電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬） 在機(jī)器人領(lǐng)域，靈巧手被眾多業(yè)者定義為“皇冠上的明珠”。近年來，靈巧手在自由度、驅(qū)動方式及傳感器集成方面取得顯著進(jìn)展。MPS模擬產(chǎn)品線總監(jiān)瞿松表示，2024年之前，靈巧手方案基本為6個(gè)自由度，如今大部分方案已達(dá)到15個(gè)自由度以上，最高可至21個(gè)。如何在手掌大小的空間內(nèi)裝入15個(gè)乃至20+個(gè)電機(jī)，對整個(gè)行業(yè)而言都是巨大挑戰(zhàn)。

在MPS人形機(jī)器人解決方案發(fā)布會上，該公司除介紹一系列可用于人形機(jī)器人的IC方案外，還展示了驅(qū)控一體式電機(jī)，尤其重點(diǎn)呈現(xiàn)了面向靈巧手應(yīng)用的空心杯一體式電機(jī)方案。

8～16mm直徑高度集成空心杯一體式電機(jī)

相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2024年全球靈巧手市場規(guī)模約為76萬只/17億美元，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到141萬只/30億美元，年復(fù)合增長率為14.5%。從產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)來看，機(jī)器人靈巧手行業(yè)上游為零部件供應(yīng)環(huán)節(jié)，涵蓋空心杯電機(jī)、減速器、傳感器、控制器、光學(xué)編碼器、絲杠、腱繩等；中游為機(jī)器人靈巧手生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，產(chǎn)品包括電機(jī)驅(qū)動式、氣壓驅(qū)動式、液壓驅(qū)動式、形狀記憶合金驅(qū)動式等多種類型的機(jī)器人多指靈巧手；下游應(yīng)用場景聚焦于機(jī)器人領(lǐng)域，廣泛服務(wù)于航空航天、醫(yī)療、智能制造、家政等行業(yè)。

作為人形機(jī)器人的核心部件，靈巧手的自由度、操作精度及價(jià)值占比正持續(xù)提升。根據(jù)MPS分享的數(shù)據(jù)，若人形機(jī)器人采用12個(gè)自由度的靈巧手，其方案將包含12個(gè)空心杯電機(jī)、12個(gè)行星減速器、12個(gè)6D力矩傳感器及12個(gè)編碼器，該套方案在人形機(jī)器人整體方案中的成本占比約為17.2%。隨著自由度的提升，這一占比將進(jìn)一步攀升，設(shè)計(jì)難度也隨之陡增。

要實(shí)現(xiàn)類似人類手部關(guān)節(jié)的高度靈活性與多功能性，需設(shè)計(jì)復(fù)雜精巧的結(jié)構(gòu)。例如，靈巧手每增加一個(gè)關(guān)節(jié)自由度，就需額外配備驅(qū)動單元、傳動機(jī)構(gòu)及支撐結(jié)構(gòu)，而人類手掌與手指的空間極為狹小，在此背景下，空心杯電機(jī)已成為主流選擇。同時(shí)，多個(gè)驅(qū)動單元同步動作時(shí)，需解決“力矩分配、動作同步性”問題——以抓握球形物體為例，指尖需同步貼合球面，若某一驅(qū)動出現(xiàn)響應(yīng)延遲，易導(dǎo)致物體滑落或局部受力過大。

為破解靈巧手的設(shè)計(jì)難題，MPS在EZmotion端到端方案中，專門研發(fā)了8～16mm直徑的空心杯電機(jī)一體化設(shè)計(jì)方案。其中，MMS1RH系列產(chǎn)品集成了伺服驅(qū)動器、位置編碼器、永磁同步電機(jī)，SPI時(shí)鐘頻率8MHz，不僅能實(shí)現(xiàn)更簡潔、安全的高精度控制，還可顯著減少零部件數(shù)量及裝配成本，提升整體方案的經(jīng)濟(jì)性與性價(jià)比。

