近年來人形機(jī)器人技術(shù)迎來爆發(fā)式增長，全球科技巨頭和中國本土企業(yè)都在加速升級迭代人形機(jī)器人產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)，推動機(jī)器人在工業(yè)、物流、醫(yī)療、教育和家庭等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

而在人形機(jī)器人系統(tǒng)中，靈巧手被認(rèn)為是極為復(fù)雜、精密和關(guān)鍵的執(zhí)行器，成為人形機(jī)器人技術(shù)演進(jìn)的核心方向之一，它不僅需要具備高自由度的運(yùn)動能力，還要實(shí)現(xiàn)對力和位置的精準(zhǔn)控制，以模擬人手的操作行為。

挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)通信在分布式架構(gòu)中的瓶頸

在采用分布式電氣架構(gòu)的靈巧手設(shè)計(jì)之中，負(fù)責(zé)每個(gè)主動自由度的電機(jī)驅(qū)動，以及分布在每個(gè)手指的觸覺傳感器，需要通過UART或CAN接口與手掌中央主控MCU通信。主控MCU通過CAN、RS485、EtherCAT接口接入機(jī)器人本體系統(tǒng)總線。

這種架構(gòu)存在以下幾處痛點(diǎn)，而這些痛點(diǎn)在一定程度上制約了靈巧手系統(tǒng)的性能提升、架構(gòu)演進(jìn)和輕量化小型化的發(fā)展：

帶寬限制：UART/CAN通信的波特率限制了控制環(huán)路獲得更高的帶寬。

線束復(fù)雜：每個(gè)手指需獨(dú)立布線，導(dǎo)致線束數(shù)量龐大，同時(shí)增加了組裝難度與故障風(fēng)險(xiǎn)。

PCB空間受限：多路通信接口會占用大量PCB面積，限制系統(tǒng)集成度。

擴(kuò)展性差：增加自由度或傳感器數(shù)量時(shí)，現(xiàn)有通信架構(gòu)難以靈活擴(kuò)展。

異步通信問題：UART/CAN為異步通信，MCU需外部晶振提供高精度時(shí)鐘源，增加了硬件復(fù)雜度。

解決方案：基于I3C總線的分布式通信架構(gòu)

恩智浦半導(dǎo)體中國應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)提出了基于I3C的靈巧手內(nèi)部局部總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，革新了靈巧手內(nèi)部通信方式。

該架構(gòu)采用i.MX RT1180作為機(jī)器人手掌主控MCU，采用MCX A132作為手指關(guān)節(jié)控制MCU，通過I3C總線連接多個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)與觸覺傳感器，對外則通過EtherCAT、CAN、RS485連接到機(jī)器人系統(tǒng)總線。

圖1：基于I3C的靈巧手方案核心通信路徑與模塊分布框圖

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I3C總線：為分布式通信架構(gòu)帶來諸多優(yōu)勢

01高速通信能力

I3C總線標(biāo)準(zhǔn)速率高達(dá)12.5Mbps，優(yōu)于UART和CAN2.0，且在特定條件下支持DDR模式，理論能夠高達(dá)25Mbps，滿足高分辨率傳感器和實(shí)時(shí)控制的高帶寬需求。

02簡化布線與硬件設(shè)計(jì)

I3C主機(jī)僅需兩根線（SDA + SCL）即可掛接多個(gè)總線從設(shè)備，減少線束數(shù)量，提升靈巧手模塊化裝配效率；而且無需外部收發(fā)器和高精度晶振，可節(jié)省BOM成本與PCB空間。

03動態(tài)設(shè)備管理能力

I3C支持動態(tài)地址分配，設(shè)備在啟動時(shí)自動識別并獲取動態(tài)地址，避免靜態(tài)地址沖突。同時(shí)，I3C支持熱插拔（Hot-Join），單個(gè)手指模組可實(shí)現(xiàn)在通電狀態(tài)下靈活替換。

04實(shí)時(shí)事件響應(yīng)機(jī)制

I3C支持帶內(nèi)中斷（In-Band Interrupt），設(shè)備可通過SDA線直接向主機(jī)發(fā)送緊急事件或故障信號，無需額外GPIO中斷線，由此進(jìn)一步簡化線束并提升主機(jī)響應(yīng)速度。

05可靠的信號完整性

在高速驅(qū)動模式下，I3C采用Push-Pull推挽驅(qū)動模式，相比傳統(tǒng)的I2C開漏方式可以極大地提升性能，顯著提高信號完整性，有利于支持更長的傳輸距離并增強(qiáng)接插件連接的可靠性。

值得一提的是，在這款人形機(jī)器人靈巧手方案中，恩智浦的多款MCU產(chǎn)品與I3C分布式總線架構(gòu)無縫融合，相得益彰。

i.MX RT1180作為手掌中央主控MCU，其主要的特性包括：

雙核架構(gòu)（240MHz M33內(nèi)核 + 800MHz M7內(nèi)核），提供高性能處理能力；

集成2個(gè)I3C接口，可連接多個(gè)伺服節(jié)點(diǎn)與傳感器；

支持EtherCAT、CAN-FD、UART等多種工業(yè)通信協(xié)議接口；

豐富的PWM、ADC、編碼器接口，單芯片可以直驅(qū)多達(dá)8個(gè)無刷空心杯電機(jī)。

圖2：i.MX RT1180結(jié)構(gòu)框圖

基于恩智浦MCX A132方案的機(jī)器人手指關(guān)節(jié)伺服節(jié)點(diǎn)和觸覺傳感器設(shè)計(jì)，其主要特性包括：

小尺寸封裝，適合手指模塊嵌入；

集成1個(gè)I3C接口，與主控實(shí)現(xiàn)高速通信；

內(nèi)置16-bit ADC，用于觸覺傳感器模擬信號的高質(zhì)量采集；

支持IEC 61508 SIL2功能安全自測庫，滿足未來人形機(jī)器人對功能安全的要求。

圖3：MCX A132結(jié)構(gòu)框圖

本視頻演示了恩智浦基于I3C的靈巧手解決方案，展現(xiàn)其精準(zhǔn)控制無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜動作協(xié)調(diào)的能力。

本文小結(jié)

恩智浦團(tuán)隊(duì)希望通過創(chuàng)新性的I3C總線拓?fù)湓O(shè)計(jì)，推動靈巧手系統(tǒng)向更高集成度、更強(qiáng)性能、更廣應(yīng)用場景演進(jìn)。同時(shí)恩智浦i.MX RT1180與MCX A132產(chǎn)品組合也為這一架構(gòu)提供了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)，助力人形機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)新突破。

隨著人形機(jī)器人在服務(wù)、醫(yī)療等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，恩智浦的I3C架構(gòu)將為靈巧手提供更強(qiáng)大的通信支持與系統(tǒng)集成能力。

本文作者

紀(jì)成（Calvin Ji），恩智浦中國產(chǎn)品線工業(yè)MCU現(xiàn)場應(yīng)用工程師，畢業(yè)于山東大學(xué)，獲自動化學(xué)士學(xué)位，控制理論與控制工程碩士學(xué)位，于2013年加入恩智浦半導(dǎo)體公司工作至今，專注于IIOT微控制器產(chǎn)品應(yīng)用方案開發(fā)與客戶技術(shù)支持。