打造新一代機(jī)器人，TI賦予機(jī)器更好的“感知”和“體驗(yàn)”能力

20世界60年代，葉永烈創(chuàng)作了一部科幻小說(shuō)《小靈通漫游未來(lái)》。在這本書(shū)中，作者通過(guò)主人公小靈通的視角描繪了一個(gè)高科技的未來(lái)世界。其中包括對(duì)智能手機(jī)、信息技術(shù)、器官移植等未來(lái)技術(shù)的預(yù)言。

時(shí)隔多年，書(shū)中的高科技一一成真。某些未完全實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景，也在發(fā)展中不斷貼近葉老先生的預(yù)測(cè)。

就像書(shū)中對(duì)于機(jī)器人的描繪，未來(lái)的機(jī)器人可以承擔(dān)人類(lèi)的工作，包括洗衣做飯下棋沖咖啡等等瑣碎雜事，部分已經(jīng)應(yīng)驗(yàn)。通過(guò)“機(jī)器臂”這種形態(tài)的機(jī)器人，進(jìn)行咖啡沖泡已經(jīng)頗為常見(jiàn)；而在工業(yè)場(chǎng)景中，機(jī)械臂、AGV等協(xié)作機(jī)器人更是成為了我們必不可少的生產(chǎn)伙伴。假以時(shí)日，人型機(jī)器人走入日常生活場(chǎng)景也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

《小靈通漫游未來(lái)》中的“鐵蛋”機(jī)器人

那么對(duì)于機(jī)器人而言，要融入我們的生活，發(fā)揮更大的潛能，要具備更好的“感知”世界、“體驗(yàn)”世界的能力。這其中包括了感知、深度學(xué)習(xí)、精密執(zhí)行等，作為機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)探索和研究。

汽車(chē)和機(jī)器人是在第六屆進(jìn)博會(huì)上，TI展示兩個(gè)主要應(yīng)用主題。而且在展位上，TI也專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了機(jī)器人主題的媒體分享會(huì)，德州儀器中國(guó)區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英和記者分享了TI在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)布局和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

德州儀器中國(guó)區(qū)技術(shù)支持總監(jiān)師英

打造更智能安全的機(jī)器人，需要這四大技術(shù)加持

“在說(shuō)到機(jī)器人的時(shí)候，每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中機(jī)器人的形態(tài)，從器械和結(jié)構(gòu)層面看都是不同的?！睅熡⒎窒淼?，“但從電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)或?qū)Π雽?dǎo)體的要求來(lái)看，無(wú)外乎是四個(gè)方面：精確和靈敏的感知、強(qiáng)大高效的計(jì)算能力、精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)安全的通信?！?

機(jī)械人一定要有手臂，而且多軸機(jī)械臂其實(shí)就是機(jī)器人形態(tài)的一種。而對(duì)于手臂和小車(chē)的執(zhí)行而言，離不開(kāi)電機(jī)控制技術(shù)。不論是何種場(chǎng)景，都需要對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)更加精確高效，實(shí)現(xiàn)更高功率密度。在這方面，TI提供了C2000TM實(shí)時(shí)控制單片機(jī)和SitaraTM MCU實(shí)時(shí)控制單片機(jī)，再加上門(mén)極驅(qū)動(dòng)器和氮化鎵的功率器件，就構(gòu)成了一個(gè)精準(zhǔn)、高效、且功率密度持續(xù)提升的完整的電機(jī)控制系統(tǒng)解決方案。

從計(jì)算的角度來(lái)看，早起的裝配機(jī)器人還談不上AI和深度學(xué)習(xí)，這只是通過(guò)預(yù)設(shè)固定的程序來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的生產(chǎn)動(dòng)作。而今隨著AI的發(fā)展，在機(jī)器上的落地出不普及。而AI運(yùn)算就需要一個(gè)強(qiáng)大的處理器，尤其是對(duì)于工業(yè)場(chǎng)景的協(xié)作機(jī)器人而言，如果全部依賴云端進(jìn)行計(jì)算和返回決策，則會(huì)產(chǎn)生更長(zhǎng)的時(shí)延，這不利于高效生產(chǎn)。而在端側(cè)如果完成了邊緣計(jì)算的部署，則可以大大提高機(jī)器人的工作效率，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀?。TI的TDA4X系列處理器提供了從1個(gè)tops、2個(gè)tops，一直到單片32tops的邊緣計(jì)算能力，能夠讓機(jī)械臂在本地端實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境感知監(jiān)測(cè)、物體的識(shí)別和行為判斷等一系列智能的功能。

而計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)自傳感器，只有采集到準(zhǔn)確可靠的環(huán)境數(shù)據(jù)，才能讓后續(xù)的計(jì)算更有意義。對(duì)于機(jī)器人而言，當(dāng)前的感知技術(shù)包括攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、ToF等。此外像麥克風(fēng)、IMU等也都是必須的傳感器類(lèi)型。在這一方面，德州儀器可以提供非常成熟和性價(jià)比非常優(yōu)異的毫米波雷達(dá)傳感器。其他的傳感器包括超聲波、溫度、電流等各種各樣物理量的傳感器，TI也均有產(chǎn)品覆蓋。

像60GHz和77GHz頻段的毫米波雷達(dá)，已經(jīng)可以感知到非常細(xì)微的、甚至是人體呼吸的身體變化，這已經(jīng)廣泛應(yīng)用于老人看護(hù)、車(chē)內(nèi)DMS等應(yīng)用，TI在這方面已經(jīng)提供了全套的解決方案。