MMS1RH系列產(chǎn)品可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，在配套的C語言EasyFOC庫支持下，可運(yùn)行于速度控制或位置控制模式。EasyFOC庫通過SPI接口讀取電機(jī)的角度、電流、電壓反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)客戶設(shè)定的控制模式計(jì)算對應(yīng)指令并發(fā)送至MMS1RH，從而實(shí)現(xiàn)位置或速度閉環(huán)控制；其中，對實(shí)時(shí)性要求較高的FOC電流環(huán)控制部分，直接在MMS1RH內(nèi)部完成。

此外，為進(jìn)一步完善靈巧手驅(qū)動解決方案，MPS還推出了電機(jī)驅(qū)動板MMP1RH。該器件具備FOC控制功能，集成角度傳感器，尺寸超小（直徑9mm、厚度6.5mm），輸入電壓范圍為5V～18V，最大相電流2A，支持最高轉(zhuǎn)速60000rpm，配備RS485接口，具備UVLO（欠壓鎖定）、OCP（過流保護(hù)）功能，可編程開關(guān)頻率高達(dá)80kHz，角度傳感器分辨率為14bit，電流采樣ADC分辨率為10bit。

MPS人形機(jī)器人整體解決方案

上述靈巧手方案是MPS人形機(jī)器人整體方案的重要組成部分。瞿松同時(shí)指出，當(dāng)前靈巧手的應(yīng)用已遠(yuǎn)超人形機(jī)器人范疇，擁有廣闊市場空間。為賦能人形機(jī)器人及靈巧手研發(fā)設(shè)計(jì)，MPS推出了一系列核心元器件方案。

在電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域，MPS針對性推出了面向三相無刷直流電機(jī)的MP(Q)6547A和MP6543兩款產(chǎn)品。其中，MP(Q)6547A具備寬電壓范圍優(yōu)勢，工作電壓覆蓋4V至32V；驅(qū)動能力方面，其內(nèi)部集成3個(gè)半橋驅(qū)動器及6個(gè)低內(nèi)阻MOSFET（高邊MOSFET內(nèi)阻60mΩ，低邊MOSFET內(nèi)阻50mΩ），連續(xù)輸出電流可達(dá)3A，峰值電流達(dá)6A。封裝采用QFN-18（3mm×4mm），配備可潤濕側(cè)翼，在提升散熱性能的同時(shí)有效減小PCB占板面積。

MP6543的工作電壓范圍為3V至12V，內(nèi)部同樣集成3路半橋驅(qū)動器，每路MOSFET內(nèi)阻110mΩ?？刂票憷陨?，該產(chǎn)品支持PWM與ENBL輸入、霍爾信號輸入，內(nèi)置3.3V/100mA LDO調(diào)節(jié)器，支持內(nèi)部充電泵100%占空比工作，具備自動同步整流功能；為便于目標(biāo)電流檢測，還集成了雙向電流檢測放大器。封裝采用QFN-24，大幅節(jié)省PCB空間。

傳感器方案方面，瞿松重點(diǎn)介紹了基于磁阻效應(yīng)的TMR傳感器MA600A。相較于傳統(tǒng)霍爾傳感器，MA600A具備更高帶寬、更高精度及更低非線性誤差（INL），非常適配機(jī)器人應(yīng)用場景。性能參數(shù)上，其工作電壓為3V至3.6V，通信接口支持SPI、ABZ、PWM、UVW及SSI，適配多種通信協(xié)議；支持菊花鏈配置，靈活性更高，且通過AEC-Q100認(rèn)證，安全可靠性優(yōu)異。體積控制上，MA600A采用QFN-16封裝，直徑僅3mm，可輕松裝配于靈巧手各關(guān)鍵位置；同時(shí)支持同軸或離軸安裝，能適配不同機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)差異。

這些性能領(lǐng)先的元器件，共同構(gòu)成了MPS EZmotion端到端方案的核心基礎(chǔ)。瞿松表示：“對于MPS而言，我們致力于確保在機(jī)器人所有關(guān)鍵部件領(lǐng)域，都能提供成熟的解決方案，憑借MPS獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，助力方案商打造高功率密度、高效率、小體積的人形機(jī)器人方案。”