電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文 / 吳子鵬）日前，宇樹機(jī)器人再次公開了旗下人形機(jī)器人 G1 的 “功夫 BOT” 動(dòng)作視頻，展示了其在算法升級(jí)后能夠輕松學(xué)習(xí)并執(zhí)行任意動(dòng)作的能力。視頻中的機(jī)器人熟練地完成了揮拳、回旋踢等高難度武術(shù)動(dòng)作，引發(fā)了廣泛關(guān)注。

宇樹機(jī)器人回旋踢

近期，國內(nèi)人形機(jī)器人領(lǐng)域掀起了挑戰(zhàn)高難度動(dòng)作的熱潮。數(shù)日前，眾擎機(jī)器人發(fā)布了一段旗下機(jī)器人完成前空翻的視頻。據(jù)眾擎機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)介紹，前空翻動(dòng)作相比奔跑，更能充分展現(xiàn)機(jī)器人在本體硬件和算法技術(shù)方面的實(shí)力。

中美人形機(jī)器人高難動(dòng)作比拼

高難度動(dòng)作已成為人形機(jī)器人公司展示技術(shù)實(shí)力的重要方式。在宇樹機(jī)器人和眾擎機(jī)器人之前，這類高難度動(dòng)作主要由美國公司研發(fā)的人形機(jī)器人完成。例如，美國波士頓動(dòng)力公司的 Atlas 機(jī)器人在早期就成功完成了后空翻、倒立和跑酷等動(dòng)作。

2019 年 4 月，波士頓動(dòng)力發(fā)布的視頻顯示，Atlas 人形機(jī)器人已掌握倒立、360 度翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)等多項(xiàng)技能。據(jù)介紹，他們利用新技術(shù)簡化了 Atlas 的開發(fā)過程，從而實(shí)現(xiàn)了這些復(fù)雜動(dòng)作。2021 年 8 月，波士頓動(dòng)力又分享了 Atlas 新習(xí)得的跑酷技能，跑酷對機(jī)器人的平衡控制和動(dòng)作切換能力提出了極高要求，而 Atlas 能夠出色完成，彰顯了其先進(jìn)的技術(shù)水平。

盡管從時(shí)間上看，國內(nèi)人形機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)度稍顯滯后，但近期也取得了不少世界首次的突破。眾擎機(jī)器人的前空翻是人形機(jī)器人領(lǐng)域的首次嘗試，這一成果的關(guān)鍵在于對關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)、瞬間加速和落地重心支撐的精準(zhǔn)計(jì)算，確保了空翻動(dòng)作的連貫性和穩(wěn)定性。在此之前，眾擎機(jī)器人還完成了直膝步態(tài)，同樣是全球首例，使機(jī)器人行走更接近人類自然姿態(tài)。

目前，中美人形機(jī)器人的發(fā)展路線已呈現(xiàn)出一定差異。國產(chǎn)人形機(jī)器人注重運(yùn)動(dòng)控制精度，通過先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)一些編排動(dòng)作，以推動(dòng)產(chǎn)品商業(yè)化，如宇樹機(jī)器人登上春晚舞臺(tái)。而美國則更關(guān)注環(huán)境交互實(shí)時(shí)性，特斯拉人形機(jī)器人在這方面取得了顯著成就，目標(biāo)是使人形機(jī)器人更好地融入各種任務(wù)場景。

哪些芯片影響人形機(jī)器人的高難度動(dòng)作

本文主要聚焦于高難度動(dòng)作這一國內(nèi)目前重點(diǎn)發(fā)展的方向，探討在這些高難度動(dòng)作背后，除了先進(jìn)算法外，哪些芯片發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

實(shí)際上，人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高難度動(dòng)作離不開四大類關(guān)鍵芯片：主控芯片、傳感器芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和通信芯片。

