如何選擇搭配機(jī)器人的控制設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）工業(yè)機(jī)器人我們通常分為幾個(gè)部分：控制器系統(tǒng)、機(jī)械手（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）、示教器、視覺(jué)與傳感器、末端執(zhí)行器。不同類型的工業(yè)機(jī)器人會(huì)有在軸設(shè)計(jì)和軸數(shù)上有些不同，也就是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上略有不同，比如關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)量從簡(jiǎn)單的三軸結(jié)構(gòu)到多個(gè)關(guān)節(jié)不等，CSARA具有兩個(gè)平行軸等等，但在整體的控制設(shè)計(jì)上，都采取集中式設(shè)計(jì)或者分散式設(shè)計(jì)。

控制器系統(tǒng)我們常常稱機(jī)器人控制器系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，這里面包括了運(yùn)動(dòng)控制器、內(nèi)部和外部通信系統(tǒng)以及任何潛在的功率級(jí)。潛在的功率級(jí)指的是，如果機(jī)器人要移動(dòng)重物，肯定需要在電機(jī)上施加足夠的力才能實(shí)現(xiàn)該功能。這個(gè)力由電能產(chǎn)生，并從功率級(jí)提供給電機(jī)。這個(gè)功率影響機(jī)器人屬于高壓系統(tǒng)還是低壓系統(tǒng)。

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集中式的機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人的控制柜會(huì)集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大多數(shù)電子模塊，而在分散式系統(tǒng)中，這些模塊中的其中一些模塊將移至機(jī)器人的機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，以支持多種外形尺寸，包括機(jī)柜的外形尺寸、電纜等。

目前大多機(jī)器人廠商都是提供集中式的控制系統(tǒng)，這樣更方便。因?yàn)樵诜稚⑹降南到y(tǒng)中，伺服驅(qū)動(dòng)相關(guān)電子器件的運(yùn)行環(huán)境與在集中式系統(tǒng)中完全不同，通常需要對(duì)部分系統(tǒng)進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)。

控制與伺服驅(qū)動(dòng)在自動(dòng)化行業(yè)，伺服電機(jī)控制是一個(gè)老生常談的通用技術(shù)了，工業(yè)4.0的興起加速了自動(dòng)化系統(tǒng)的升級(jí)，這也增加了伺服驅(qū)動(dòng)的升級(jí)。現(xiàn)在的自動(dòng)化系統(tǒng)要求伺服驅(qū)動(dòng)能控制更多的軸數(shù)，能實(shí)現(xiàn)更多智能化的功能。

在控制系統(tǒng)需求還沒(méi)有現(xiàn)在這么復(fù)雜的階段，最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)是用MCU以及FPGA來(lái)執(zhí)行控制算法，并提供外設(shè)以連接至驅(qū)動(dòng)器輸出和電機(jī)反饋。這種設(shè)計(jì)我們已經(jīng)見(jiàn)過(guò)很多了，基本上國(guó)內(nèi)外做MCU的廠商都會(huì)涉及一部分這樣的業(yè)務(wù)，國(guó)外知名的像TI的C2000系列，ST的STM32系列等等，國(guó)內(nèi)知名的同樣不少，國(guó)民的N32系列，峰岹的FU68系列，兆易的GD32E系列等等。功能要求不多的控制，單顆或多顆MCU就夠了，有些會(huì)視情況加FPGA。加FPGA一般就是MCU負(fù)責(zé)通訊處理、系統(tǒng)母線監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等、人機(jī)交互界面驅(qū)動(dòng)等功能，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)邏輯處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)伺服系統(tǒng)的協(xié)同控制。

就目前國(guó)內(nèi)外MCU廠商提供的用于機(jī)器人控制器MCU來(lái)看，M4以及M4F內(nèi)核居多，支持FPU浮點(diǎn)運(yùn)算，主頻也夠高，可滿足各種運(yùn)動(dòng)算法高算力需求，外設(shè)資源各異。M7內(nèi)核加DSP的異構(gòu)架構(gòu)在高端領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人中也很有優(yōu)勢(shì)。

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為了減少外部板需求，縮小空間降低成本，越來(lái)越多功能（通信、PLC等等）加入控制板中，集成性的提高意味著硬件性能也必須要跟上。從機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)里可以肯定的是多核異構(gòu)架構(gòu)才能滿足機(jī)器人系統(tǒng)全部的處理需求。MCU+FPGA異構(gòu)架構(gòu)，MCU+DSP異構(gòu)架構(gòu)，MCU+MPU架構(gòu)等多核異構(gòu)設(shè)計(jì)在以后的機(jī)器人中會(huì)越來(lái)越常見(jiàn)。

以往廠商會(huì)優(yōu)先考慮采用DSP來(lái)優(yōu)化控制算法，但現(xiàn)在實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力越來(lái)越重要，因此帶寬對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，足夠的帶寬才能同時(shí)處理多個(gè)軸的輸入，并留有足夠的裕量用于其他功能。DSP在機(jī)器人控制里獨(dú)立的方案越來(lái)越少，獨(dú)立DSP正在越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向SoC的一個(gè)處理單元。

實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)的能力越來(lái)越重要，所以Arm Cortex-A和Cortex-R內(nèi)核在現(xiàn)在的機(jī)器人應(yīng)用里也越來(lái)越常見(jiàn)，二者各有千秋。Cortex-A可以提供我們上面說(shuō)到的高帶寬，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)多軸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)快速處理，高帶寬也很方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信等其他功能。但相比之下它缺少Cortex-R內(nèi)核的實(shí)時(shí)組件，單論伺服控制方面Cortex-R會(huì)更適合。

小結(jié)機(jī)器人系統(tǒng)控制往多核處理器靠攏，不同內(nèi)核之間分散各個(gè)回路可以使專用于每個(gè)回路的處理帶寬最大化，這肯定會(huì)提升系統(tǒng)的控制處理能力，并完成更多其它功能的實(shí)現(xiàn)。上面這些不同內(nèi)核，優(yōu)勢(shì)各異的處理元件如何選擇如何搭配在機(jī)器人控制設(shè)計(jì)中有著很多玩法與變化?！　?/p>