA600A
圖7：MA600A 應用框圖
但是直接測量的磁傳感器較容易受到外界干擾，對于機器人靈巧手而言，其內部有多個電機，會產生多種電流，這會導致產生鄰近的雜散磁場。
針對這一問題，差分傳感器可以很好的解決。為此，MPS推出了非接觸式、高精度磁性絕對角度位置差分傳感器MA900。其通過傳感器 IC 上多個位置的磁場差異來提取角度數據，這種差分方法消除了寄生磁場的影響，通過多點采樣和差分測量的方式，來消除外界干擾磁場和某些共模誤差，實現更穩定的角度測量，讓機器人能在更復雜的環境中工作。
MA900提供兩種供電電壓，3V至3.6V和4.5V至5V。通信接口支持SPI、I²C、ABZ、PWM、UVW、SSI、SENT，可適配多種電壓與通信協議場景。在故障檢測方面，MP900還可配置磁場強度檢測，便于診斷檢查。
MA900符合AEC-Q100認證，安全可靠。其封裝采用QFN-16與QFN-32，尺寸較小，節省了PCB面積。
圖8：MA900
圖9：MA900 應用框圖
高性能、高集成度電機驅動解決方案
除了上述針對單一功能的應用場景外，MPS還提供了一套面向未來的高性能、高集成度電機驅動解決方案，可以在高功率密度、低噪音、快速響應的基礎上，在有限空間內實現高度集成與智能控制，以適應人形機器人向類人化、自主化、輕量化發展的趨勢。
1.高度集成：MCU + 驅動 + 功率器件“三合一”合封方案
為應對人形機器人對小型化、模塊化關節設計的嚴苛要求，MPS推出了基于系統級封裝（SiP）與合封技術（Co-Packaging） 的微型伺服驅動模組。
•集成MCU的智能驅動方案：
MPS將專用控制MCU（如基于ARM Cortex-M系列架構）與電機驅動IC（如MP(Q)6547A / MP6543）以及功率MOSFET進行同封裝集成，形成“驅動+控制+功率”一體化模塊。
oMCU內置微型伺服控制算法（見下文），支持FOC（磁場定向控制）、梯形波、SVPWM等多種控制模式。
o實現閉環電流、速度、位置三環控制，響應時間<1ms。
o支持CAN FD、I²C、SPI等通信接口，便于與上層主控（如ROS系統）高效交互。
•極致小型化封裝：
o采用QFN-18（3mm×4mm）、QFN-24等超小封裝，并帶可潤濕側翼，提升焊接可靠性與散熱性能。
o結合3D堆疊與芯片倒裝（Flip-Chip）工藝，顯著降低PCB占用面積，適用于手指關節、頸部、手腕等狹小空間。
o典型模組直徑僅12mm，集成空心杯電機、行星齒輪箱與驅動控制單元，廣泛應用于靈巧手與微型執行器。
點睛優勢：通過合封技術，MPS將傳統分立的控制器、驅動器、傳感器信號調理電路整合為單一模塊，減少布線干擾、提升系統可靠性，同時降低整體BOM成本。
2.微型伺服控制算法：實現高精度、低噪音運動
人形機器人追求擬人化動作流暢性，傳統開環控制難以滿足需求。MPS在驅動芯片中嵌入了自研微型伺服控制算法棧，專為微型電機優化：
•自適應FOC算法：
支持無感FOC（Sensorless FOC）與有感FOC雙模式，結合高頻注入法實現低速高轉矩啟動，提升起步平順性。
•振動抑制與噪音優化：
o內置S形加減速規劃器，避免階躍電流沖擊，降低機械共振。
o采用隨機PWM調制技術，分散電磁噪聲頻譜，實現運行噪音<30dB，接近靜音級別。
o支持自動諧振頻率識別與陷波濾波，動態抑制關節抖動。
•實時電流前饋與擾動補償：
基于MA600A / MA900高精度角度傳感器反饋，實現微秒級電流環響應，確保抓取、行走等動作的細膩力控。
應用場景示例：在靈巧手抓取雞蛋時，伺服算法可動態調節各指關節扭矩，實現“輕握不破”，體現類人觸覺控制能力。
3.高效率設計：延長續航，降低發熱
人形機器人受限于電池容量，能效比是核心指標。MPS方案可從多個維度提升效率：
•低內阻MOSFET設計：
MP(Q)6547A集成6顆低Rdson MOSFET（高邊60mΩ，低邊50mΩ），導通損耗降低30%以上。
•自動同步整流 + 智能休眠模式：
o內置充電泵支持100%占空比工作，避免二極管續流損耗。
o支持nSLEEP低功耗模式，待機電流<1μA，適合待機狀態節能。
•高效LDO與電源管理：
MP6543集成3.3V/100mA LDO，為MCU和傳感器供電，減少外部電源模塊需求，提升系統集成度。
•整體系統效率 > 92%（典型工況下），顯著延長機器人單次作業時間。
4.安全可靠：全鏈路故障保護與診斷
•為保障人機共處安全，MPS驅動方案內置多重保護機制：
•此外，支持SPI / I²C診斷接口，可讀取內部狀態寄存器，便于遠程監控與預測性維護。
空心杯電機一體機產品
