人形機器人又稱仿生機器人，是一種模仿人類外形的機器人，除具備人形和模擬人類動作外還兼具智慧化和可交互性等特點。人形機器人的核心技術模塊包括環境感知模塊、運動控制模塊和人機交互模塊。

▲人形機器人核心模塊相比專門為單一任務設計的機器人，人形機器人可以在不同場景之間快速切換，具有高度的通用性和靈活性，能夠執行多種不同類型的任務，具有更廣闊的商業應用前景。此外，相較于其他形態的機器人，人形機器人能夠更好地適應按照人類的身體特征和操作習慣來設計的各類基礎設施，無需對現有的環境和設施進行大規模改造。

目前人形機器人正處于商業化爆發期前夜，普遍認為到2030年市場規模可達數百億美元。Markets and Markets預計全球人形機器人市場規模將由2023年的18億美元提升至2028年的138億美元，年復合增速約50.2%。據高盛預測，樂觀情況下2035年市場規模可能達到1540億美元，相當于2021年電動汽車市場規模或手機市場規模的1/3。2024年4月首屆中國人形機器人產業大會上發布的《人形機器人產業研究報告》預測，2024年中國人形機器人市場規模將達約27.6億元，2026年達到104.71億元，2029年達到750億元，將占世界總量的32.7%，比例居世界第一，到2035年有望達到3000億元規模。

1靈巧手：人形機器人交互核心部件

人類靈巧的手是生活中必不可缺的部分，不但能夠以不同的姿態抓取各式各樣的物體，而且能夠通過精確的操作實現特定的、復雜的任務。同樣，機器人靈巧手也是機器人設計與操作的重要組成部分，是實現機器人局部精細操作的重要途徑。

靈巧手是人形機器人重要的末端執行器。未端執行器直接安裝在機器人手腕上，用于夾持工件、或讓工具按照規定的程序完成的工作的機構。相較于普通工業機械手(自由度少、結構簡單、易于控制)，類人化設計的靈巧手對控制精度、靈活性要求極高。靈巧手是模擬人類手部功能的高自由度機械裝置，具備抓取、操作、感知等能力，是人形機器人實現精細交互的核心執行器。

▲靈巧手部分抓取場景（來源：EPIC）

靈巧手的性能和成本受其三大核心組件---驅動系統、傳動系統和傳感裝置的共同影響。驅動系統(各類電機)提供動力來源，驅動手指關節運動；傳動系統(齒輪、連桿、腱繩等)將驅動系統的動力高效傳遞到手指關節，并調節輸出的力、速度和行程；傳感系統(各類傳感器)實時監測手指狀態(位置、力、觸覺等)，反饋給控制系統以實現閉環調節。

▲靈巧手手指結構示意圖（來源：因時機器人）

根據驅動系統可分為液壓驅動、電機驅動、氣壓驅動、形狀記憶合金驅動四類。電機驅動是目前多指靈巧手的主要驅動方式。電機驅動具有驅動力大，控制精度高、響應快、模塊化設計、易于更換維護等優點。特斯拉optimus、優必選人形機器人靈巧手等都選擇了電機驅動方式。

靈巧手目前主要應用在航空航天、醫療、智能制造等領域。如執行航天飛行器的艙外任務、仿生假肢和遠程手術、拼裝流水線上小尺寸零件等。隨著近年來人形機器人技術的突飛猛進，人形機器人用靈巧手有望成為靈巧手未來的主流應用領域。根據Statista預測，全球機器人靈巧手2021年市場規模約為11.6億美元。隨著工業自動化、航空航天、醫療保健等行業對靈巧手需求的不斷增加與技術進步對靈巧手的降本效應，靈巧手市場規模有望不斷增加。根據Statista的預測數據，全球機器人靈巧手市場規模將由2021年的11.6億美元增長至2030年的30.35 億美元，2022-2030年間CAGR為10.9%。同時，全球機器人靈巧手市場容量將由2021年的50.75萬只增長到2030年的141.21 萬只，2022-2030 年間CAGR為11.7%。

2靈巧手的主要通信類型

機器人靈巧手是多自由度、多傳感器，且需要快速、實時通訊的機器人控制系統，具有穩定、可靠、高速與實時通訊的機器人靈巧手是保證其實現在線操作的關鍵因素。目前全球典型的靈巧手常用的兩類通訊方式，一類是基于國際通用通訊協議開發的靈巧手，比如串口通訊、USB接口通訊、CAN總線通訊、Ethernet通訊和 EtherCAT通訊等；另一類則是由用戶自定義通訊協議的靈巧手，比如PPSeCo等。靈巧手的通訊設計主要考慮如下4個問題：通訊的速度、通訊的距離、通訊的節點數、能否易于實現復雜的靈巧手控制算法。通訊速度即是靈巧手實際需要的通訊傳輸速度，通訊的距離般指主控端到靈巧手的連線距離，節點數是指一個主控端可以控制靈巧手的個數。而對于第4點源于靈巧手不僅要保證高速、穩定、可靠的通訊，而且由于靈巧手控制算法的復雜性，更應當基于通訊協議設計出便于實現復雜控制算法的控制平臺，從而將靈巧手的控制器算法應用到具體的操作中。

▲靈巧手通訊總線比較從對比表可以看出，EtherCAT 總線是目前最適合人形機器人靈巧手的實時以太網通訊總線，基于EtherCAT的靈巧手可以達到設計的期望性能指標。

