汽车跳槽机器人行业是降维打击,机器人硬件系统分析(上)
- 2026-03-12 12:20:47
目前机器人产品包括特斯拉，99%都是非工业化量产产品，“大部分还是‘手搓’”，“零部件也尚未达到车规或工业级要求”，“机器人产业要实现成本优化和规模化普及，可能需要大型企业，例如具备成熟工业化体系的车企，来推高机器人零部件及整体的量产能力。”
汽车行业demo级的产品就可以秒杀机器人行业量产级的产品，比如拆开机器人的运算系统，除了英特尔工控机的PCB板，其他芯片的PCB板都能看到飞线，使用普通家用网线接口，还有黑胶带缠绕，连消费级标准都达不到，离工业级差得很远，离汽车级差的更远，几乎不考虑安全，更不考虑Fullback系统，这是因为目前的机器人主要是按照设置好的程序或用遥控器表演，而非实际应用。
机器人的运算硬件系统可以分为三部分：一部分是大脑，即系统2，主要是英伟达的Orin系列，由于VLM/VLA基本已是机器人领域默认标准，而VLM/VLA参数主流是40-70亿，过于消耗资源（不是算力资源，是存储带宽资源），系统响应频率仅5-10Hz。因此分离出一个快速响应的动作专家即系统1，参数一般是13亿，系统响应频率可以达20Hz，还有一个部分是系统0，主要是英特尔芯片组以及通讯系统和电机驱动。系统0对CPU算力要求较高，完全不需要AI算力。
汽车行业对英伟达Orin非常熟稔，对英特尔芯片组比较陌生，不过这无所谓，机器人行业一般是直接用现成的英特尔工控板、NUC或mini PC，只需要考虑接口即可，完全不用考虑内部运行。通讯系统，自由度超过30的人形机器人一般都选择EtherCAT，且有引入TSN的趋势，和汽车领域的车载以太网重合度很高，不过机器人的节点数和带宽远低于车载领域，难度低了不少。电机驱动是新能源汽车工程师的专长，特别是目前高端的机器人和汽车领域一样也是采用FOC磁场定向控制即矢量控制，可以对无刷电机像素级控制。而传统电机控制领域还是老旧的方波控制，汽车硬件人跳槽到机器人行业，妥妥的降维打击。
目前机器人前五强，优必选、宇树、越疆、云深处和智元的高端产品100%采用英特尔的芯片组做小脑，英特尔在传统工业机器人的运动控制、高精度浮点计算和逆运动学求解等场景中，凭借高可靠性的工业控制板和丰富的视觉库，占据了绝对霸主位置，机器人的实时性和控制精度基本上由英特尔决定。国内机器人厂家，强项在大模型、AI相关领域，底层运控并非强项。做上层任务时，如何处理、分配、调度底层CPU核、内存、I/O等资源，在虚拟化隔离、内核绑定、操作系统穿透等方面，确保达成实时性目标，都由英特尔的CPU完成。
此外，机器人行业的双目立体视觉绝对霸主即RealSense，曾经是英特尔的子公司，后来独立，机器人行业几乎标配立体双目相机，通常只有两个选择，一个是Realsense的D435，另一个是RealSense的D455，二者差别主要是有效距离，即使配备激光雷达，RealSense的立体双目相机也大量使用，相机的像素毕竟比激光雷达的点云密度高得多。英特尔的工控机对RealSense的支持度也是最好的。
目前的机器人市场分成两大类，一类是包含具体应用的完整版，出厂后无需二次开发，另一类是只有基础应用，出厂后客户可以二次开发，后者目前是主流，因为目前机器人主要做科研和表演。因此需要两套英特尔CPU系统，一套是做基础应用的，一套是为客户二次开发用的。
主流机器人计算系统
表来源：网络
英特尔最新Panther Lake-H工控机连接图
图片来源：英特尔
英特尔最新的Panther Lake-H总算力为稠密8位180TOPS，也就是稀疏360TOPS，远超英伟达Jetson Orin，完全可以不用外置独立GPU或加速器。CPU算力也是远超英伟达Jetson Orin。高通的IQ10系列稀疏算力达700TOPS，CPU算力比Panther Lake-H还高，也很适合做顶级人形机器人。
智元灵犀X1的电路架构
图片来源：智元机器人
灵犀X1全身执行器包含29个关节（R86-2*9、R86-3*6、R52*10、L28*4）和2个夹爪，支持扩展头部3自由度。执行器全部采用CAN-FD通讯。主控为X86 MiniPC，主控不具备CAN-FD接口，通过两个DCU模块扩展6路CAN-FD接口完成整机控制。