除了一整套完整的電機驅動系統外，為適應高集成度的技術趨勢，MPS還可提供集成了行星齒輪箱、空心杯電機、電機驅動的一體化電機，直徑僅為12mm，額定轉速20000rpm、額定扭矩2mNm，可根據客戶需求，搭配不同減速比，以適應不同轉速及扭矩需求。此產品方案備受機器人廠商的青睞，可在滿足動力輸出的同時，實現系統成本的下降。
以人形機器人的靈巧手為例，靈巧手的設計難點在于如何在小型化的空間體系里實現高自由度與精準控制，而這正是MPS的解決方案的優勢所在。
MPS 的EZmotion端到端方案以高集成度為核心，該方案把FOC矢量控制算法、位置/電流/速度三環控制、PID調節和磁編碼器高度集成，形成一體化模組，能夠極大地節省PCB布板尺寸和安裝空間，降低系統集成復雜度。
目前，MPS提供8-16mm直徑的空心杯電機一體化設計方案，集成磁編碼器+驅動器+微型減速器+FOC算法+三環控制，有效降低手部主控MCU的要求。
同時，MPS 與客戶深度協同，推動產品快速進化。例如，有客戶希望將電機直接集成到機器人手指內部，并且把電機直徑控制在 10mm 以內，這就要求配套芯片進一步小型化。而MPS 研發團隊針對這一需求，研發了新一代改良芯片，將芯片面積縮小 30% 以上，實現了電機與手指的緊湊集成。靈巧手的開發涉及多電機布局、通訊排線、散熱設計等復雜工程問題，傳統方案的開發周期長，而MPS的模組一體化方案能夠幫助客戶縮短開發周期30%以上，同時極大提高了系統穩定性和調試的便易性。
圖10：MMS1RH系列產品
在空心杯電機一體機領域，MPS推出的MMS1RH系列產品，不僅能夠實現更簡單、安全的高精度控制，還能有效減少部件和裝配成本，提升整體經濟性與性價比。
圖11：MMS1RH系列產品結構圖
MMS1RH系列產品集成了伺服驅動器、位置編碼器、永磁同步電機，SPI時鐘頻率8MHz。可獨立實現轉矩閉環控制，在提供的 C 語言 EasyFOC 庫配合下可在速度和位置控制模式下運行。
EasyFOC庫可通過 SPI 接口讀取電機的角度、電流、電壓反饋，并根據客戶給定的控制模式計算對應指令，發送至 MMS1RH 以實現位置或速度閉環控制；其中，對實時性要求較高的 FOC 電流環部分，直接在 MMS1RH內部完成。
圖12：系統架構示意圖
MMS1RH系列產品采用一體化電機驅動模組，集成空心杯電機+驅動器+磁編碼器+減速機。基于FOC控制技術，產品可實現位置、速度和力矩閉環控制，可擴展力/位混合控制。產品集成17位角度傳感器，可實現精準位置控制，可通過MCU C語言代碼庫拓展電機控制功能。并且還用總線連接方式減少線束，簡化系統接線，具有外部角度、力、扭矩傳感器拓展接口。
為進一步完善靈巧手驅動解決方案，MPS還推出了電機驅動板MMP1RH，該器件具備 FOC 控制功能，集成了角度傳感器，擁有超小尺寸（直徑 9mm、厚度 6.5mm），輸入電壓范圍為 5V-18V，最大2A相電流，支持最大轉速 60000rpm，配備 RS485 接口，具備UVLO/OCP保護功能，可編程開關頻率高達80kHz，角度傳感器分辨率為14bits，電流采樣ADC分辨率為 10bits。
圖13：電機驅動板MMP1RH
結語
以上是MPS針對人形機器人的應用需求推出的多款解決方案。先進的技術和廣泛的產品組合對機器人客戶具有強大的吸引力，而產品的可靠性和耐用性也至關重要。
在具身智能這場競賽中，MPS通過“芯片+算法+系統”三位一體創新，為人形機器人客戶提供安全、可擴展、高性價比的底層動力解決方案，幫助客戶成功且快速地開發安全、可擴展、可靠的解決方案。
作為一家全球領先的半導體供應商，MPS憑借敏銳的洞察力和豐厚的經驗可以滿足人形機器人客戶的各種要求。我們的內部工藝技術持續領先于競爭對手，如今已從電源產品擴展到精密模擬領域，在應用方面亦是從IC拓展到整個人形機器人應用領域。
MPS 公司簡介
Monolithic Power Systems, Inc. (MPS) 是一家全球領先的半導體公司，專注于基于芯片的高性能電源解決方案。MPS 的使命是減少能源和材料消耗，從各方面改善生活質量。公司于 1997 年由 CEO Michael Hsing 成立，擁有三大核心優勢：深厚的系統級知識、卓越而專業的半導體設計能力、專有的半導體工藝、系統集成技術及創新能力。這些綜合優勢使 MPS 能夠為客戶提供可靠、緊湊和單片集成的解決方案，使其產品更節能、更經濟，同時也為我們的股東帶來持續的投資回報。更多 MPS 信息，請訪問 www.monolithicpower.cn 或各地辦事處。
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