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

1   挑戰：傳統通信方式在分布式架構中的瓶頸

在采用分布式電氣架構的靈巧手設計之中，負責每個主動自由度的電機驅動，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總線。這種架構存在幾個痛點，在一定程度上制約了靈巧手系統的性能提升、架構演進和輕量化小型化的發展。

帶寬限制：UART/CAN通信的波特率限制了控制環路帶寬；

線束復雜：每個手指需獨立布線，導致線束數量龐大，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，限制系統集成度。

擴展性差：增加自由度或傳感器數量時，現有通信架構難以靈活擴展。

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

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

圖2 i.MX RT1180結構框圖

3   I3C總線優勢：

1.高速通信能力

標準速率高達12.5 Mbps，優于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.簡化布線與硬件設計

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

3.動態設備管理能力

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

4.實時事件響應機制

支持帶內中斷（In-Band Interrupt）， 設備可通過SDA 線直接向主機發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速度。

5.可靠的信號完整性

在高速驅動模式下，I3C 采用Push-Pull 推挽驅動模式，相比傳統的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（240MHz M33 + 800MHz M7）， 高性能處理能力；

集成2 個I3C 接口，可連接多個伺服節點與傳感器；

支持EtherCAT、CAN-FD、UART 等多種工業通信協議接口；

豐富的PWM、ADC、編碼器接口，單芯片最多可以直驅6 個無刷空心杯電機。

4   手指關節伺服節點和觸覺傳感器采用恩智浦MCX A132

圖3 MCX A132結構框圖

小尺寸封裝，適合手指模塊嵌入；

集成1個I3C接口，與主控實現高速通信；

內置16-bit ADC，用于觸覺傳感器模擬高質量信號采集；

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

恩智浦希望通過創新性的I3C 總線拓撲設計，推動靈巧手系統向更高集成度、更強性能、更廣應用場景演進。同時恩智浦i.MX RT1180 與MCX A132 產品組合也為這一架構提供了堅實的硬件基礎，助力人形機器人技術實現新突破。

（本文來源于《EEPW》202511）