MCU在機(jī)器人行業(yè)里應(yīng)該怎么玩

無論是工業(yè)機(jī)器人還是服務(wù)機(jī)器人，分配給它們的任務(wù)無非是從感知到?jīng)Q策再到執(zhí)行。對于機(jī)器人本身來說，執(zhí)行層的運(yùn)動(dòng)控制是其最基礎(chǔ)、最核心的能力。感知可以通過集成激光、視覺等傳感器來豐富機(jī)器的信息獲取，如何決策取決于上層軟件的能力和各廠商的智能算法。最后，執(zhí)行層面的操作和控制仍然依賴于機(jī)器人內(nèi)部控制元素給出的“主動(dòng)權(quán)”。

目前看來，優(yōu)于控制的MCU依然是機(jī)器人廠商的首選。而且數(shù)字信號(hào)處理器和現(xiàn)場可編程門陣列有很多應(yīng)用，尤其是在機(jī)器視覺領(lǐng)域。然而，單片機(jī)仍然是機(jī)器人執(zhí)行層應(yīng)用最廣泛的選擇。畢竟平均來說，單個(gè)機(jī)械臂內(nèi)置的約8個(gè)控制器變成了MCU，剩下的都是MPU、DSP等高效處理元件。服務(wù)機(jī)器人的重要移動(dòng)功能也依賴于執(zhí)行層的精確單片機(jī)電機(jī)控制。

對于機(jī)器人應(yīng)用的單片機(jī)來說，除了提供易于開發(fā)的嵌入式平臺(tái)和設(shè)計(jì)工具外，圍繞單片機(jī)建立完善的通信環(huán)境來處理USB、SPI等各種工業(yè)通信協(xié)議也非常重要。單片機(jī)運(yùn)算效率的提高對于滿足工業(yè)機(jī)器人精度提升的這些需求也非常重要。下面簡單列舉一些應(yīng)用于機(jī)器人的MCU，看看它們在機(jī)器人市場上是如何發(fā)展和發(fā)揮的。

集成單片機(jī)ROS框架

集成MCU  ROS，可以看看瑞薩。RA單片機(jī)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。最近，針對工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，他們還將ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))-—EK-RA6M5集成到他們的MCU中，以應(yīng)對機(jī)器人應(yīng)用。RA的RA6M5是一款采用Arm  Cortex-M33內(nèi)核的32位MCU，用于集成ROS。

RA6M5本身從低功耗低至107uA/MHz的閃存和大容量嵌入式RAM運(yùn)行CoreMark算法，非常適合機(jī)器人應(yīng)用，可以作為ROS節(jié)點(diǎn)間Pub/Sub信息傳輸?shù)耐ㄐ沤涌?如以太網(wǎng)、USB)。RA6M5還集成了以太網(wǎng)MAC和專用DMA，可以保證極致高數(shù)數(shù)據(jù)的吞吐量。RA6M5的生態(tài)系統(tǒng)得到了基于FreeRTOS的FSP的支持，保證了MCU具有很高的可擴(kuò)展性，可以使用其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)和中間件。

EK-RA6M5集成ROS框架使MCU能夠在ROS  2數(shù)據(jù)空間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化集成，運(yùn)行在Windows和Linux系統(tǒng)下的Renesas  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(gè)伺服系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供合適的電壓。

這一套EK-RA6M5的目的很明確，那就是簡化機(jī)器人的開發(fā)，降低機(jī)器人的開發(fā)成本，在RA  MCU和ROS合并的基礎(chǔ)上形成生態(tài)圈，吸引機(jī)器人廠商進(jìn)入市場，從而搶占機(jī)器人MCU的市場。這也是很多廠商選擇的做法。MCU在玩一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這次只是增加了ROS。當(dāng)然，玩生態(tài)的前提是單片機(jī)性能必須足夠優(yōu)秀。

為機(jī)器人應(yīng)用優(yōu)化單片機(jī)

當(dāng)然，也有不集成ROS的玩法。KE系列是恩智浦基于ARM內(nèi)核的操作控制MCU。KE系列沒有單獨(dú)為機(jī)器人應(yīng)用集成ROS框架，但解決了機(jī)器在惡劣電噪聲環(huán)境下的高可靠性和魯棒性問題。

KE的EMC  EMC和ESD保護(hù)功能對于工業(yè)應(yīng)用來說足夠重要。32位單片機(jī)一直在低電壓下運(yùn)行，在機(jī)器人控制中經(jīng)常受到惡劣電磁環(huán)境的限制。KE系列最重要的就是解決這個(gè)問題，用合適的藥解決機(jī)器人應(yīng)用中單片機(jī)的問題。

性能方面，KE系列高端MCU  ke1sf  MCU其實(shí)已經(jīng)足夠優(yōu)秀了。它通過運(yùn)行在168兆赫的高性能Arm  Cortex  -M4內(nèi)核提供5V解決方案。這一系列的8通道PWM和支持帶死區(qū)插入的功能可以使機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制非常精確，F(xiàn)lexIO也為串行通信接口的實(shí)現(xiàn)提供了靈活性。

除了針對應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行專門優(yōu)化外，KE實(shí)際上還具備浮點(diǎn)單元的數(shù)字信號(hào)處理能力，可以為機(jī)器控制算法和傳感器數(shù)據(jù)處理提供計(jì)算能力。這種方法不像整合ROS從宏觀角度抓住機(jī)會(huì)。

寫在最后

其實(shí)只是在性能方面，所有MCU廠商都有可以應(yīng)用于機(jī)器人的產(chǎn)品。以上兩個(gè)例子證實(shí)了單片機(jī)在機(jī)器人行業(yè)的應(yīng)用趨勢。一是在MCU性能足夠優(yōu)秀的情況下，為了搶占機(jī)器人市場，大廠商會(huì)與生態(tài)伙伴合作進(jìn)行ROS集成(當(dāng)然也可以自己做)。簡而言之，目的是搭建一個(gè)擁有完整武器庫的平臺(tái)，吸引機(jī)器人設(shè)計(jì)師入圈；其次，針對機(jī)器人應(yīng)用中的痛點(diǎn)，應(yīng)輔以MCU的特殊能力，提升其競爭力。

無論哪種方式，MCU廠商都希望趕上工業(yè)自動(dòng)化的浪潮，讓機(jī)器人發(fā)家致富。