一、人形机器人控制芯片的重要性

人形机器人作为人工智能和自动化领域的尖端技术，其控制芯片是实现各种复杂功能的关键。控制芯片如同人形机器人的 “大脑”，决定了机器人的性能、智能化程度以及在不同场景下的应用能力。

人形机器人芯片在机器人的运作中起着至关重要的作用。工信部印发的《人形机器人创新发展指导意见》提出，要开发面向人形机器人的专用芯片，提升运动控制、认知决策等计算效能。控制芯片决定了人形机器人的性能表现，例如反应速度比眨眼还快的 “亦庄造” 传感器芯片，通过像素级感存算一体技术，将感知和运算集合在单传感器芯片上，大大减少了从视觉感知到触觉响应所需的时间，有助于真正实现人形机器人所需的瞬时 “感 - 算 - 决 - 控” 一体化的性能。

人形机器人在不同系统中都需要芯片的支持。运动控制芯片主要集成在人形机器人的微控制器、电机控制芯片以及 FPGA/ASIC 等核心零部件中，负责机器人的各种运动控制、传感器数据采集和处理、通信与网络等基础功能。感知系统芯片主要集成在传感器芯片、嵌入式视觉和人工智能处理芯片以及无线通信模块中的通信芯片等核心零部件中，共同构成机器人的感知系统，使其能够全面、准确地感知周围环境。决策与规划系统对于芯片也有着强烈需求，主控芯片 / 中央处理器芯片和图形处理器芯片等负责数据处理和控制，进行实时分析和决策，规划出最优的行动路径和执行方案。此外，在人形机器人的语音识别与交互模块中也集成了部分芯片，协同帮助该模块具备丰富功能，实现机器人语音通信功能。

目前市场上主要的芯片公司包括英伟达、英特尔、高通等美国品牌，以及韩国和日本的三星、SK 海力士、东芝等企业。国内主要的芯片公司有华为海思、中芯国际、中环股份、华天科技、寒武纪等。人形机器人的芯片需求中，运动控制芯片制程技术要求一般在 20 - 50 纳米之间即可满足需求。

英伟达芯片在人形机器人的发展中起到了关键的作用。其高性能 GPU 芯片为人形机器人提供了出色的图形处理能力，使其能够更准确地识别和解析环境信息。同时，英伟达芯片在人形机器人的深度学习领域也发挥了重要作用，加速神经网络的训练和推理过程，使机器人能够更好地学习和理解人类的语言、行为和意图。此外，英伟达还推出了专门为机器人设计的芯片和解决方案，为人形机器人提供了高效的计算平台和算法库。

二、人形机器人控制芯片的品牌及供应商

（一）国内品牌及企业

1.拓斯达：公司是工业人形机器人智能生产环境整体解决方案提供商，与华为具身智能中心合作备受关注。11 月 20 日晚，拓斯达发布股价异动公告称，公司于 11 月 15 日与华为具身智能中心完成合作备忘录签署，该合作事项处于初步启动阶段，未产生实际收入，不会对公司业绩产生影响，且后续合作事项推进可能面临诸多不确定因素。拓斯达在机器人相关领域的研发布局涵盖工业机器人本体以及控制器、伺服驱动、视觉系统等核心底层技术，部分核心技术与人形机器人有相通性，公司会持续关注人形机器人相关技术迭代及行业发展变化，在条件成熟及时机合适的情况下积极把握合作机会。此外，拓斯达股价虽在 12 月 2 日创造历史新高，但公司业绩数据并不乐观，前三季度营业收入同比减少，归母净利润大幅下滑。公司主动收缩项目类业务，如智能能源及环境管理系统业务收入同比下降接近 90%。不过，公司机器人业务态势向好，前三季度收入同比增长，毛利率也有所增加，尤其是多关节工业机器人收入同比增长超过 67%。注塑机业务受市场周期影响，表现也不错，前三季度营收同比增长，主要因下游客户补充库存及海外需求增长，行业整体景气度提升致使销售回暖。