3基于 EtherCAT 設計的靈巧手系統

典型EtherCAT實時通訊的靈巧手手掌板電路主要包括微處理器、EtherCAT 從站通信模塊、手指通訊電路模塊、處理器擴展內存模塊以及電源轉換模塊等。微處理器電路模塊是靈巧手手掌板總的處理器單元；EtherCAT從站通信電路模塊用于實現EtherCAT協議必須的硬件電路模塊；手指電路模塊是靈巧手手指通訊自定義單元；電壓轉換電路模塊將 PCB 輸入的電壓轉換成 3.3V、2.5V或1.2V等電壓，對整板 PCB 供電；擴展內存SRAM，針對 EtherCAT 協議對大內存的需求，進行微處理器內存擴展。

▲基于EtherCAT 的人形機器人靈巧手系統整體結構

4靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統

靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統主要包括微處理器、外部存儲器、Flash、手指控制器和EtherCAT從站通信模塊組成。1）微處理器是靈巧手EtherCAT 從站設計的核心，也是從站設計的難點。處理器的作用是對EtherCAT從站芯片控制和通訊,處理手指發來的信息，尤其需要實時地進行 EtherCAT 協議層的處理。

2）外部存儲器，由于 EtherCAT 協議層需要占用大量的內存，僅憑借控制器片內部的RAM，會造成內存空間不足的狀態，因此需要外部擴展存儲器。

3）Flash用來存儲控制器的配置信息，保證掉電后不會丟失程序，上電時程序可以自動加載到 微處理器中。

4）手指控制器（電機驅動模塊）能夠使靈巧手手指得到實時控制，并實時接收手指的反饋信息。

▲基于 EtherCAT 的靈巧手從站系統結構EtherCAT從站通信模塊包括EtherCAT從站控制器芯片（ESC）、時鐘單元、EEPROM以及以太網芯片和變壓器等輔助電路單元，其中ESC是從站設計的核心。

1）ESC從站芯片負責與處理器通訊，實時的讀取用戶層和由EtherCAT主站傳輸來的數據。

2）時鐘單元，對從站芯片和處理器提供工作必備的時鐘。

3）EEPROM存儲靈巧手從站的通訊配置信息。由于ESC從站芯片需要對工作方式配置，比如 PDI的工作方式配置、通訊的地址配置，以及傳輸時用到的數據結構配置等，這些靈巧手實際應用需要的具體的EtherCAT從站通訊方式，都是憑借配置XML文件來實現，而對應的靈巧手EtherCAT 工作方式的描述文件，將會在 EEPROM 中保存。

4）以太網芯片PHY保證從站工作需要的以太網物理層的接口需求。

5）變壓器保證以太網芯片滿足 IEEE802.3和 ANSIX3.263 標準的需求。

5碼靈半導體靈巧手 EtherCAT系統解決方案

碼靈半導體推出的CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片可應用于靈巧手手掌板 EtherCAT 從站系統，用于實現實時性好、通訊速度快，同時又能夠易于復雜算法實現的控制平臺。CF110x系列最多可以提供3個數據收發端口，支持 100 Mbit/s的全雙工通信，使從站能夠靈活的實現各種拓撲結構。內置8個FMMU單元，具有FMMU邏輯地址映射功能；內置8個SM通道，方便對芯片內存區域組織管理；支持 4KB寄存器空間、8KB過程數據存儲空間；支持64位分布時鐘，為微處理器提供高精度的中斷信號。CF110x系列支持眾多的PDI引腳，可以在沒有應用層微處理器的情況下直接驅動32路數字IO信號，也可以使用外部微處理器訪問，構建復雜的EtherCAT從站。由于靈巧手位于整個系統的末端，因此保留一路 PHY 即可滿足設計需求。采用碼靈半導體CF1106系列芯片作為 ESC，只需在外部添加一個變壓器即可實現通訊功能。

▲碼靈半導體CF110x系列芯片結構框圖

▲碼靈半導體CF110x系列芯片實物圖

CF110x系列在靈巧手 EtherCAT系統中的應用優勢特點：產品獲得德國倍福公司（Beckhoff）官方正式授權，已通過ETG官方的一致性測試認證，符合EtherCAT通信協議標準；內置8個現場總線內存管理單元（FMMU）、8個同步管理器（SM），產品支持三種數據接口（PDI）-數字I/O，SPI和8/16 位uC接口；內置64位分布式時鐘（DC），可實現EtherCAT從站的高精度同步（<< 1μs）；可選擇性集成32位ARM Cortex-M3內核微控制器（MCU）或2個電流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干擾能力強、信號完整性高和穩定性好的優點；多種封裝形式可選，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封裝。EtherCAT 作為一種國際通用的工業以太網實時通訊協議，因此基于 EtherCAT 通訊技術設計的人形機器人靈巧手，可以與世界上不同機構基于EtherCAT設計的產品相結合，從而得到進一步的推廣和應用。

碼靈半導體針對CF110x系列實現的靈巧手 EtherCAT系統應用提供靈活便捷、簡單易用的豐富軟硬件開發工具，以及資深團隊的技術支持，方便工程師開發及進行移植測試等，助力客戶項目快速實現升級迭代。碼靈半導體CF110x系列EtherCAT從站控制器芯片工作溫度范圍為-40℃~85℃，并提供多種封裝，目前已投入量產供貨并開放送樣。