人形机器人正走出实验室，落地工厂、医院与家庭场景，但这类环境往往嘈杂、干扰繁杂且充满不确定性。让机器人可靠识别命令并自然应答，是机器人设计领域最难攻克的工程难题之一。如今，麦克风阵列、波束成形与高效放大技术不断取得突破，使这一目标成为现实，推动音频交互摆脱机械感，更贴近自然人机沟通。
基于麦克风的音频输入，让人形机器人能够接收语音命令并执行相应动作。无需触摸屏或预设程序，即可实现更自然、更直观的人机交互。机载麦克风还可使机器人感知各类环境音频信号，例如警报响铃、呼喊声音或碰撞警告，实时实现具备场景感知能力的行为响应。想要在嘈杂的真实场景（如图 1 中所示）中实现上述功能，就需要麦克风阵列与波束成形技术。波束成形是一种信号处理技术，可定向拾取声音，从而分离声源、清晰采集远场语音。
图 1 人形机器人发声警示工厂工人防范安全隐患
扬声器输出同样对安全至关重要。无论是响应用户、播报状态信息还是发布紧急警报，人形机器人都必须输出清晰、高质量的语音，确保周边人员及时获取信息并做出恰当处置。清晰易懂的语音输出也能让双向交互更为自然，在协同作业场景中建立人机信任。若要实现机器人同时收听与发声，且双方音频信号互不劣化，系统必须搭载噪声抑制与声学回波消除技术。即便收发音频同步工作，该技术也能保障输入音频干净、输出语音清晰可辨。
整套功能的实现依赖完整音频信号链：从支持模拟、数字输入的麦克风汇聚单元，到高效 D 类放大器，在不额外消耗电池电量的前提下最大化输出功率。
特性实现方案
记录路径算法
可在真实环境流畅通信的人形机器人，通常采用波束成形方案：在机器人头部布设 4 颗及以上麦克风组成阵列。波束成形算法处理每一路麦克风音频数据，定位最强音频信号方向。锁定声源方向后，算法为各路麦克风输入施加精准计算的时延，通过电子方式将拾音波束对准目标声源。设计人员可以针对特定配置文件应用额外调优，例如人类语音或其指定类型的声音。
波束成形使麦克风阵列聚焦来自特定方向的声音，同时抑制来自其他方位的干扰噪声。多麦克风架构还可通过通道信号求和优化远场拾音：强化所有麦克风共有的目标音频，同时削弱互不相关的噪声。波束成形处理后的音频信号再经过噪声抑制算法优化，在送入主机处理器前进一步提升整体音质。
高功率，高效率
人形机器人普遍面临空间受限与散热约束。在狭小空间内密集布置大功率电机与处理器，通风条件有限，因此需要可在高温环境工作的高效率放大器。无需外部散热器的集成电路 (IC) 在这类紧凑设计中提供了显著优势，如图 2 所示。TI 的 TAS6511-Q1 是一款单声道放大器，输出功率 50W，最高工作温度可达 125℃，采用 4mm×4mm 焊盘朝下 QFN 封装。针对采用模拟输入放大器的设计，TPA3132D2 模拟输入 D 类放大器可向单声道扬声器输出 50W 功率，无需任何 I2C 配置。如果所需输出功率较低（例如小型机身或低环境噪声场景），可选用支持 15W 输出功率的 TAS6501-Q1。
图 2 TI 人形机器人音频子系统参考设计 (TIDA-060054) 中的 PDM 转 TDM 音频转换器与音频放大器
当前如何实现这些功能？
麦克风阵列聚合器
人形机器人若要有效处理环境音频，需要将所有麦克风数据统一转换为主机处理器可识别的标准格式。时分多路复用 (TDM) 音频总线是典型的实现方案，作为麦克风阵列与处理器之间的通用数据交互接口。
这需要打通麦克风拾音格式与主机处理器接收格式之间的差异。模麦克风录制模拟信号；数字麦克风录制脉冲密度调制 (PDM) 信号，二者均非主机处理器所需的 TDM 格式。麦克风与处理器之间增设音频转换器，汇聚各路输入并转换为 TDM 信号，在系统层面实现流畅、实时的音频处理，如图 3 所示。
TI 可提供适配两种信号类型的解决方案：TLV320ADC3140 是面向模拟麦克风的高性能音频 ADC；PCMD3180 则是面向数字麦克风的 PDM 转 TDM 音频转换器。两款器件均可保证所有麦克风输入以 TDM 格式到达主机处理器。
图 3 人形机器人典型音频方框图
小巧方案尺寸，更低 BOM 成本
部分人形机器人的音频系统布设于头部单元。麦克风与扬声器需要安装在空间极其有限的结构内，再将数据传输至胸部附近的主处理器。这种空间受限场景对所选集成电路的尺寸与集成度提出了严苛要求。
PCMD3180 音频转换器、TAS6511-Q1 D 类放大器和 TAC5212 低噪声音频编解码器均采用 4mm×4mm 四方扁平无引脚 (QFN) 芯片这类小型薄型集成电路封装，器件可紧密相邻排布，不会造成电路板空间紧张。TPA3132D2 D 类放大器采用尺寸稍大的 5mm×5mm QFN 器件，无需外部 I2C 配置即可工作。
焊盘朝下（底部接触式）封装省去体积庞大的散热器，帮助器件实现散热，适配头部单元狭小空间。TAS6511-Q1 采用 2.1MHz 开关频率，可将输出滤波电感规格由 10µH 降至 3.3µH，让整条音频信号链保持小型化，且不牺牲效率与输出音质。
高功率，低功耗
电池续航是人形机器人设计最关键的考量指标之一。电机驱动器、主机处理器、感知传感器、音频系统及各类其他模块共用同一电源，因此所有器件都必须尽可能降低功耗。高效率与待机低功耗，是人形机器人能够稳定投入实际应用的基础。
TI 依托全系列音频器件针对性解决该痛点。PCMD3180 转换器待机功耗仅 2.5mW；同等工况下 TAS6511-Q1 放大器功耗低于 0.5W。无需满功率输出时，最大限度降低音频系统的电池消耗。满功率输出时，TAS6511-Q1 输出 50W 功率时能效高达 90%（业界顶尖水平），有效减少电池耗电。
一站式解决方案
许多人形机器人企业能够投入音频开发的设计工程资源有限。资源分散在运动控制、环境感知、AI 等方向，因此音频器件需要选型便捷、易于落地。
TI 在设计音频产品系列时充分考虑了这一需求。包括 PDM 转 TDM 转换器、D 类放大器、音频编解码器在内的所有 IC，均配套应用手册、评估模块，同时可通过 TI 音频配置软件Pure Path Console 获取技术支持。设计人员依托上述资源，可快速完成音频系统配置、测试与调试，无需深厚的音频专业背景。
结语
随着人形机器人走出受控实验室环境，进入工厂、医院、家庭，高精度音质将直接决定其人机协同工作能力。在嘈杂现实环境中清晰拾音、智能响应、安全交互，是机器人具备实用性与可靠性的核心基础。TI 紧凑型、高效率、易集成的音频技术，助力机器人设计团队攻克上述挑战，无需在空间、功耗或开发周期之间妥协。设计人员可聚焦下一阶段目标：打造能够在人类生活、工作场所安全运行的机器人。
文章来源：德州仪器