主控芯片作為人形機(jī)器人的 “大腦”，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制機(jī)器人的整體運(yùn)行。它對來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，并根據(jù)預(yù)設(shè)算法和指令生成控制信號(hào)，指揮機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)如空翻等復(fù)雜動(dòng)作。在深圳眾擎科技的人形機(jī)器人前空翻技術(shù)中，主控芯片需快速處理智能控制算法與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型優(yōu)化后的數(shù)據(jù)。目前，主控芯片領(lǐng)域仍以英偉達(dá)的 Jetson 系列芯片為主導(dǎo)，該芯片具備強(qiáng)大的計(jì)算能力和深度學(xué)習(xí)性能，可進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜算法運(yùn)算，能快速處理機(jī)器人視覺系統(tǒng)的圖像信息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、物體追蹤等功能，支持機(jī)器人的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。不過，Jetson 系列芯片成本較高，對于大規(guī)模量產(chǎn)且對成本敏感的企業(yè)，可能會(huì)選擇其他芯片。

除 Jetson 系列芯片外，可用于人形機(jī)器人主控芯片的還有英特爾 Atom 系列芯片、特斯拉 FSD 芯片，以及國內(nèi)華為、先楫半導(dǎo)體、寒武紀(jì)、地平線等公司推出的相關(guān)芯片。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的作用是將主控芯片發(fā)出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)向，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。在人形機(jī)器人空翻時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片需快速、精確地控制電機(jī)，使關(guān)節(jié)能在短時(shí)間內(nèi)輸出足夠扭矩，實(shí)現(xiàn)起跳、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作。人形機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，后續(xù)將單獨(dú)進(jìn)行分析，此處暫不深入探討。

通信芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人內(nèi)部各模塊之間以及機(jī)器人與外部設(shè)備之間的通信。在空翻過程中，通信芯片確保主控芯片與傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速，使機(jī)器人能及時(shí)獲取信息并做出相應(yīng)動(dòng)作調(diào)整。除主控芯片上集成的各種接口外，人形機(jī)器人還需要藍(lán)牙、Wi-Fi 等無線通信芯片。

傳感器芯片是本文重點(diǎn)解讀對象。人形機(jī)器人在執(zhí)行高難度動(dòng)作時(shí)，多種傳感器發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

在空翻過程中，視覺處理芯片通過立體視覺或激光雷達(dá)芯片感知環(huán)境，如地面硬度、障礙物等，為空翻動(dòng)作的安全性提供環(huán)境適應(yīng)性判斷。力傳感器安裝在機(jī)器人的關(guān)節(jié)和腳底等部位，用于測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中所受到的力和壓力。在執(zhí)行高難度動(dòng)作時(shí)，力傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人與地面的接觸力以及關(guān)節(jié)處的受力情況，以便主控芯片調(diào)整輸出扭矩，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的起跳、落地和姿態(tài)控制。

此外，慣性測量單元（IMU）芯片在人形機(jī)器人中也至關(guān)重要。IMU 芯片集成了陀螺儀和加速度計(jì)，可實(shí)時(shí)測量機(jī)器人的加速度、角速度和姿態(tài)信息，為機(jī)器人提供運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在執(zhí)行高難度動(dòng)作時(shí)，IMU 芯片能夠精確感知機(jī)器人的身體姿態(tài)變化，幫助主控芯片及時(shí)調(diào)整關(guān)節(jié)扭矩和運(yùn)動(dòng)軌跡，以保持平衡。

人形機(jī)器人用 IMU 芯片分析

在保持平衡性方面，IMU 芯片是一個(gè)傳感樞紐，通過結(jié)合其他傳感器（如視覺、激光雷達(dá)）實(shí)現(xiàn)姿態(tài)推算，在人形機(jī)器人姿態(tài)保持中起核心作用。IMU 的核心組成包括陀螺儀、加速度計(jì)和算法。陀螺儀測量三軸角速度，用于追蹤機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作；加速度計(jì)測量三軸線加速度，可分析騰空階段的瞬時(shí)爆發(fā)力與落地沖擊力；最后通過算法整合多傳感器數(shù)據(jù)，減少單一傳感器的誤差，提升姿態(tài)感知精度。

