基于I3C分布式总线架构的人形机器人灵巧手方案

近年来人形机器人技术迎来爆发式增长，全球科技巨头和中国本土企业不断升级迭代人形机器人产品和相关技术，推动机器人在工业、物流、医疗、教育和家庭等领域的广泛应用。而在人形机器人系统中，灵巧手被认为是最复杂、最精密和最关键的执行器，成为人形机器人发展的核心方向之一，它不仅需要具备高自由度的运动能力，还要实现对力和位置的精准控制，以模拟人手的操作行为。

1   挑战：传统通信方式在分布式架构中的瓶颈

在采用分布式电气架构的灵巧手设计之中，负责每个主动自由度的电机驱动，以及分布在每个手指的触觉传感器，需要通过UART或CAN接口与手掌中央主控MCU 通信。主控MCU通过CAN、RS485、Ether CAT接口接入机器人本体系统总线。这种架构存在几个痛点，在一定程度上制约了灵巧手系统的性能提升、架构演进和轻量化小型化的发展。

带宽限制：UART/CAN通信的波特率限制了控制环路带宽；

线束复杂：每个手指需独立布线，导致线束数量庞大，增加组装难度与故障风险。

PCB空间受限：多路通信接口占用大量PCB 面积，限制系统集成度。

扩展性差：增加自由度或传感器数量时，现有通信架构难以灵活扩展。

异步通信问题：UART/CAN为异步通信，MCU需外部晶振提供高精度时钟源，增加硬件复杂度。

图1 核心通信路径与模块分布框图

2   解决方案：基于I3C 总线的分布式通信架构

本方案基于I3C的灵巧手内部局部总线拓扑结构，革新灵巧手内部通信方式。该架构采用i.MX RT1180作为手掌主控MCU，MCX A132 作为手指关节控制MCU，通过I3C 总线连接多个伺服节点与触觉传感器，对外则通过EtherCAT、CAN、RS485 连接到机器人系统总线。

图2 i.MX RT1180结构框图

3   I3C总线优势：

1.高速通信能力

标准速率高达12.5 Mbps，优于UART 和CAN2.0，且在特定条件下支持DDR 模式， 理论最高可达25Mbps，满足高分辨率传感器和实时控制高带宽需求；

2.简化布线与硬件设计

I3C主机仅需两根线（SDA + SCL）即可挂接多个总线从设备，减少线束数量，提升灵巧手模块化装配效率。无需外部收发器和高精度晶振，节省BOM 成本与PCB空间；

3.动态设备管理能力

支持动态地址分配，设备在启动时自动识别并获取动态地址，避免静态地址冲突。支持热插拔（Hot-Join），单个手指模组可实现在通电状态下灵活替换；

4.实时事件响应机制

支持带内中断（In-Band Interrupt）， 设备可通过SDA 线直接向主机发送紧急事件或故障信号，无需额外GPIO中断线，进一步简化线束并提升主机响应速度。

5.可靠的信号完整性

在高速驱动模式下，I3C 采用Push-Pull 推挽驱动模式，相比传统的I2C 开漏方式，显著提高了信号完整性，有利于延长传输距离并增强接插件连接的可靠性。

双核架构（240MHz M33 + 800MHz M7）， 高性能处理能力；

集成2 个I3C 接口，可连接多个伺服节点与传感器；

支持EtherCAT、CAN-FD、UART 等多种工业通信协议接口；

丰富的PWM、ADC、编码器接口，单芯片最多可以直驱6 个无刷空心杯电机。

4   手指关节伺服节点和触觉传感器采用恩智浦MCX A132

图3 MCX A132结构框图

小尺寸封装，适合手指模块嵌入；

集成1个I3C接口，与主控实现高速通信；

内置16-bit ADC，用于触觉传感器模拟高质量信号采集；

支持IEC 61508 SIL2 功能安全自测库，满足未来人形机器人对功能安全的要求。

5   总结

恩智浦希望通过创新性的I3C 总线拓扑设计，推动灵巧手系统向更高集成度、更强性能、更广应用场景演进。同时恩智浦i.MX RT1180 与MCX A132 产品组合也为这一架构提供了坚实的硬件基础，助力人形机器人技术实现新突破。

（本文来源于《EEPW》202511）