最后要談到通信層面，機(jī)器人中各個(gè)子系統(tǒng)或者各個(gè)部件之間需要高速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的通信；機(jī)器人可能需要和其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信；一定程度上可能還需要和云端進(jìn)行連接；所以精準(zhǔn)、高度完整性和安全的通信也是在機(jī)器人系統(tǒng)里持續(xù)遇到的挑戰(zhàn)之一。師英表示，“信號(hào)完整性”、“實(shí)時(shí)性”和“安全性”是機(jī)器人通信技術(shù)的重點(diǎn)。信號(hào)完整性指的是在通信的發(fā)送端和接受端，信息是完全一致的，不能有任何損失。實(shí)時(shí)性包括了信號(hào)從感知、云端到執(zhí)行的全流程，關(guān)乎控制環(huán)路的延遲高低。而安全則是避不開(kāi)的課題，包含功能安全和信息安全兩個(gè)角度，既要信息傳輸過(guò)程中自己不出錯(cuò)，也要避免被黑客攻擊竊取到數(shù)據(jù)。

“總結(jié)來(lái)說(shuō)，在面臨各種機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的過(guò)程中，精準(zhǔn)的電機(jī)控制、強(qiáng)大的而且高能量效率的AI運(yùn)算功能、邊緣計(jì)算功能和精密準(zhǔn)確的傳感，以及高效、實(shí)時(shí)、安全的通信，是TI作為半導(dǎo)體公司能夠?yàn)樾袠I(yè)和客戶所持續(xù)提供的創(chuàng)新和提升?！睅熡⒖偨Y(jié)到。

從機(jī)械臂到人形機(jī)器人，技術(shù)的核心需求不變

在此次TI進(jìn)博會(huì)展臺(tái)的中心，有一個(gè)來(lái)自達(dá)明機(jī)器人（Techman）的機(jī)械臂形態(tài)機(jī)器人——TM5S，就是采用了TI的感知和計(jì)算解決方案。

據(jù)悉，TM5裝載了TI的IWR6843的毫米波的雷達(dá)傳感器，這一一款工作在60GHz～64GHz的單芯片智能毫米波傳感器?！皢涡酒鉀Q方案”是該傳感器的一大亮點(diǎn)，該傳感器內(nèi)部同時(shí)集成了收發(fā)功能，具備四路發(fā)送和三路接收通道，提供了完整的多天線組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；此外包括返回毫米波信號(hào)之后的數(shù)字濾波電路、點(diǎn)云計(jì)算等也都在這一芯片中即可實(shí)現(xiàn)。此外，該芯片還獲得了國(guó)際電工協(xié)會(huì)的工業(yè)功能安全的安全標(biāo)準(zhǔn)“IEC 61508 SIL-2認(rèn)證”。

在計(jì)算核心處理器的選擇上，達(dá)明TM5S采用了TI的TDA4X系列處理器，這顆處理器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在各種需要人工智能、深度學(xué)習(xí)運(yùn)算能力的工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景中。據(jù)悉，TDA4X內(nèi)部集成了8個(gè)Cortex-A72處理器和4個(gè)Cortex-R5F內(nèi)核，而且所有的MCU核都是符合功能安全最高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的子系統(tǒng)。AI算力方面，TDA4X處理器單片就可以實(shí)現(xiàn)AI算力和深度學(xué)習(xí)能力，根據(jù)不同產(chǎn)品型號(hào)的不同CPU核心數(shù)，提供了從8tops、16tops、32tops各種不同AI算力選擇。同時(shí)TDA4X有8個(gè)端口符合TSN標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)交換機(jī)和4個(gè)PCle交換機(jī)。

IWR6843+TDA4X，結(jié)合使用 C2000 和 DRV835xF，構(gòu)成了達(dá)明機(jī)器人TM5S的完整方案，實(shí)現(xiàn)了傳感、分析與運(yùn)算、高速精準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信、及高性能控制等機(jī)器人所必備的關(guān)鍵要素。

手臂和AGV雖然是現(xiàn)在最為常見(jiàn)的機(jī)器人形態(tài)，但人形機(jī)器人無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展方向。而談到未來(lái)的人形機(jī)器人的發(fā)展，師英認(rèn)為底層的技術(shù)核心訴求不變，還是精準(zhǔn)的電機(jī)控制、高效準(zhǔn)確感知能力、高性能計(jì)算和安全高速的通信?！叭诵螜C(jī)器人一定有更多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，包括更細(xì)膩的感知和一些更精準(zhǔn)、更精密的運(yùn)動(dòng)控制等等?！睅熡⒎窒淼?，“例如在運(yùn)動(dòng)控制上，人形機(jī)器人所需要去控制的可能不僅僅是五個(gè)、六個(gè)的軸向，而是有非常多的軸向，這取決于我們要把這個(gè)機(jī)器人做到什么樣的水平?！?

當(dāng)我們從宏觀的角度來(lái)審度機(jī)器人的發(fā)展，其實(shí)已經(jīng)機(jī)器人已經(jīng)從工業(yè)場(chǎng)景開(kāi)始逐步滲透到了我們生活中。雖然不是那么完美，但在某些特定的垂直應(yīng)用上，開(kāi)始發(fā)揮了巨大的潛能。例如物流倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人、手術(shù)輔助機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人、送餐機(jī)器人、家庭掃地機(jī)器人等等。機(jī)器人正在改善醫(yī)療設(shè)備和患者護(hù)理，提升服務(wù)業(yè)的體驗(yàn)并且為我們簡(jiǎn)化家務(wù)瑣事。

“我相信機(jī)器人未來(lái)會(huì)變得更聰明、更智慧、更精準(zhǔn)、更安全。TI也致力于通過(guò)電機(jī)控制、計(jì)算、感知、通信功能打造新一代機(jī)器人?！睅熡⒄f(shuō)到。