2.盛通股份：公司是掌握鸿蒙机器人技术的核心企业，拥有多款自主研发人型机器人，还注册了 60 余项机器人相关专利。盛通股份推出的 “中鸣鸿蒙机器人套装” 全球首发，标志着 HarmonyOS（华为鸿蒙系统）支持的机器人套装将正式进入规模化生产阶段。

3.某潜力公司：在人形机器人视觉芯片方面产品布局完备，掌握大音频、大视频、大感知、大软件核心技术，其 2021 年推出的 SoC 芯片是国内唯一可替代高通、海思的高端芯片产品。关键是其股价近期强势突破了上方压制两年的平台，更是伴随着历史最大量能释放，随时可能开启一波超级主升浪。

（二）国外品牌及企业

目前市场上主要的芯片公司包括英伟达、英特尔、高通等美国品牌，以及韩国的三星、SK 海力士，日本的东芝等企业。英伟达芯片在人形机器人的发展中起到关键作用，其高性能 GPU 芯片为人形机器人提供出色的图形处理能力，加速神经网络的训练和推理过程，还推出专门为机器人设计的芯片和解决方案，为人形机器人提供高效计算平台和算法库。此外，美国英伟达机器人芯片公司阿尔特携手英伟达，将 Omniverse 融入机器人研发；英伟达发布人形机器人基础模型，在一年一度的 GTC 开发者大会上，由创始人黄仁勋亲自揭晓了新一代 AI 芯片架构 Blackwell、超级芯片 GB200、AI 微服务、人形机器人项目 GR00T 等亮点内容；英伟达在人工智能产业的上下游分别进行布局，不仅在上游芯片制造方面，台积电和新思科技将在生产中使用英伟达计算光刻平台，还在下游应用领域推出数十项企业级生成式 AI 微服务，特别针对医疗企业推出二十多项全新微服务。估值 20 亿美元的美 AI 人形机器人初创企业 Figure AI 在最新一轮融资中获得了来自英伟达、亚马逊创始人杰夫・贝索斯、科技巨头微软以及其他几家大型科技公司的投资。

三、人形机器人控制芯片的关键技术

（一）动态平衡与高级控制算法

人形机器人要实现稳定的行走、站立、甚至跑步和跳跃，动态平衡至关重要。这需要实时采集自身和环境数据，通过复杂算法调整各关节动作。例如，在不同环境中行走时，机器人的重心会随时变化，如何在不倒下的同时完成复杂动作是极大的挑战。通常会使用模糊控制、PID 控制等方法进行动态实时调整，而控制系统的实时性要求极高，每毫秒内都要快速处理数据并做出调整。

（二）传感器集成与实时反馈

人形机器人为实现精准控制，需集成大量传感器，如惯性测量单元（IMU）、力传感器、位置传感器、加速度计和陀螺仪等。这些传感器的数据需快速传输到主控芯片进行处理，以实现精准控制和动作同步。传感器采集的数据要以毫秒级的速度传输至主控芯片，随后主控芯片对各个关节电机发出调整指令，确保机器人的动作与外部环境变化保持同步。例如，人形机器人在执行两足运动过程中，由于运动速度存在差异，质心（COM）的投影往往会偏离零力矩点（ZMP），此时就需要传感器实时反馈数据，通过主控芯片调整各关节动作，以保持平衡。

（三）人工智能与机器学习

通过 AI 和 ML 算法让机器人具备自主学习能力，这需要芯片具备强大计算能力以处理大量数据并做出智能决策。例如，通过深度学习和强化学习，机器人可以根据环境变化自我调整并优化行为。在人形机器人中，人工智能和机器学习算法被广泛应用，通过视觉识别和行为预测，机器人可以避开障碍物或与人类进行交互，提升其在复杂场景中的适应性和稳定性。

