人形机器人智能执行器驱动技术

能执行器已成为人形机器人进化的核心技术，它们集高效、精准、紧凑、柔顺性及本质安全等关键特性于一身。要实现类人运动，执行器不仅须满足上述标准，还需应对严苛的热管理、高精度与快速响应等独特挑战。与工业自动化系统不同，人形机器人运行于高度动态的环境手部灵巧度尤具挑战性，电机驱动器的小型化是实现精细操控的关键。这一切都对智能执行器提出了极高要求。随着驱动与传感技术不断进步，安全电机控制方案已能覆盖广泛的运动和驱动场景，为机器人领域带来新的突及类似技术训练的一切权利。2026年6月IEEE《电力电子杂志》1安全运动依赖同步控制图1a)人形机器人的顶层需求概览，突出显示其大量的执行器、传感器及主要技术规格；b)典型执行器框图与物理布局。仿人体肌肉运动的柔韧性与灵巧性，典型的人形机器人(见图1)集成了大量高性能执行器，同时面临严苛的体积限制、在线执行器中嵌入力传感器。这要求系统具如图2所示，执行器的需求跨度极为宽广，包括各类步演进以覆盖日益丰富的应用场景，而通过ASILB/D或SIL3等认证的元器件，则有助于实现安全运行并显著简化系统速器等减速比从数十到数百不等的机械减速器，来满足尺反馈方案，分别获取关节位置以及检测电机电气角度(即磁场定向)。关节侧位置传感通常要求17-21位分辨率，而电机侧编码器分辨率可相对较低，但因电气基持高速数据采样。典型框图和拓扑结构如图1(b)所示，典型集成执行器如图3(b)所示。并集成GaN功率级的方案(见图3(a)'[3];以及采用PCB绕单侧轴向磁通电机+减速器方案。这两种特定的电机结构GaN技术对于人形机器人至关重要，是实现执行器小型化、更高安全性以及高效系统性能的关键所在。这得益于能够实现更小型化的逆变器设计并实现更高系统效率的GaNHEMT (高电子迁移率晶体管)。GaN在高功率密度、小型化应用中的优势可归结为以下三个关键因素。与罗马大学DIEE合作完成。IEEE《电力电子杂志》2026年6月2026年6月IEEE《电力电子杂志》图2人形机器人执行器需求及其与现有电机规格的交叠关系。阴影区域与蓝色标记对应稳态特性，虚线与绿色标记对应瞬态要求。支持更高的PWM频率。开关频率达到约100kHz时，步提升系统功率密度(如图4所示)。图3全集成GaN电机驱动(各图按比例绘制):a)大电流永磁同步电机(PMSM)轴向磁通直驱方案；b)径向磁通集成电机驱动+摆线减速器；c)搭配减速器的人形机器人执行器概念，融合单转子PMSM轴向磁通电机、PCB绕组、以及基于高密度集成式GaN半桥的环形电子电路、高分辨率电感式传感。IEEE《电力电子杂志》2026年6月驱动驱动自举电路控制逻辑电平转换器电流检测保护电路件数量。通过将完整功能模块从PCB板级实现转移至封装GaN逆变器不仅尺寸紧凑，更显著提升了执行器系统效率的同时，支持更高的PWM频率。更高的开关频率降低了电机的纹波电流，进而减小铁芯损耗与绕组的除GaN技术外，硅基MOSFET同样是48V电池供电人形机器人的重要方案之选。在汽车领域，48V系统已相当成熟，并经过长期应用验证。人形机器人的48V系统有着高度相似的需求，涵盖BLDC电机转矩和电流规格、电池隔离开关以及安全约束等。这些均可通过针对相关应用优化的80 (与汽车驱动类似),MOSFET体二极管的快速开关特性和不同封装形式与散热设计，即可实现轻量化、小型化的高功率密度设计。对于48V配电系统(如电池隔离开关),低导通电阻与高雪崩耐受能力尤为关键，并有助于减少系统所2026年6月IEEE《电力电子杂志》功率功率无引脚封装鸥翼式引脚封装顶部散热型封装所有车规级MOSFET均按照AEC-Q101标准完成认证，覆盖(见图5)。低输出功率可选用尺寸仅3.3×3.3mm²的PG-TSDSON-8小型封装；而高电流的应用则可选用机器人应用中的集成开发，包括电气仿真模人形机器人关节通常结构紧凑且采用密封设计，同时感[7],无需执行归零操作即可直接输出绝对角度信息。双角度原理允许一个通道与电机的电气角度对齐以支持磁场定向控制，另一通道则利用游标/微差原理提供绝对机械角组刻度标记的对齐来确定0°至360°范围控制能力[8]。基于PCB线圈与导电转子(靶标)的电感式传感器可检测，在-20℃至85℃范围内角度误差低于0.1°(4.98σ),同时对电磁干扰(EMI)、温度变化以及工业环境中常见的所有关节统一采用标准化的传感器架构、电气接口与须在紧凑空间内兼顾足够的量程、良好的线容(EMC)效应、铜电阻随温度及器件寿命的变化，以及电机自身噪声，均需纳入设计考量。为实现高采用比率式架构、同步解调、屏蔽措施及可靠的接地设计。双角度电感式传感器可为人形机器人同时提供绝对角图6基于电感式传感的精确位置测量原理IEEE《电力电子杂志》IEEE《电力电子杂志》2026年6月2026年6月IEEE《电力电子杂志》关节直驱图7人形机器人灵巧手架构对比机器人手(见图7)在驱动和控制上虽有进展，但在灵巧性、目前，拥有20个以上自由度的机器人手通常重逾1.5公斤，远超人手约460克的重量；并且其依赖于体积较大的人工肌腱、连杆机构或齿轮传动系统。