机器人硬件体系解构：核心技术定义应用边界
由芝能科技整理发布
近十年来，机器人技术经历了快速迭代，从传统工业机器人逐步向协作机器人和服务机器人拓展。底层技术体系持续演进，涵盖移动系统的路径规划、电源与驱动、电机、传感、算力以及无线通信等方面的集成，整体正朝着更高效、更智能、更安全的方向发展。
机器人并非简单的机械组合，而是由电源、控制、感知、执行和通信等模块协同构成的复杂机电系统。不同类别的机器人在电压和功率需求上存在差异，其内部组件通常由高度定制化的器件构成，如MOSFET、栅极驱动器、BMS、电机控制MCU及毫米波雷达等。
随着AGV和AMR在物流、配送、商用和家用服务等场景中的广泛应用，行业对效率、智能化、安全性及连接性提出了更高要求，也推动了专为机器人优化的芯片架构和封装技术的不断演进。
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、系统安全及设计挑战等方面，系统分析机器人硬件体系的发展与关键技术。
机器人系统的分类与移动平台
尽管机器人应用场景不断扩展，其基本分类仍可归纳为工业机器人、协作机器人和服务机器人三大类。
这一分类不仅体现在应用层面，也反映了不同工程逻辑下的设计考量。
- 工业机器人以高速度、高精度和高负载为特点，多采用关节型、SCARA 和并联结构，结构刚性强、动力需求高，通常运行在36–48V工控级供电体系。
- 协作机器人强调力控输出与环境感知，关节负载和速度较低，通常采用轻量化驱动系统与低压电源，以满足人机共存的安全需求。
- 服务机器人应用场景广泛，从扫地机器人到物流搬运机器人，功率覆盖范围从数十瓦到千瓦级，均需在低压架构下实现高效驱动。
在移动机器人领域，AGV 和 AMR 构成两大核心。
- AGV沿固定路径运行，依赖激光反射板、磁条或二维码定位，结构相对简单但灵活性受限。
- AMR基于SLAM与自主避障技术，结合深度传感器、航迹推算和低延迟算力，具备非结构化环境中的路径规划能力，已在仓储、医院、餐饮和配送等领域广泛应用。
相比AGV，AMR对算力平台、传感器类型及无线通信的要求更高，特别是在毫米波雷达、ToF深度视觉、IMU融合和低功耗Wi-Fi的协同方面，对底层芯片的可靠数据采集和处理能力提出更高标准。
从电源角度看，服务机器人通常运行在12–24V直流架构中，协作机器人则倾向于36–48V区间。功率范围覆盖5W至3kW，涉及从割草机器人到百公斤级物流搬运机器人等多样化应用。在低压高功率场景下，MOSFET的导通电阻、封装散热能力与栅极驱动器的开关速度成为关键。
移动机器人系统涵盖电源、驱动、BMS、主控、无线通信、传感器、安全组件与执行机构等多个模块，各模块通过高速总线（如CAN、SPI、I²C、UART和以太网）实现协同。
为实现长续航与高效率，系统需在电机驱动、调制策略和功率器件上实现最佳匹配，同时在存储、安全认证和无线通信方面构建可靠的安全框架。
机器人核心硬件结构
机器人内部最复杂的系统之一是电机驱动系统。
无论是轮式底盘、臂部关节，还是末端执行器，其动力主要依赖三相BLDC或PMSM电机。驱动链通常由MCU、栅极驱动器、MOSFET、霍尔传感器或磁角度传感器及电流采样模块组成。
设计难点在于驱动效率、输出平稳性、过流保护、温度控制以及低EMI特性，因此对控制算法、功率器件与驱动器的配合要求极高。
在微控制器方面，XMC、PSoC、Traveo II与AURIX系列覆盖从中低算力到高可靠性应用的完整产品线。
- XMC基于M0/M4内核，提供48–144MHz频率范围，并集成电机控制固件库，适用于家用服务机器人等中功率场景。
- Traveo II支持80–350MHz多核架构，符合ASIL-B标准，适用于需要安全认证的协作机器人和物流AMR。
- AURIX采用高达300MHz的多核TriCore架构，适用于高端工业机器人，可满足运动规划、逆解运算和实时调度等高算力需求。
在功率器件层，MOSFET与栅极驱动器是核心组件。
OptiMOS、StrongIRFET、CoolSiC与CoolGaN覆盖20–300V区间，提供多种封装形式，如D²PAK、PQFN、sTOLL、DirectFET与SuperSO8。封装技术直接影响热阻、电流承载能力和导通损耗。
例如，sTOLL封装在5×6mm面积内实现257A@60V的电流能力，其散热性能较SuperSO8提升近一倍；SuperSO8的双面散热设计在等温条件下可提升10%电流承载能力，有助于高功率峰值下的稳定运行。
PQFN SD Center Gate封装的中心栅极设计更适合并联应用，有助于降低寄生电感并提升电流平衡，适用于物流机器人底盘的双驱或四驱系统。
栅极驱动器作为MCU与功率器件之间的桥梁，决定了MOSFET的开关速度、保护机制与整体效率。
6EDL7141支持可编程驱动电压、可调死区时间与可配置压摆率，集成电流放大器、线性稳压器和看门狗，适合1kW级别的AMR与协作机器人。
IMD700A将MCU与驱动器集成于单一芯片中，降低系统面积并简化设计，适用于300W级小型机器人。
更高电压段如6EDL2742支持6–140V输入，具备集成电荷泵、ITRIP保护、欠压锁定和自举二极管功能，适用于伺服电机与家用设备的高压驱动。
典型峰值驱动电流可达1A/2A，能够驱动更大尺寸MOSFET，满足高扭矩持续输出需求。
在感知层面，磁角度传感器如TLE5014和TLE5009提供高精度角度反馈，适用于关节位置检测；电流传感器如TLE4971提供隔离输出与高带宽，助力BLDC系统在FOC算法下获得更高的动态响应。
毫米波雷达与ToF传感器构成AMR的感知核心，实现避障、定位与目标识别能力。
在无线通信方面，AIROC Wi-Fi和蓝牙系列在低功耗、低延迟通信中表现稳定，结合PSoC的人机交互功能（如CapSense电容触控）及硬件安全模块，为机器人提供可靠的安全基础。
随着机器人系统智能化水平提升，对预测性维护、系统安全、场景自适应与互联协同的需求日益增长，这对传感器的实时性、驱动效率、电源管理、非易失存储可靠性与标准化接口提出更高标准。
目前，机器人硬件生态正由单一模块优化向系统级整合过渡，逐步迈向高能效、高算力与高安全性的发展阶段。
总结
机器人产业已由工业自动化向服务与协作领域扩展，其底层技术体系从传统的电机控制与机械结构，演进为由算力、电源管理、安全芯片、传感器、无线通信与高效驱动构成的复杂系统。
无论是AGV、AMR，还是家用或娱乐类机器人，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。
原文标题：拆解机器人硬件基础：这些核心技术决定应用上限