芯耀
与非AI
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今天，人形机器人正快速从实验室中的“炫技”走向在实用场景中的“落地”。据工业和信息化部的统计，2025年中国人形机器人产量约为2万台，而2026年将突破10万台。从全球的视野来看，Fortune Business Insights预测，全球人形机器人的市场规模将从2026年的62.4亿美元攀升至2034年的1651.3亿美元，年复合增长率高达50.6%！
其实“机器人”不是一件新鲜事，工业机器人和服务机器人早已走入了我们的生活，但是加上了“人形”这个定语之后，人们则会对其产生更多的期待，也有了更高的要求。这样的“高要求”，直观地体现在三个方面：
环境感知：在多种传感器技术的加持下，人形机器人必须有更强的环境洞察力，还要能够对非结构化的、陌生的环境有极强的自适应能力。
思考决策：人形机器人要有足够的“智力水平”，对环境或用户指令做出正确的响应，完成特定的任务，并能够利用本地或云端的深度学习能力，不断进化和提升。
运动控制：人形机器人不仅要在外形上仿生人类，还要在运动能力上逼近甚至超越人类。从某种意义上来讲，运动能力的好坏是普通用户判断人形机器人是否“像人”的一个更为直观的要素。由此也不难理解这几年为什么大家总是对机器人跑马拉松、练武术等挑战人类技巧和极限的话题津津乐道。
鉴于运动能力对人形机器人的重要性，本文将围绕着“运动控制”这个话题与大家深入探讨，如何从底层的芯片技术入手，筑牢人形机器人运动控制的底座。
运动控制的“芯”挑战
让机器人的一举一动摆脱机械感，像人类一样丝滑地运动，这听起来挺玄妙，但实际上其本质还是工业自动化领域“运动控制”概念的延伸，即通过闭环控制和精确算法，控制机械运动部件的位置、速度和轨迹，实现高精度的机械运动。
只不过传统工业运动控制的对象多是工厂车间中的机器设备，而人形机器人的运动控制则是要通过优化和创新，将相关的技术移植到机器人身上。两者虽然应用场景不同，但底层技术逻辑是相通的。
随着智能制造的发展，当今的先进工业运动控制呈现出三个明显的趋势，也可以说面临着来自三方面的挑战：
要求主控设备完成更高性能的控制和处理，有能力承载复杂控制与数据处理任务，支撑感知、控制与边缘决策等任务。
连接
随着智能制造的发展，工业网络协议的组合变得越发复杂和多样化，工业物联网设备需要支持多协议，弥合时间敏感型通信和实时通信之间的差异，实现无缝工业连接。
安全
工业物联网的部署也带来了新的安全挑战，需要从设备端和系统级全面提供高级安全功能，构筑安全防线，抵御数字攻击等潜在的风险。
上述这些挑战，迫使大家重新审视和思考：我们需要什么样的核心控制芯片，才能满足这些新的设计要求，开发出满足当下及未来工业运动控制所需的解决方案？
重构运动控制“芯”方案
这样的思考推动着新一代运动控制芯片的创新，NXP的i.MX RT1180系列跨界MCU就是这一创新实践的成果，其紧紧围绕上述的设计挑战，从三方面修炼自身的技术实力，为工业运动控制提供了一个理想的“芯”方案。
图1：i.MX RT1180系列跨界MCU（图源：NXP Semiconductors）
在实时控制方面，i.MX RT1180跨界MCU采用800MHz Arm Cortex-M7和Arm Cortex-M33双核架构，内置1.5MB片上SRAM，可以为高性能实时控制提供充足算力。面向伺服驱动、多轴控制及工业机器人等复杂应用场景，其能够支持微秒级控制周期，并可通过软硬件协同优化实现更高精度、更高同步性的控制效果。
在网络通信方面，i.MX RT1180系列集成多端口时间敏感网络 (TSN) 交换机，并广泛支持EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP及OPC UA等主流工业协议，提供了无缝连接所需的多协议处理能力，有助于在不同边缘设备间实现统一、安全的工业物联网通信。i.MX RT1180还可以轻松与其他主机芯片进行通信，无需板载PHY即可实现高达1Gbps的可扩展无缝主/从芯片通信，大大降低工业应用的功耗和成本。
在信息安全方面，i.MX RT1180系列集成了NXP特有的EdgeLock安全区域技术，EdgeLock安全区域可以看作是i.MX RT1180中的“安全总部”，能够为复杂的网络系统提供安全启动、验证调试、生命周期安全管理、高级密钥管理和篡改监控功能，从而满足对信任根的需求，保护设备免受物理和网络攻击。同时，EdgeLock安全区域也为实现IEC 62443系统合规性奠定了器件级基础。
图2：i.MX RT1180跨界MCU框图（图源：NXP Semiconductors）
由此可见，i.MX RT1180系列跨界MCU采用高性能的双核架构，提供了更出色的实时控制功能，同时集成了千兆TSN交换机、支持多种工业实时网络协议，并内置EdgeLock安全区域技术，这些特性正好切中了工业运动控制的“痛点”。
更值得一提的是，上述这三大优势特性，加上i.MX RT1180在高能效、高集成等方面的优化设计，使其天然契合人形机器人高实时性、多节点协同与确定性通信等需求，在这个风口应用中自然也能够找到坚实的落脚点。
