電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文 / 吳子鵬）日前，宇樹機器人再次公開了旗下人形機器人 G1 的 “功夫 BOT” 動作視頻，展示了其在算法升級后能夠輕松學習并執(zhí)行任意動作的能力。視頻中的機器人熟練地完成了揮拳、回旋踢等高難度武術動作，引發(fā)了廣泛關注。

宇樹機器人回旋踢

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

中美人形機器人高難動作比拼

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

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

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

目前，中美人形機器人的發(fā)展路線已呈現(xiàn)出一定差異。國產(chǎn)人形機器人注重運動控制精度，通過先進算法實現(xiàn)一些編排動作，以推動產(chǎn)品商業(yè)化，如宇樹機器人登上春晚舞臺。而美國則更關注環(huán)境交互實時性，特斯拉人形機器人在這方面取得了顯著成就，目標是使人形機器人更好地融入各種任務場景。

哪些芯片影響人形機器人的高難度動作

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

實際上，人形機器人實現(xiàn)高難度動作離不開四大類關鍵芯片：主控芯片、傳感器芯片、電機驅(qū)動芯片和通信芯片。

主控芯片作為人形機器人的 “大腦”，負責協(xié)調(diào)和控制機器人的整體運行。它對來自各個傳感器的數(shù)據(jù)進行處理和分析，并根據(jù)預設算法和指令生成控制信號，指揮機器人的關節(jié)運動和姿態(tài)調(diào)整，以實現(xiàn)如空翻等復雜動作。在深圳眾擎科技的人形機器人前空翻技術中，主控芯片需快速處理智能控制算法與運動學模型優(yōu)化后的數(shù)據(jù)。目前，主控芯片領域仍以英偉達的 Jetson 系列芯片為主導，該芯片具備強大的計算能力和深度學習性能，可進行大量數(shù)據(jù)處理和復雜算法運算，能快速處理機器人視覺系統(tǒng)的圖像信息，實現(xiàn)目標識別、物體追蹤等功能，支持機器人的人工智能和機器學習算法。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)，可能會選擇其他芯片。

除 Jetson 系列芯片外，可用于人形機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、先楫半導體、寒武紀、地平線等公司推出的相關芯片。

電機驅(qū)動芯片的作用是將主控芯片發(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)換為電機所需的驅(qū)動信號，控制電機的轉(zhuǎn)速、扭矩和轉(zhuǎn)向，從而驅(qū)動機器人的關節(jié)運動。在人形機器人空翻時，電機驅(qū)動芯片需快速、精確地控制電機，使關節(jié)能在短時間內(nèi)輸出足夠扭矩，實現(xiàn)起跳、翻轉(zhuǎn)等動作。人形機器人的電機驅(qū)動系統(tǒng)較為復雜，后續(xù)將單獨進行分析，此處暫不深入探討。

通信芯片負責實現(xiàn)機器人內(nèi)部各模塊之間以及機器人與外部設備之間的通信。在空翻過程中，通信芯片確保主控芯片與傳感器、電機驅(qū)動等芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、快速，使機器人能及時獲取信息并做出相應動作調(diào)整。除主控芯片上集成的各種接口外，人形機器人還需要藍牙、Wi-Fi 等無線通信芯片。

傳感器芯片是本文重點解讀對象。人形機器人在執(zhí)行高難度動作時，多種傳感器發(fā)揮著關鍵作用。

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

此外，慣性測量單元（IMU）芯片在人形機器人中也至關重要。IMU 芯片集成了陀螺儀和加速度計，可實時測量機器人的加速度、角速度和姿態(tài)信息，為機器人提供運動狀態(tài)的基礎數(shù)據(jù)。在執(zhí)行高難度動作時，IMU 芯片能夠精確感知機器人的身體姿態(tài)變化，幫助主控芯片及時調(diào)整關節(jié)扭矩和運動軌跡，以保持平衡。

人形機器人用 IMU 芯片分析

在保持平衡性方面，IMU 芯片是一個傳感樞紐，通過結合其他傳感器（如視覺、激光雷達）實現(xiàn)姿態(tài)推算，在人形機器人姿態(tài)保持中起核心作用。IMU 的核心組成包括陀螺儀、加速度計和算法。陀螺儀測量三軸角速度，用于追蹤機器人的旋轉(zhuǎn)動作；加速度計測量三軸線加速度，可分析騰空階段的瞬時爆發(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。

為實現(xiàn)實時反饋與動態(tài)調(diào)整，人形機器人所使用的 IMU 芯片需要具備一定技術門檻。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，以確保人形機器人能夠在毫秒級的時間內(nèi)準確調(diào)整自身姿態(tài)。

目前，人形機器人領域常見的 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，將加速度計和陀螺儀集成在一個芯片上，提供了豐富的功能和接口，易于使用和集成。MPU9250 在 MPU6050 的基礎上增加了 3 軸磁力計，成為九軸 IMU，能夠更精確地測量機器人的姿態(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 軸加速度計和 3 軸陀螺儀，具有低功耗、高精度的特點，能夠快速、準確地測量機器人的運動狀態(tài)和姿態(tài)變化，在人形機器人的姿態(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，具有高分辨率、低功耗和多種測量模式，可用于人形機器人的運動檢測和姿態(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，適用于對姿態(tài)控制要求較高的人形機器人。

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，可廣泛應用于人形機器人的姿態(tài)感知和運動控制。LSM9DS1 則是一款九軸 IMU 芯片，集成了 3 軸加速度計、3 軸陀螺儀和 3 軸磁力計，能夠提供更全面的姿態(tài)信息，幫助機器人在復雜環(huán)境中實現(xiàn)精準的導航和定位。

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

國內(nèi)廠商在 IMU 領域也取得了一定進展，芯動聯(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器人姿態(tài)控制的 IMU 產(chǎn)品。比如，芯動聯(lián)科公司的 MEMS 慣性傳感器芯片達到導航級精度，主要技術指標與國際主流廠商處于同一梯隊，其研發(fā)的六軸芯片可應用于機器人的導航定位及姿態(tài)控制；矽?？萍继峁┝S / 九軸工業(yè)級 IMU 芯片，支持高精度姿態(tài)感知與動態(tài)平衡控制，應用于宇樹、優(yōu)必選等國產(chǎn)人形機器人；華依科技推出的針對機器人應用的 IMU 型號已實現(xiàn)交付，在人形機器人的姿態(tài)監(jiān)測和平衡控制方面發(fā)揮著重要作用。