与生物系统中肌肉、关节级微型化是一个极具前景的解决方案。将电子器件直接集成至每根手指内部，可缩短信号路径、减小机械尺寸，并提升精细操作的性能。通过将驱动、传感与计算功能集成到紧凑的SoC封装中(如MOTIXMCU),工程师能够设计出更贴近人手灵巧度的机器人手。尺寸仅为4×4mm²的小型封装与直驱机构，可在进一步缩小整体尺耗。这些技术进步将机器人手的重量减至700克以下，同时分布式手指级电子架构会增加布线复杂度，因此系统集成必须配合高效通信设计。采用CAN-FD等标准的共线，能让传感器与电机在同一网络中协同工线、降低故障点并缩短装配时间。这些创新量化、更具成本效益且更可靠，逐步逼近人手的灵巧程确保在所有工况下均表现出确定性行为。一款可靠的人形机器人SoC电源管理解决方案(SoCPMS),需要构建完整协调的安全关键型供电架构，并具备稳压大电流电压生成■小电流电压生成■SoC剩余故障监控(Watchdog)■输入电源调理电路·面向多路供电路径的OR-ing电路·输入缓冲与电压瞬态滤波电路·过压与反接保护(通过EiceDRIVER控制器实现理想二极管级保护)·具备过流/短路保护的安全切断开关·电压预稳压模块(采用集成过压保护的OPTIREG■基于OptiMOST7或CoolGaNT器件的大电流多相供电小电流电压稳压器(LCVR/PoL)稳健的滤波设计可提升系统对供电扰动的抗干扰能力并抑制传导发射。OR-ing电路负责管理多路电源输入，确保输入电压的高可用性；防反串保护则防止2/3/4环路功率级AURIXT32位功能以太网桥接器图8英飞凌面向车规级AISoC的高可靠性、模块化电源管理、通信与存储解决方案IEEE《电力电子杂志》2026年6月2026年6月IEEE《电力电子杂志》要开发一套可靠的SoC电源管理解决方案，需将系统级需求(涵盖电气、逻辑、功能安全与网络安全)逐层转化为IC级规格。这一需求驱动的开发流程严格遵循人形机器人关节驱动的电机控制架构存在若干共性基础需通信接口、安全机制与保护策略则因厂商和速迭代。首版功率板样机(见图9)基于三颗CoolGaN”DriveIGJ022H10SA2集成功率级构建，在48V电压、100kHz开关频率下，无需强制冷却即可支持15A以上的电流；配合相电流、开关频率、死区时间及dv/dt下的性能表现。图10(b)为一块同类功率板的热像图，可见其具备良好的热为实现这种灵活性，需将系统划分为三个可独立替换的功能域：功率级、MCU层与高级通信模块。模块化平台允许独立更换各个功能模块，从而支持在不同半导体技术、控制方案或连接标准下进行试验，同时保持机械与电气集成的一致性。所提出的智能执行器平台采用三层板堆叠架构，包括：元。系统还配套提供配套固件与图形用户界面(GUI),便该平台的后续版本将增加Ethernet和EtherCAT通信支持，同时扩展不同功率等级和功率级技术。凭借这种模块化设计，平台可覆盖人形机器人的所有关节——从颈部等低功率关节，到髋部等高功率关节均可适配。直流母线电容直流母线电容或输入电流传感器及第7路安全开关调试接口通信接口辅助电源通信接口图9集成人形机器人执行器全部功能模块的单板方案。额定规格：48V、25A、100kHz。图10a)功率板在不同RMS相电流、死区时间、dV/dt及开关频率下的稳态温度；b)同尺寸、同布局单板方案的热像图。代执行器的发展预计将集中在以下几个方向：(1)实时以扩展的软件定义人形机器人架构；(2)执行器级功能安全设计(含正常运行与降级运行模式),并针对不同关节功能10IEEE《电力电子杂志》2026年6月抗扰能力的器件技术持续演进。未来研究将聚焦英飞凌科技首席主任工程师，专注于GaN基电机驱动的创与控制工程等课程。在其职业生涯中，他曾主与工业界和学术界合作发表了大量会议及期刊论科技人形机器人系统架构师。他拥有离子物理学学学位，在电子与机电一体化领域造诣深厚，半导体推动人形机器人的创新。2022年，他出任SAE负责人兼因斯布鲁克工厂经理，主导机器人与太阳工作。此前，他曾任职于因斯布鲁克应用科学），纳西大学博士学位，2007年获弗吉尼亚理工学院暨州立大学电气工程学士学位。他合著发表了36篇同行评审论文，被引超3500次，并参与6场教程研讨会，拥有3项专利及1本教科书，另为多部著作、应用笔记及特邀报告撰稿。当前致力于下一代GaN功率器件和GaN优化型电力电子设计），家公司，专注于汽车与铁路应用的电力电子研发。自2021程师。作为产品应用工程师，他负责为电压等级高达300V），科技车规级MOSFET产品营销经理，拥有电气工程硕士学于多家汽车一级供应商，在汽车电子及系统领域拥有深厚），感器与电流传感器。近期工作聚焦于人形机器人磁性传感器解决方案。他拥有逾20年半导体行业经验，早期从事计及部门负责人