人形机器人千亿蓝海可待，背后是草台班子搭不出的优质供应链

用”科幻走进现实”来形容当下的人形机器人的发展再合适不过。

对比走一步都需要45秒，造价动辄上百万的机器人历史，如今，优必选的Walker S已经开始进厂实训，宇树科技的Unitree G1拟人态更是再进一步，且只需9.9万即可抱回家。科幻电影中人机共处的那一幕似乎已经近在眼前了。

作为具身智能的终极形态，人形机器人一直被业内认为是继智能手机和互联网之后下一个时代的风口，成长为一个千亿美元级别的蓝海市场指日可待。根据今年4月首届中国人形机器人产业大会发布《人形机器人产业研究报告》中就有预测，2024年，中国人形机器人市场规模约27.6亿元；2026年达104.71亿元；到2029年，将达750亿元，占世界总量的32.7％；而到2035年，市场规模更有望达3000亿元。高盛预测则更为乐观，认为2035年全球人形机器人市场规模有望达到1540亿美元。

图源丨中商产业研究院

市场景气高涨带动着产业链同样热闹非凡。如今人形机器人行业已经来到了从概念验证到应用落地的技术拐点，正在从粗放式向精细化、高质量转变的产业链更是拒绝“草台班子”，以即将开幕的2024年慕尼黑上海电子展为例，展商中产业链上游的国际Top级大厂携先进技术与全球市场资源齐聚回归，浓厚的压迫感不难想到行业优胜劣汰的竞争程度。与此同时，经过一轮又一轮国际市场竞争洗礼的中国芯片产业同样求生欲满满，在政府政策支持和市场需求驱动下，尽力追平与国际一流水平的差距。

01 共赴具身智能“蝶变”，多维度感知的精细化实现

多维度感知是实现智能化的基础，这一过程依赖于大量高质量数据的支持。数据的质量和准确性直接影响到系统的决策能力和执行效果。传感器作为数据搜集的核心窗口，不仅负责捕捉环境中的各种信息，还需要确保所收集数据的精确性和可靠性。通过多种类型的传感器，如摄像头、雷达、惯性传感器、气体传感器和位置传感器，智能系统能够全面感知周围环境，从而做出更为准确和有效的判断与决策。这些传感器的协同工作，使得智能系统能够在复杂多变的环境中保持高效运作，真正实现智能化的目标。

例如深度感知功能，能够使机器人能够实时获取周围环境的三维信息，精准判断物体的位置、大小及距离，这对于导航与避障、物体识别、精细操作、甚至是与人类的自然交互都至关重要。例如，在复杂的室内环境中，深度感知能让机器人有效避免碰撞，安全高效地规划路径；在执行抓取任务时，确保机器人能够精确掌握物品的位置和距离，完成精细操作。

TI旗下的一款ToF传感器OPT8241就特别针对3D成像和深度感知应用设计，这款传感器利用飞行时间（ToF）原理，通过发射光脉冲并测量其往返时间来计算与物体间的距离实现精确测距。OPT8241不仅具有高分辨率和快速响应特性，还具备出色的抗环境光干扰能力，即便在光线变化剧烈的场景中也能稳定工作，保障了机器人的稳定性和可靠性。

该器件将 ToF 感应功能与经优化设计的模数转换器和通用可编程定时发生器相结合，以高达150帧/秒的帧速率（600 读出/秒）提供四分之一的视频图形阵列 (QVGA 320 x 240) 分辨率数据。同时，内置 TG 控制复位、调制、读出和数字化序列， TG 具备可编程性，可灵活优化各项深度感应性能指标（例如功率、运动稳健性、信噪比和环境消除），为打造更智能、更安全、更高效的人形机器人提供了强有力的支持。

另一边，要想实现精确的姿态检测、运动控制和稳定性维护，那么惯性传感器扮演着至关重要的角色。它们能够测量物体的角速度和线加速度，使机器人能够实时了解自己的运动状态，从而实现精准的自我定位和动态平衡控制。在这一技术领域，ADI作为国际知名的的传感器芯片设计与解决方案提供商，其惯性传感器产品为机器人技术的进步贡献了重要力量。