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋與動(dòng)態(tài)調(diào)整，人形機(jī)器人所使用的 IMU 芯片需要具備一定技術(shù)門檻。具體來說，IMU 的采樣率需大于 1kHz，芯片延遲需小于 5ms，角速度誤差小于 0.1°/s，加速度誤差小于 0.01g，以確保人形機(jī)器人能夠在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確調(diào)整自身姿態(tài)。

目前，人形機(jī)器人領(lǐng)域常見的 IMU 芯片有 MPU6050、MPU9250，這兩顆芯片均來自 TDK 旗下的 InvenSense 品牌。MPU6050 是一款經(jīng)典的六軸 IMU 芯片，將加速度計(jì)和陀螺儀集成在一個(gè)芯片上，提供了豐富的功能和接口，易于使用和集成。MPU9250 在 MPU6050 的基礎(chǔ)上增加了 3 軸磁力計(jì)，成為九軸 IMU，能夠更精確地測量機(jī)器人的姿態(tài)和方向。

除 TDK 的 IMU 芯片外，國際上還有博世、ADI、ST 和霍尼韋爾等廠商提供可用于人形機(jī)器人的 IMU 芯片。博世 BMI088 是一款常用的六軸 IMU 芯片，集成了 3 軸加速度計(jì)和 3 軸陀螺儀，具有低功耗、高精度的特點(diǎn)，能夠快速、準(zhǔn)確地測量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和姿態(tài)變化，在人形機(jī)器人的姿態(tài)控制和平衡維持方面表現(xiàn)出色。

ADI 公司的 ADXL345 是一款 3 軸加速度計(jì)，具有高分辨率、低功耗和多種測量模式，可用于人形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)檢測和姿態(tài)判斷。ADIS16448 是一款高性能的六軸 IMU，具有高精度、高帶寬和低噪聲等特點(diǎn)，適用于對姿態(tài)控制要求較高的人形機(jī)器人。

ST 公司的 LSM6DS3 是一款六軸 IMU，具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于人形機(jī)器人的姿態(tài)感知和運(yùn)動(dòng)控制。LSM9DS1 則是一款九軸 IMU 芯片，集成了 3 軸加速度計(jì)、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力計(jì)，能夠提供更全面的姿態(tài)信息，幫助機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的導(dǎo)航和定位。

霍尼韋爾公司的 HG2550 是一款微型化的六軸 IMU，采用了先進(jìn)的 MEMS 技術(shù)，具有出色的穩(wěn)定性和可靠性，可在惡劣環(huán)境下工作，為人形機(jī)器人提供準(zhǔn)確的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

國內(nèi)廠商在 IMU 領(lǐng)域也取得了一定進(jìn)展，芯動(dòng)聯(lián)科、敏芯股份、明皜傳感（蘇州固锝）、矽?？萍己腿A依科技等公司都推出了用于機(jī)器人姿態(tài)控制的 IMU 產(chǎn)品。比如，芯動(dòng)聯(lián)科公司的 MEMS 慣性傳感器芯片達(dá)到導(dǎo)航級(jí)精度，主要技術(shù)指標(biāo)與國際主流廠商處于同一梯隊(duì)，其研發(fā)的六軸芯片可應(yīng)用于機(jī)器人的導(dǎo)航定位及姿態(tài)控制；矽?？萍继峁┝S / 九軸工業(yè)級(jí) IMU 芯片，支持高精度姿態(tài)感知與動(dòng)態(tài)平衡控制，應(yīng)用于宇樹、優(yōu)必選等國產(chǎn)人形機(jī)器人；華依科技推出的針對機(jī)器人應(yīng)用的 IMU 型號(hào)已實(shí)現(xiàn)交付，在人形機(jī)器人的姿態(tài)監(jiān)測和平衡控制方面發(fā)揮著重要作用。