近年來人形機器人技術(shù)迎來爆發(fā)式增長，全球科技巨頭和中國本土企業(yè)不斷升級迭代人形機器人產(chǎn)品和相關(guān)技術(shù)，推動機器人在工業(yè)、物流、醫(yī)療、教育和家庭等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。而在人形機器人系統(tǒng)中，靈巧手被認為是最復雜、最精密和最關(guān)鍵的執(zhí)行器，成為人形機器人發(fā)展的核心方向之一，它不僅需要具備高自由度的運動能力，還要實現(xiàn)對力和位置的精準控制，以模擬人手的操作行為。

1   挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)通信方式在分布式架構(gòu)中的瓶頸

在采用分布式電氣架構(gòu)的靈巧手設(shè)計之中，負責每個主動自由度的電機驅(qū)動，以及分布在每個手指的觸覺傳感器，需要通過UART或CAN接口與手掌中央主控MCU 通信。主控MCU通過CAN、RS485、Ether CAT接口接入機器人本體系統(tǒng)總線。這種架構(gòu)存在幾個痛點，在一定程度上制約了靈巧手系統(tǒng)的性能提升、架構(gòu)演進和輕量化小型化的發(fā)展。

帶寬限制：UART/CAN通信的波特率限制了控制環(huán)路帶寬；

線束復雜：每個手指需獨立布線，導致線束數(shù)量龐大，增加組裝難度與故障風險。

PCB空間受限：多路通信接口占用大量PCB 面積，限制系統(tǒng)集成度。

擴展性差：增加自由度或傳感器數(shù)量時，現(xiàn)有通信架構(gòu)難以靈活擴展。

異步通信問題：UART/CAN為異步通信，MCU需外部晶振提供高精度時鐘源，增加硬件復雜度。

圖1 核心通信路徑與模塊分布框圖

2   解決方案：基于I3C 總線的分布式通信架構(gòu)

本方案基于I3C的靈巧手內(nèi)部局部總線拓撲結(jié)構(gòu)，革新靈巧手內(nèi)部通信方式。該架構(gòu)采用i.MX RT1180作為手掌主控MCU，MCX A132 作為手指關(guān)節(jié)控制MCU，通過I3C 總線連接多個伺服節(jié)點與觸覺傳感器，對外則通過EtherCAT、CAN、RS485 連接到機器人系統(tǒng)總線。

圖2 i.MX RT1180結(jié)構(gòu)框圖

3   I3C總線優(yōu)勢：

1.高速通信能力

標準速率高達12.5 Mbps，優(yōu)于UART 和CAN2.0，且在特定條件下支持DDR 模式， 理論最高可達25Mbps，滿足高分辨率傳感器和實時控制高帶寬需求；

2.簡化布線與硬件設(shè)計

I3C主機僅需兩根線（SDA + SCL）即可掛接多個總線從設(shè)備，減少線束數(shù)量，提升靈巧手模塊化裝配效率。無需外部收發(fā)器和高精度晶振，節(jié)省BOM 成本與PCB空間；

3.動態(tài)設(shè)備管理能力

支持動態(tài)地址分配，設(shè)備在啟動時自動識別并獲取動態(tài)地址，避免靜態(tài)地址沖突。支持熱插拔（Hot-Join），單個手指模組可實現(xiàn)在通電狀態(tài)下靈活替換；

4.實時事件響應(yīng)機制

支持帶內(nèi)中斷（In-Band Interrupt）， 設(shè)備可通過SDA 線直接向主機發(fā)送緊急事件或故障信號，無需額外GPIO中斷線，進一步簡化線束并提升主機響應(yīng)速度。

5.可靠的信號完整性

在高速驅(qū)動模式下，I3C 采用Push-Pull 推挽驅(qū)動模式，相比傳統(tǒng)的I2C 開漏方式，顯著提高了信號完整性，有利于延長傳輸距離并增強接插件連接的可靠性。

雙核架構(gòu)（240MHz M33 + 800MHz M7）， 高性能處理能力；

集成2 個I3C 接口，可連接多個伺服節(jié)點與傳感器；

支持EtherCAT、CAN-FD、UART 等多種工業(yè)通信協(xié)議接口；

豐富的PWM、ADC、編碼器接口，單芯片最多可以直驅(qū)6 個無刷空心杯電機。

4   手指關(guān)節(jié)伺服節(jié)點和觸覺傳感器采用恩智浦MCX A132

圖3 MCX A132結(jié)構(gòu)框圖

小尺寸封裝，適合手指模塊嵌入；

集成1個I3C接口，與主控實現(xiàn)高速通信；

內(nèi)置16-bit ADC，用于觸覺傳感器模擬高質(zhì)量信號采集；

支持IEC 61508 SIL2 功能安全自測庫，滿足未來人形機器人對功能安全的要求。

5   總結(jié)

恩智浦希望通過創(chuàng)新性的I3C 總線拓撲設(shè)計，推動靈巧手系統(tǒng)向更高集成度、更強性能、更廣應(yīng)用場景演進。同時恩智浦i.MX RT1180 與MCX A132 產(chǎn)品組合也為這一架構(gòu)提供了堅實的硬件基礎(chǔ)，助力人形機器人技術(shù)實現(xiàn)新突破。

（本文來源于《EEPW》202511）