例如ADI旗下的ADIS16550，该器件是一个完整的惯性系统，包括一个三轴陀螺仪和一个三轴加速计。ADIS16550 中的每个惯性传感器均结合了行业先进的 MEMS 技术和可优化动态性能的信号调理功能。工厂校准的特征在于每个传感器的灵敏度、偏置和对准。因此，每个传感器都有其自己的动态补偿公式，用以提供准确的传感器测量。并且ADIS16550 提供了一种简单、经济高效的方法，用于将精确的多轴惯性测量技术集成到工业系统中，尤其是在与离散设计所涉及的复杂性和投资进行比较时。所有必要的运动检测和校准均已在工厂生产过程中完成，大大缩短了系统集成时间。在导航系统中，紧密的正交对准简化了惯性坐标系对准。

此外，还有极为重要的嗅觉、触觉等交互能力方面，国内知名的纳芯微电子能够提供一系列高性能的压力传感器产品，帮助检测机器人在与环境或物体接触时所施加的力，从而帮助机器人进行精细的操作和交互，确保机器人在抓取、搬运和行走时的稳定性和安全性。森尔（成都）气体传感器有限公司在气体传感技术领域深耕多年，旗下的Sunrise系列具有较高的检测精度，为±30ppm ±3%读数，特别适用于对精度需求高的高精尖行业应用。以及威世、Elmos旗下的高性能视觉与光学传感器。通过集成此类传感器的融合，人形机器人可以实现多模态的感知和交互能力，增强其在复杂任务中的执行能力和智能化水平。这些传感器的协同工作，使机器人能够更好地理解和适应周围环境，提供更自然和高效的服务和交互体验。

02 核心控制层的必争之地，MCU还能怎么“卷”？

相比于传统机器人大多基于特定的规划执行特定的操作，比如运输、分拣，不具备感知和决策能力。现如今的人形机器人在位置、速度、动作顺序等控制方式上也更加复杂、精细和智能化，这对机器人控制器的功能、性能和接口提出了新的挑战，于是高性能和高集成度的MCU则成为了机器人主控制器芯片的主流方案。目前40nm已成为MCU的成熟工艺，未来在更先进工艺下设计的MCU，采用更高性能的内核，其性能将得到大幅度提升，同时将部分核心控制算法进行硬件化加速，内置更高精度的ADC等，在提升机器人控制响应速度和精度的同时，还可降低系统成本。

在该领域，兆易创新推出的GD32H7系列MCU在市场中广受亲睐，其凭借双发射6级流水线架构，以及支持高带宽的AXI和AHB总线接口，可实现更高的处理性能，主频高达600MHz，高主频下的工作性能可达1552 DMIPS，CoreMark®测试取得了2888分的出色表现；同主频下的代码执行效率相比市场同类产品提升约10%，相比Cortex®-M4产品的性能提升超过40%。

同时，GD32H7系列内置了高级DSP硬件加速器和双精度浮点单元（FPU）、硬件三角函数加速器（TMU）和滤波算法加速器（FAC），大幅减轻了内核的负担，并有助于提升处理效率；片上集成了2个14位ADC采样速率高达4MSPS、1个12位ADC采样速率高达5.3MSPS，在电机控制、光伏储能等应用中可提供高精度采样率和快速响应；3个CAN-FD接口和2个以太网控制器也为工业网卡、变频器、伺服器提供了很好的优势；内置了TFT LCD液晶驱动器和图形处理加速器IPA，支持2D图像叠加、旋转、缩放及多种颜色格式转换等功能，可以胜任更高分辨率的GUI，从而满足智能化HMI的定制需求。

优质的国产MCU厂商国民技术也在机器人控制应用领域早有布局，旗下工业增强级MCU具有优异的电机控制算法技术和强大的处理性能、丰富的高速模拟器件与数字通信接口，可助力客户轻松完成产品创新设计，开发出功能更为强大和智能化程度更高的机器人产品。

当前，国民技术32位工业增强级MCU，如N32G45X、N32G43X和N32G030等系列，已经在机械臂、机器骨骼、步进电机、伺服电机等工业应用领域获得批量应用。N32G455、N32G435和N32L4x系列等多款MCU凭借高性能ARM Cortex-M4F内核及高主频优势，高达5Msps的高速12bit ADC等多项行业优秀指标。

