机器人硬件体系解构：关键技术如何定义应用边界
芝能科技出品
在过去的十年间，机器人技术经历了从传统工业向协作与服务领域的全面扩展，底层技术体系持续重构。从移动系统的路径规划，到电源、驱动、电机、传感、算力与无线通信的集成，系统正在变得愈发高效、智能且安全。
现代机器人已不再是简单的机械装置，而是电源、控制、感知、执行与通信等模块协同运作的复杂机电系统。不同类型的机器人根据工作电压与功率区间采用高度定制化的器件，如MOSFET、栅极驱动器、BMS、电机控制MCU及毫米级雷达等。
随着AGV与AMR在物流、配送、商用及家用服务等场景的广泛应用，行业对效率、智能性、安全性与连接性提出了更高要求，推动了芯片架构与封装技术的持续优化。
本文将围绕机器人分类、移动平台技术、电机控制架构、核心电子器件、系统安全与设计挑战等方面，系统解析机器人硬件体系的演进与关键技术。
机器人系统的分类与移动平台演进
尽管机器人应用场景日益丰富，其基础分类仍然可以划分为工业机器人、协作机器人和服务机器人。
这一分类不仅体现在应用层面的差异，更反映在设计逻辑上的根本区别。
- 工业机器人以高精度、高负载和高速度为核心需求，通常采用关节型、SCARA或并联结构，其传动刚性强、动力要求高，多使用36–48V的工控级电源系统。
- 协作机器人更关注人机交互安全性，强调力控输出与环境感知，其关节负载与速度较低，常采用轻量化驱动系统与低压电源。
- 服务机器人涵盖从家用清洁机器人到物流运输机器人的多个场景，功率范围广，但均需在低压架构下实现高效的动力输出。
在移动机器人领域，AGV与AMR构成了两大主流形态。
- AGV依赖固定路径，通常采用激光反射板、磁条或二维码进行定位，系统结构较为简单，但灵活性受限。
- AMR依托SLAM、实时避障和环境建图，结合深度传感器与低延迟算力，在非结构化环境中具备更强的自主决策与路径规划能力，广泛应用于仓储、医疗、餐饮及配送领域。
AMR对于算力平台、传感器种类和无线连接的性能要求远高于AGV，尤其是在毫米波雷达、ToF视觉、IMU融合和低功耗Wi-Fi等模块的协同方面，需要芯片具备稳定的数据处理与采集能力。
从电源角度来看，服务机器人多运行于12–24V直流系统，而协作机器人则倾向于36–48V。功率区间从5W到3kW不等，覆盖从割草机器人到百公斤级物流搬运机器人。
在低压高功率的应用场景下，MOSFET的导通电阻、封装散热能力及栅极驱动器的开关响应速度成为系统性能的关键。
移动机器人的整体架构包括电源、驱动、BMS、主控、无线连接、传感器、安全模块及执行机构，模块之间通过CAN、SPI、I²C、UART及以太网等高速总线实现协同。
为实现长续航与高效率，系统需在电机驱动、调制策略与功率器件之间实现最佳匹配，同时需构建安全可靠的数据存储和通信框架。
机器人核心硬件架构解析
电机驱动系统是机器人内部最复杂的部分之一。
不论是轮式底盘、关节结构还是末端执行器，核心动力来源多为三相BLDC或PMSM电机。其驱动链通常由MCU、栅极驱动器、MOSFET、霍尔或磁角度传感器以及电流采样模块组成。
设计挑战主要集中在驱动效率、输出稳定性、过流保护、温度管理和EMI控制等方面，因此控制算法、功率器件与驱动器的协同配合必须高度精准。
在微控制器选型方面，XMC、PSoC、Traveo II与AURIX系列覆盖从中低端到高端的全栈应用。
- XMC基于M0/M4内核，频率在48–144MHz之间，适合家用服务机器人等中功率应用。
- Traveo II具备多核架构，频率为80–350MHz，并符合ASIL-B标准，适用于协作机器人及物流AMR。
- AURIX系列则采用300MHz TriCore架构，适合高端工业机器人，可支持运动规划、逆解计算和实时调度。
驱动层的核心器件包括MOSFET与栅极驱动器。
OptiMOS、StrongIRFET、CoolSiC与CoolGaN等产品覆盖20–300V电压区间，提供D²PAK、PQFN、sTOLL、DirectFET及SuperSO8等多种封装。
其中，sTOLL封装在5×6mm面积内可实现257A@60V的输出能力，其散热性能比SuperSO8高出近一倍；SuperSO8采用双面散热结构，在相同温差条件下可提供10%更高的电流承载能力，有助于机器人在高功率峰值下维持稳定。
PQFN SD Center Gate设计适用于并联应用，有助于降低寄生电感并提升电流平衡能力，特别适用于物流机器人底盘的双驱或四驱结构。
栅极驱动器作为连接MCU与MOSFET的桥梁，直接影响开关速度、保护机制与系统效率。
- 6EDL7141支持可编程驱动电压、可调死区时间与压摆率，集成电流放大器与看门狗功能，适用于1kW左右的AMR与协作机器人关节。
- IMD700A将MCU与驱动器集成于单芯片中，简化系统设计，适用于300W以下的小型机器人。
- 6EDL2742支持6–140V输入，集成电荷泵、ITRIP保护、欠压锁定与自举二极管，适用于伺服电机和家用设备的高压驱动。
其峰值驱动电流可达到1A/2A，能够驱动更大尺寸的MOSFET，满足持续高扭矩的运行需求。
传感器作为机器人智能化的核心组件，磁角度传感器如TLE5014和TLE5009可实现高精度角度检测，适用于关节位置反馈。
电流传感器如TLE4971具备隔离输出与高带宽，提升BLDC控制系统在FOC算法下的动态响应。
毫米波雷达与ToF传感器则构成了AMR的感知基础，使其具备避障、定位和目标识别能力。
在无线通信方面，AIROC Wi-Fi与蓝牙系列在低功耗与低延迟场景中表现稳定，结合PSoC的人机交互能力与硬件安全模块，为机器人提供了可靠的安全通信基础。
未来，机器人在预测性维护、系统安全、场景自适应与互联协同等方面的发展，将对传感器的实时性、驱动效率、电源管理、非易失存储可靠性及标准化接口提出更高要求。
当前，机器人硬件生态正由单模块优化向系统级整合演进，并加速迈向高能效、高算力与高安全性的新阶段。
总结
随着应用场景的拓展，机器人技术已由传统的电机控制和机械结构，演变为由算力平台、电源管理、安全芯片、传感器、无线通信及高效驱动构成的复杂系统。
无论是AGV、AMR，还是家用与娱乐类机器人，其核心都依赖低压高效功率器件、多核MCU、可编程栅极驱动器、高灵敏传感器与安全通信体系。