MCU在機器人行業(yè)里應(yīng)該怎么玩

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠(yuǎn)）機器人，一個總能引發(fā)人們討論的熱門話題。工業(yè)機器人伴隨工業(yè)革新的進(jìn)程，一直是工業(yè)自動化浪潮中備受關(guān)注的設(shè)備之一，就現(xiàn)狀來看目前的工業(yè)機器人最多可稱為半智能化設(shè)備，離演進(jìn)成智能化設(shè)備還需不少時日。而服務(wù)機器人隨著近年來機器人移動技術(shù)的普及也走進(jìn)大家的視線中。

不管是工業(yè)機器人還是服務(wù)機器人，它們被賦予的任務(wù)從流程上看，無非就是從感知到?jīng)Q策到執(zhí)行。對機器人本身而言，執(zhí)行層的運動控制是其最基本也最核心能力。感知可以通過集成激光，視覺等傳感器來豐富機器的信息獲取，如何決策則取決于各廠商的上層軟件和智能算法的能力。最終落實到執(zhí)行層的運控，還是依賴于機器人本身內(nèi)部控制元件所賦予它的“能動性”。

目前看來，長于控制的MCU仍然是機器人廠商最先考慮的選擇。DSP和FPGA也有不少應(yīng)用，尤其是在機器視覺領(lǐng)域DSP很吃香，但MCU仍然是在機器人執(zhí)行層里應(yīng)用最多的選擇，畢竟在單支機器臂中內(nèi)建的控制器平均約有八成為MCU，剩下的才是MPU、DSP等高效能處理元件；服務(wù)機器人重要的移動功能在執(zhí)行層面也相當(dāng)依賴于精準(zhǔn)的MCU電機控制。

對于機器人應(yīng)用向的MCU來說，除了提供易開發(fā)的嵌入式平臺、設(shè)計工具外，建立MCU周邊完善的通訊環(huán)境處理各種工業(yè)通訊協(xié)議如USB，SPI等也是相當(dāng)重要的。而MCU運算效能的提升對于應(yīng)對工業(yè)機器人精度提升這些需求也十分重要。這里簡單列舉一些應(yīng)用于機器人的MCU來看看它們在機器人市場是如何發(fā)展如何玩的。

MCU集成ROS框架

MCU集成ROS這個可以看看瑞薩。RA MCU在很多領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛，在近期他們也針對工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將旗下的MCU集成了ROS（機器人操作系統(tǒng)）—EK-RA6M5，以應(yīng)對機器人應(yīng)用。被用于集成ROS的是RA的RA6M5，是一款采用Arm Cortex-M33 內(nèi)核的32位MCU。

RA6M5本身從閃存運行CoreMark算法低至107uA/MHz的低功耗加上大容量嵌入式RAM就極其適合機器人應(yīng)用，可以在ROS節(jié)點之間進(jìn)行Pub/Sub信息傳遞的通信接口（如以太網(wǎng)和 USB）。RA6M5還集成帶有專用 DMA 的以太網(wǎng) MAC，可確保極高數(shù)據(jù)吞吐率。RA6M5的生態(tài)系統(tǒng)由基于FreeRTOS構(gòu)建的FSP支持，保證了MCU有很高的拓展性，并且能夠使用其他實時操作系統(tǒng) （RTOS）和中間件。

EK-RA6M5集成的ROS框架能夠讓MCU在ROS 2數(shù)據(jù)空間中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化集成，在Windows和Linux系統(tǒng)下運行的瑞薩e2 studio集成開發(fā)環(huán)境也支持ROS。EK-RA6M5可以通過單線UART和RS-485控制多個伺服系統(tǒng)，并為整個系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)碾妷骸?/p>

在MCU性能足夠優(yōu)秀的情況下集成ROS，這一套EK-RA6M5的目的很明確，就是簡化機器人的開發(fā)，降低機器人開發(fā)成本，形成一個基于RA MCU和ROS合并的生態(tài)圈吸引機器人廠商入局，以此搶占機器人MCU市場。這也是不少廠商選擇的做法，MCU玩的就是一個生態(tài)圈，這次只是加上了ROS。當(dāng)然，玩生態(tài)的前提是必須MCU性能足夠優(yōu)秀。

針對機器人應(yīng)用優(yōu)化MCU

當(dāng)然也有不集成ROS的玩法。KE系列是NXP在運控上基于ARM的內(nèi)核的MCU。KE系列并沒有單獨為機器人應(yīng)用集成ROS框架，它解決的是惡劣的電噪聲環(huán)境中機器的高可靠性和穩(wěn)健性。

KE的EMC電磁兼容性和ESD靜電放電保護功能對于工業(yè)級別的應(yīng)用來說，可靠性是足夠重要的。32位MCU一直以來以低電壓運行，在機器人控制中往往受限于惡劣的電磁環(huán)境，KE這個系列最重要的就是解決了這個問題，對癥下藥解決MCU在機器人應(yīng)用中的困擾。

性能上以KE1xF MCU這個KE系列中的高端系列MCU來說，其實本身也是足夠優(yōu)秀的，通過運行頻率高達(dá)168 MHz的高性能Arm Cortex -M4內(nèi)核提供5V解決方案。這個系列8通道PWM和支持帶死區(qū)時間插入的功能可以將機器運動控制把握得很精確，F(xiàn)lexIO也為串行通信接口實現(xiàn)提供了靈活性。

除了針對應(yīng)用難點做了特別優(yōu)化，其實KE具備了帶浮點單元的數(shù)字信號處理能力，可以為機器控制算法，傳感器數(shù)據(jù)處理提供計算能力。這種做法不像集成ROS那樣從宏觀上著手搶占先機，反而從細(xì)微處著力解決MCU應(yīng)用在機器人上突出的問題。從問題出發(fā)解決問題，在應(yīng)用上保證自家MCU的競爭力。

寫在最后

其實僅從性能上來說，各MCU廠商都有產(chǎn)品能面向機器人應(yīng)用，上面兩個例子是印證了機器人行業(yè)里MCU應(yīng)用的風(fēng)向。其一，大廠在MCU性能已經(jīng)足夠優(yōu)秀的情況下，為了搶占機器人市場，會聯(lián)合生態(tài)伙伴進(jìn)行ROS集成（當(dāng)然也可以自己做），總之目的是打造一個武器庫完備的平臺來吸引機器人設(shè)計者入圈；其二，針對機器人應(yīng)用中的痛點，對MCU進(jìn)行專項能力的補足，以此來增強競爭力。

不論何種方式，MCU廠商都希望能搭上工業(yè)自動化的浪潮發(fā)發(fā)機器人的財。

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編輯：jq