图片来源：智元机器人
这里面有两个DCU，即域控制器也有叫分布式控制单元，与汽车行业的域控制器很像，这个域控制器主要是连接英特尔的迷你PC和身体各关节的电机，每个DCU输出三路CAN-FD，如果要求实时性很高，那要升级为EtherCAT。
图片来源：智元机器人
DCU其实主要功能就是EtherCAT转3路CANFD。X86 MiniPC通过EtherCAT主站协议，封装CAN-FD数据帧成PDO进行传输，发送给DCU模块，DCU解析后拆分出三路CAN-FD的报文数据再转发给执行器。CAN-FD 通讯参数，仲裁域波特率 1M，采样点80%，数据域波特率5M，采样点75%。数据转发频率1KHz，可推测关键电机的控制频率为1KHz，电机采用CAN-FD 64字节打包控制协议，其中有广播模式，指的是用CAN-FD 64字节的长帧，包含8个电机的控制命令，一帧发出去同时控制8个电机。8个电机可同时收到控制命令，提升同步性CAN-FD只有数据域是采用5M高波特率，但是ID(仲裁段)还是用的1M，尽可能的利用CAN-FD的64字节长数据帧，可以减少仲裁段在通讯中的占比，最大化提升总线带宽利用,发挥CAN-FD加速的优势。当前已经有更好的CAN-FD多路扩展方案，有的6路CAN-FD扩展板，体积甚至可以做到4*5cm大小，远比灵犀X1的DCU小的多。
自己做一个DCU也不难，因为国产厂家先楫半导体的HPM5E00系列MCU非常适合DCU，HPM5E00 搭载德国倍福（Beckhoff）正式授权的EtherCAT IP，能够直接连接phy，不依赖市面上专有的从站芯片，且价格非常低廉。
可以实现4路CAN-FD。
HPM5E00系列MCU简介
图片来源：先楫半导体
迷你PC连接立体双目相机RealSense D435和以太网以及IMU，迷你PC通过协议转换网关，将标准以太网转换为EtherCAT，配置为主节点或从节点。域控制器连接IMU，同时负责EtherCAT传输，域控制器输出三路CAN-FD，其中两路是手臂，初级是5个PowerFlow，然后次级是手腕的两个PowerFlow，还有一路初级是机器人腰部的两个PowerFlow，然后延伸到头部模块，再用串行总线连接三个高压舵机（型号LX-224HV）和一个麦克风阵列，UART接口，舵机应用在机器人颈部，用来控制机器人头部运转，三个舵机配合，实现头部左右摆动和俯仰的功能，串行总线舵机是通过串口指令的方式进行控制的，即控制板与舵机之间是使用数据的方式进行通信，通过指令包的发送和接收获取舵机当前的状态信息。另一路以太网近似，连接左右腿12个PowerFlow，还有一个腰部的PowerFlow。
PowerFlow是智元机器人自己开发的执行器模块，执行器包括三款，分别为 PowerFlow R86-3，PowerFlow R86-2，PowerFlow R52。它们通过高度集成一体化的设计，将减速器、电机、电机驱动器进行整合优化，各模块结构紧凑，便于安装拆卸。其中PowerFlow R86-3和R86-2 电机都采用了经典分数槽配合，选取最优的极槽配合，有效降低了齿槽转矩幅值和转矩波动，在绕组上，采用了集中式绕组，提高了槽满率和转矩密度。减速方式采用行星减速器，PowerFlow R86-3采用了三级减速比(48:1)，而PowerFlow R86-2则采用了二级减速比(16:1)。PowerFlow R52减速方式也为行星减速器，采用了二级减速比(36:1)。R系列三款执行器都具有很高的承载能力和寿命；同时自研了高集成的驱动方案，双编码器反馈实现闭环控制，使其具备速度环、力矩环、位置环、MIT混合控制；不仅如此，还具备过流、过压欠压、超速、过温等多重保护机制，保证产品稳定可靠运行。
如果要将英伟达Orin做大脑，非常简单，用迷你PC的PCIe接口连接英伟达Orin即可，就像电脑接了一块显卡，如果要连两个英伟达Orin进一步增加AI算力，可以添加PCIe交换机，要求不高的话，以太网交换机也凑合能用。
下一篇我们详细谈谈人形机器人电机驱动MCU。
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