赋能人形机器人运动控制
既然从特性上讲，i.MX RT1180系列与人形机器人运动控制的设计需求高度吻合，那么大家更关心的肯定是如何能让其在实际应用场景中落地。
为此，NXP已经基于i.MX RT1180开发出了一系列解决方案。
机器人关节
人形机器全身有20-30个关节，这是i.MX RT1180可以一展伸手的重要场景。关节是影响机器人运动能力的核心部件，机器人完成空翻、武术表演等高难度动作，都有赖于关节的高精度、低延时实时控制，而这也恰好是i.MX RT1180的强项。
支持更高的数据带宽，是人形机器人关节技术演进的一个重要方向。为此，NXP基于i.MX RT1180打造了一个人形机器人关节模块电机驱动器方案。该方案突出的优势就是，支持SPE单端以太网技术，通过双绞线即可提供100M的EtherCAT网络通信，且不需要变压器，可大大简化布线并减小系统尺寸，非常适合人形机器人关节小型化的设计要求。
值得一提的是，该方案还具有极强的可扩展性，只需将方案中的TJA1103以太网100BASE-T1 PHY收发器替换为支持1000BASE-T1的TJA1120，即可将方案升级为支持更高带宽、具有更丰富的流量控制策略的TSN版本，助力开发者的设计迭代。
图3：人形机器人关节模块电机驱动器方案（图源：NXP Semiconductors）
灵巧手
灵巧手是人形机器人运动控制另一个热点。在这一领域，NXP针对不同开发需求基于i.MX RT1180提供了“集中式”和“分布式”两种解决方案。
在集中式拓扑解决方案中，充分发挥了i.MX RT1180的高性能优势，用一颗i.MX RT1180控制所有指尖关节——Cortext-M7内核负责电机控制，Cortext-M33内核负责通信——可实现多达8个自由度的控制，对于自由度要求相对较低的设计，这无疑是一个理想的解决方案。
图4：集中式人形机器人灵巧手方案框图（图源：NXP Semiconductors）
对于高自由度的设计，NXP提供了一种基于I3C总线架构的分布式人形机器人灵巧手方案。该架构采用i.MX RT1180作为手掌主控MCU，MCX A132作为手指关节 (电机) 控制MCU，通过I3C总线连接多个伺服节点与触觉传感器，对外则通过EtherCAT、CAN、RS485连接到机器人系统总线。
该方案创新性地采用了I3C总线架构，与其他分布式方案相比，不仅具有高达12.5 Mbps的高速通信能力，还可大大简化灵巧手的布线与硬件设计，同时在动态设备管理、实时事件响应、信号完整性方面也有突出的优势。
图5：基于I3C的分布式灵巧手方案框图（图源：NXP Semiconductors）
由于集成有2个I3C接口，i.MX RT1180在该方案中可连接多个伺服节点与传感器；同时其高性能的双核结构、多种工业通信协议支持能力、优化的电机控制和驱动功能，也都在此方案中发挥得淋漓尽致，使得该灵巧手方案得以在十分紧凑的结构中实现非常丝滑的运动表现（如图6）。
图6：基于I3C的分布式灵巧手方案演示（图源：NXP Semiconductors）
快速上手i.MX RT1180开发
看到这里你是不是已经跃跃欲试，想要快速上手，体验i.MX RT1180跨界MCU在运动控制方面的过人能力。
你可以从NXP的i.MX RT1186 FRDM开发板 (FRDM-IMXRT1186) 入手。这是一款基于i.MX RT1186跨界MCU的高性价比开发板，提供了开发所需的丰富资源以及强大的可扩展性：
主处理器：MIMXRT1186CVJ8C
板存储器：64MB HyperRAM、512MB HyperFlash、128MB QSPI闪存
连接性：2个支持TSN交换机的以太网 (10 / 100 / 1000M) 连接器、2个支持EtherCAT或TSN交换机的以太网 (10/100M) 连接器、1个Type-C USB OTG连接器、1个CAN收发器
扩展连接器：Arduino® UNO R3接头、FRDM接头、FlexSPI Follower接头、SRAMC接头、电机接头
调试能力：JTAG连接器、板载MCU-Link调试器
图7：i.MX RT1186的FRDM开发板（图源：NXP Semiconductors）
凭借强大的实时处理能力、便捷的I/O接口以及广泛的扩展资源支持，i.MX RT1186 FRDM开发板为PLC、电机控制系统、远程I/O、机器人等工业自动化解决方案的原型设计提供了一条快速途径。
同时，开发者还可以获得NXP全面的设计生态资源的支持，包括MCUXpresso软件和工具套件、扩展板中心和应用代码中心 (提供软件示例) 等，以探索在人形机器人运动控制开发中更多的可能性。
本文小结
“像人类一样感知、思考和行动，甚至超越人类”——这是人形机器人技术演进的终极目标。高精度、实时的运动控制是实现这一目标不可或缺的一环，它让人形机器人能够获得更自由、更强大的“行动力”，最终真正走入我们的生活。
新一代运动控制芯片，如NXP的i.MX RT1180系列跨界MCU，正在赋予人形机器人这样的“行动力”！
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