工業(yè)機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在，細(xì)分的種類不在少數(shù)，目前最為常見的是Delta機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、多關(guān)節(jié)機(jī)器人以及新興的協(xié)作機(jī)器人。隨著國內(nèi)制造業(yè)升級(jí)，相當(dāng)多此前工業(yè)機(jī)器人未曾涉足的場(chǎng)景開始涌現(xiàn)自動(dòng)化改造需求。在這些新的改造需求里，大都和多關(guān)節(jié)機(jī)器人與協(xié)作機(jī)器人有關(guān)。這些名稱不同應(yīng)用場(chǎng)景不同的工業(yè)機(jī)器人，說到底仍然是一種多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置。

既然是多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，那么就離不開伺服驅(qū)動(dòng)。不管工業(yè)機(jī)器人如何發(fā)展如何與其他技術(shù)結(jié)合，它的伺服驅(qū)動(dòng)決定了它最基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)能力。低成本通用的伺服驅(qū)動(dòng)就不多提了，這個(gè)市場(chǎng)上產(chǎn)品太多太多，只要能滿足基本的控制要求就行，剩下的就是打價(jià)格戰(zhàn)。換作現(xiàn)在開始起量的多關(guān)節(jié)多自由度機(jī)器人，它對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求更考驗(yàn)驅(qū)控芯片的整體性能。

STM32G4與STM32F4

單芯片仍然是國內(nèi)做工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)最常見的方案，在這里STM32G4是一個(gè)備受大家認(rèn)可的選擇。STM32G4系列作為一個(gè)混合信號(hào)MCU，自帶了DSP和FPU指令。

ST的各個(gè)系列想必大家已經(jīng)不陌生了，主流系列都有適配機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品。而STM32G4系列170 MHz的32位Arm Cortex-M4內(nèi)核不僅支持DSP指令與FPU，還配置了ART Accelerator、CCM-SRAM程序執(zhí)行加速器以及數(shù)學(xué)運(yùn)算加速器這三款硬件加速器。

這里拎一款G4系列高性能的MCU來看。STM32G473xC屬于G4系列里的高配型，除了支持所有Arm單精度數(shù)據(jù)處理指令和所有數(shù)據(jù)類型，還配置了內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）以確保應(yīng)用程序的安全性。

高配版除了嵌入了更大容量的高速存儲(chǔ)器（512KB閃存與128KB SRAM），ST還在這個(gè)系列里加入了多種保護(hù)機(jī)制，如讀出保護(hù)、寫入保護(hù)、安全存儲(chǔ)區(qū)域和專有代碼讀出保護(hù)。功能強(qiáng)大的指令集與存儲(chǔ)的嵌入，極大加快處理能力。這些顯然還不夠，STM32G473xC還提供了五個(gè)快速12bit ADC、七個(gè)比較器、六個(gè)運(yùn)算放大器、七個(gè)DAC、一個(gè)內(nèi)部電壓基準(zhǔn)緩沖器、一個(gè)低功耗RTC、兩個(gè)三個(gè)通用32位定時(shí)器、三個(gè)專用于電機(jī)控制的16位PWM定時(shí)器、七個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)16位低功耗定時(shí)器。所有的配置，都只為了一個(gè)目標(biāo)——精準(zhǔn)的電機(jī)控制。

F4系列可能比G4系列更為機(jī)器人工程師熟知。作為ST旗下高性能MCU的代表系列，在國內(nèi)外很多機(jī)器人應(yīng)用中都已經(jīng)證明了它自身出色的實(shí)力。在以前機(jī)器人芯片應(yīng)用較為保守的階段，F(xiàn)4系列無疑是口碑與性能俱佳的選擇。

F4系列同樣采用了Arm Cortex-M4內(nèi)核，而且同樣帶有DSP與FPU指令，與G4系列不同的是它采用了ST的NVM工藝。在最高180 MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行時(shí)其處理性能達(dá)到225 DMIPS/608 CoreMark，用ST自己的話來描述這一性能是這樣的，“這是迄今所有基于Cortex-M內(nèi)核的微控制器產(chǎn)品所達(dá)到的最高基準(zhǔn)測(cè)試分?jǐn)?shù)”。

STM32F469xx是F4系列里高端產(chǎn)品，除開更高的主頻，它嵌入的高速存儲(chǔ)器中，閃存就高達(dá)2 MB，SRAM則高達(dá)384 KB，這還不算上備份SRAM。F4本身優(yōu)異的性能就能勝任關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，如果機(jī)器人對(duì)功能可拓展性要求更高，那么用F4加上FPGA組成異構(gòu)架構(gòu)也是常見的做法。

Zynq-7000 SoC

XILINX集成ARM處理器軟件可編程性與FPGA硬件可編程性的Zynq-7000在多軸控制上可以說風(fēng)頭正勁。不想做DSP加FPGA這么麻煩的話這個(gè)方案就是最好的選擇，只要廠商“不差錢”。

Zynq-7000集成了雙核ARM Cortex-A9處理器與28nm可編程邏輯，比起傳統(tǒng)的分立式處理器和FPGA系統(tǒng)，在功耗和性能上都有大的提升。根據(jù)XILINX給出的數(shù)據(jù)，ARM Cortex-A9比同類SoC處理性能上快25%，F(xiàn)PGA邏輯比同類競(jìng)爭(zhēng)架構(gòu)快66%，而功耗則比同類方案低了50%以上。

采用CoreSight技術(shù)的雙核A9支持單精度與雙精度浮點(diǎn)，運(yùn)行速率高達(dá)1GHz，拔群的性能與低功耗的結(jié)合罕有對(duì)手。存儲(chǔ)器系統(tǒng)也是大得嚇人，且不說集成式的存儲(chǔ)控制器，光512KB的高速緩存已經(jīng)夠大了，片上的256KB存儲(chǔ)又容納了整個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

這類器件中處理系統(tǒng)和可編程邏輯之間的互連是極其關(guān)鍵的。Zynq-7000使用了AMBA開放標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)端口，PS與PL之間帶寬高達(dá)100Gb/s，且64位AXI ACP端口為附加的軟處理器實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的硬件加速性能和緩存一致性。為了實(shí)現(xiàn)大量并行信號(hào)的處理，Zynq-7000中有著超過2020個(gè)DSP模塊。

如果對(duì)視覺的要求沒有那么高，Zynq-7000s也不失為一個(gè)沒有那么貴的選擇。單核ARM Cortex-A9處理器加上28nm可編程邏輯，對(duì)于多軸控制也足夠了。

小結(jié)

隨著國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人廠商的增多，機(jī)器人廠商都開始尋求最適合自己的主控芯片，這不僅要考慮性能，功能，還有成本等多方面因素。所以以前保守的廠商現(xiàn)在也都愿意嘗試一下不同的芯片。今天列出的僅僅是機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)芯片里的兩個(gè)為人熟知的系列，在這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域里，還大有優(yōu)秀的產(chǎn)品值得挖掘。