（四）芯片应用优势

以先楫半导体 HPM6E00 系列芯片为例，其体积小采用 BGA 封装便于集成，满足人形机器人对硬件体积的严格要求，尤其是为了保持平衡和移动灵活性，系统需要在有限的空间内搭载尽可能多的传感器和功能模块。内置高性能多核处理器支持高级控制算法，如芯片内的 PWM（脉宽调制）与硬件电流环控制功能，适用于电机驱动与控制，可以实现机器人关节电机的精确调节。结合 ADC（模数转换器），HPM6E00 能够高效采集电机和传感器的反馈数据，并通过硬件电流环实现快速闭环控制。

集成 EtherCAT 接口和 TSN 支持实现低延迟高带宽通信，EtherCAT 提供极低的延迟和高带宽，使机器人能够在毫秒级传输传感器数据和控制指令，确保动作控制的准确性和同步性。同时，支持 TSN（时间敏感网络），可以为机器人内的多种传感器提供精确的时间同步，在动态平衡控制中，保证多传感器数据的无缝融合，避免因数据不同步而导致的控制误差。

提供多路 CANFD 接口满足复杂模块通信需求，CANFD 支持更高的带宽和数据帧，可以快速、稳定地传输关节控制器、传感器和执行器之间的数据。在人形机器人中，关节电机、传感器和主控单元之间的数据交换至关重要，CANFD 接口能够确保这些模块间的通信可靠性和实时性。

内置硬件电流环与编码器数据处理提高电机控制精度，内置的硬件电流环功能，可以极大提高电机控制的精度和响应速度。通过与编码器的集成，HPM6E00 可以实现对关节位置、速度的高精度监测，在人形机器人中，精确控制电机是确保关节灵活性和动作准确性的基础。

四、人形机器人控制芯片的工作原理

（一）力传感器

力传感器是将力的值转换成电信号的元件，由力敏元件、转换元件和电路部分组成。其中，力敏元件常见的材料有铝合金、合金钢和不锈钢；转换元件最常见的是电阻应变片；电路部分一般有漆包线、PCB 板等。重量、拉力、应力、扭矩均能够作为力传感器的输入量，经处理后输出为电信号，并将其传递至指示器、控制器或计算机等终端。

力矩传感器属于力传感器，使用应变计测量物体所受到的力矩。力矩是表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量，按照是否涉及加速度，可分为静态力矩（不涉及加速度）和动态力矩（涉及加速度）。两种典型的力矩传感器设计是测量轴和测量法兰，均呈现轴体结构。力矩传感器通常装载有应变片，当箔片以及导体形状发生变化时，电阻也会发生变化，从而揭示作用在应变片上的负载，实现测量功能。

人形机器人专用力传感器是一种能够检测并测量机器人与环境之间相互作用力的装置。其工作原理主要基于应变片、压电效应、电容变化等物理原理。通过将这些原理应用于传感器设计，力传感器能够实时感知机器人各个部位受到的力，并将这些力转化为电信号，供机器人控制系统进行分析和处理。

（二）IMU

IMU 是测量物体三轴姿态角（或角速率）以及加速度的装置，核心装置是陀螺仪和加速度计，可实现惯性导航、惯性测量和惯性稳控等功能。

IMU 的主要部件是陀螺仪和加速度计，其精度直接影响惯性系统的精度。在实际工作中，由于各种不可避免的干扰因素，陀螺仪和加速度计会产生误差。为了提高可靠性，每个轴可以配备更多的传感器。一般来说，一个 IMU 包括三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪。加速度计检测物体在载体坐标系中独立三轴的加速度信号，陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此计算物体的姿态。