此外，还有意法半导体推出的新型STM32U0 MCU系列采用高效的32位Arm Cortex-M0+内核，工作频率高达56 MHz。另一个显著的架构特性是自适应实时存储器加速器（ART加速器），它利用1-KB指令缓存实现了闪存的0等待状态执行。这种计算架构由多达 64 KB 的闪存和 12 KB 的 SRAM 支持。

STM32U0 设计的关键在于其能效，它具有多种省电模式，如停止、待机和关机模式，可显著降低空闲阶段的功耗。例如，该器件在 VBAT 模式下的电流消耗为 130 nA，在关机模式下为 16 nA，在运行模式下为 52 uA/MHz。根据新系列的性能基准测试，意法半导体称其得分达到 134 CoreMark（56 MHz 时为 2.4 CoreMark/MHz）和 1.13 DMIPS/MHz（Drystone 2.1）。

03 丝滑运动控制背后，电机驱动的突破与创新

相信Unitree G1亮相时震惊四座的后空翻以及折叠四肢的丝滑场面让很多观众记忆深刻，要知道在人形机器人技术的快速发展中，实现如人类般丝滑流畅的运动控制是核心挑战之一。这不仅要求高精度的传感器和先进的算法，还需要电机驱动技术的突破与创新。电机驱动器作为连接控制系统与执行机构的桥梁，其性能直接影响到机器人的动作精度、响应速度及能源效率。近年来，得益于电机在各个领域的广泛应用，电机驱动芯片的发展势头十分迅猛，根据2023-2029电机驱动IC全球市场研究报告中显示，2022年全球电机驱动IC市场销售额达到了46.8亿美元，预计2029年将达到66.28亿美元，年复合增长率（CAGR）为5.15%（2023-2029）。同时也吸引着该领域的一众国内外优质供应商，凭借其前沿的电机驱动器产品不断推陈出新，为人形机器人的运动控制带来了革命性的变革。

在电机行业浸淫了数十年之久的Allegro深知一款优秀的电机驱动器的需求，提高效率并集成更多功能，帮助制造商在各种应用中降低整体系统成本、减少组件数量简化物料清单。在细分领域还有特定的要求，比如在汽车电气化应用中要能够降低噪音，在电池供电设备中要减小封装尺寸和提高易用性来满足甚至超过客户需求。例如Allegro旗下的A4988 就是一款完全的微步电动机驱动器，带有内置转换器，易于操作。该产品可在全、半、1/4、1/8 及 1/16 步进模式时操作双极步进电动机，输出驱动性能可达 35 V 及 ±2  A。A4988 包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。

转换器是 A4988易于实施的关键。只要在“步进”输入中输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988 界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。在微步运行时，A4988 内的斩波控制可自动选择电流衰减模式（慢或混合）。在混合衰减模式下，该器件初始设置为在部分固定停机时间内快速衰减，然后在余下的停机时间慢速衰减。混合衰减电流控制方案能减少可听到的电动机噪音、增加步进精确度并减少功耗。

另一边，MPS一直以来凭借高性能电机控制算法、可靠的电机驱动方案和广泛的产品线，在电机驱动和控制芯片市场占据重要地位。前不久，MPS推出的系列产品智能一体化电机驱动模块--MMP7xxxxx系列亮相，其板上不仅集成了带位置传感器的无刷直流电机控制器，三相桥功率级，还集成了MCU和电源管理芯片。MCU能够确保电机根据其电流、位置和工作条件随时做出反应。该系列模块有两种不同的尺寸设计，可分别适用于NEMA 23 标准的 57mm 无刷直流电机和 NEMA 17 标准的 42mm 无刷直流电机。

不仅如此，为了实现更加平滑，更加高效的无刷直流电机矢量控制，MMP7xxxxx上的无刷直流电机控制器MP6570 集成了MPS 的MagAlpha 角度传感器。MagAlpha 的输出角度可用于角度反馈去完成无刷直流电机的闭环控制， 以及完成对三相电流，电压的空间矢量变换。

国产芯片企业同样在持续发力，矽力杰推出的SA521xx系列多通道半桥驱动芯片就已经达到了千万级别的出货量。该系列驱动器可以集成12路半桥，每路半桥都有独立的过流保护，过压保护等芯片防护功能，以及SPI诊断显示。SA521xx系列芯片特别适用于需要同时驱动多个电机的机器人域控制器应用，通过SPI接口实现诊断和控制，提升了系统的可靠性和智能化水平。