IMU 是一种捷联惯性导航系统，由三个加速度传感器和三个角速度传感器（陀螺仪）组成。加速度计用于感知飞行器相对于地面垂直线的加速度分量，速度传感器用于感知飞行器的角度信息。该子器件主要由两个 A/D 转换器和 64K E/EPROM 存储器组成。A/D 转换器利用 IMU 各传感器的模拟变量，将其转换为数字信息，经 CPU 计算后输出飞俯仰角、倾斜角和侧滑角。E/EPROM 存储器主要存储各 IMU 传感器的线性曲线图和各 IMU 传感器的零件号和序列号。

（三）电子皮肤

电子皮肤能感知外界触觉和温度、湿度等，工作原理是把外界力量或形变变成电信号传递给芯片，目前产业化处于和应用端相互打磨阶段。

电子皮肤是能感知外界触觉和温度、湿度等其他感知的功能，目前只能实现产业化的情况是能感知外界触觉的力的柔性触觉传感器。电子皮肤的工作原理是把外界的力量或形变变成电信号传递给机器人或智能终端的芯片，实现复杂的动作。电子皮肤属于柔性触觉传感器，能把外界的力量或形变变成电信号传递给机器人或智能终端的芯片，实现复杂的动作。目前数据传感器的底层技术原理主要有压阻式、压电式和压容式，目前产业化界比较倾向于采用压阻式。

电子皮肤为具备仿生性、柔弹性的触觉传感器，包括通用性能和场景性能。通用性需求是将尺寸很小的触觉器件集成为较大的阵列，通过阵列扫描，实现压力分布等参数的精细化测量；柔弹性可以定义为材料产生裂纹时的延伸率，延伸率越大，柔弹性越好，柔性化的传感器可以自由折叠或弯曲，对受测对象进行表面适形的准确检测；通过微结构设计可以进一步提升电子皮肤的灵敏度和拉伸性。

五、人形机器人控制芯片的发展现状

（一）政策支持

工信部印发的《人形机器人创新发展指导意见》为行业发展带来了强劲动力。该意见聚焦人形机器人专用传感器，开发专用芯片，有望重塑全球产业发展格局。政策的支持将引导更多资源投入到人形机器人控制芯片的研发和生产中，推动技术创新和产业升级。

（二）市场需求

人形机器人在多个系统中都对控制芯片有着强烈需求。随着人形机器人市场的不断发展，其应用场景日益广泛，从工业制造到民生服务，再到特种领域，都展现出巨大的潜力。这使得对控制芯片的需求持续增长。例如，在工业机器人领域，高精度的控制芯片能够提升机器人的作业精度和效率；在民生服务领域，人形机器人需要具备更智能的交互能力，这也依赖于高性能的控制芯片。

（三）技术挑战

目前，国内人形机器人芯片在一定程度上依赖国外生产商，尤其是在高端算力芯片方面还需努力追赶。同时，人形机器人控制芯片在性能、稳定性、低功耗、多功能、安全性和高集成等方面面临着更高要求。

在性能方面，芯片需要具备强大的计算能力，以满足人形机器人在复杂环境下的实时感知、决策和控制需求。例如，在执行多任务时，芯片要能够快速处理大量的数据，确保机器人的动作流畅和准确。

稳定性也是关键因素之一。人形机器人在工作过程中可能会面临各种恶劣环境和复杂工况，芯片必须能够稳定运行，保证机器人的可靠性。

低功耗对于人形机器人来说至关重要，尤其是在移动应用场景中，低功耗芯片可以延长机器人的续航时间，提高其使用效率。

多功能性要求芯片能够集成多种传感器的数据处理、运动控制、人工智能算法等功能，以实现人形机器人的智能化和多样化应用。

安全性方面，控制芯片需要具备防护机制，防止外部攻击和数据泄露，确保机器人的安全运行。

高集成度则有助于减小芯片体积，降低成本，提高人形机器人的设计灵活性。

此外，国内人形机器人控制芯片的发展还需要克服技术创新体系不完善、产学研合作不够紧密等问题。只有通过不断的技术创新和产业协同，才能提升国内人形机器人控制芯片的竞争力，推动行业的健康发展。