从保守到开放，机器人如何选择关节驱动器

工业机器人发展到现在，细分的种类不在少数，目前最为常见的是Delta机器人、SCARA机器人、多关节机器人以及新兴的协作机器人。随着国内制造业升级，相当多此前工业机器人未曾涉足的场景开始涌现自动化改造需求。在这些新的改造需求里，大都和多关节机器人与协作机器人有关。这些名称不同应用场景不同的工业机器人，说到底仍然是一种多关节机械手或多自由度的机器装置。
 
既然是多关节机械手或多自由度的机器装置，那么就离不开伺服驱动。不管工业机器人如何发展如何与其他技术结合，它的伺服驱动决定了它最基础的运动能力。低成本通用的伺服驱动就不多提了，这个市场上产品太多太多，只要能满足基本的控制要求就行，剩下的就是打价格战。换作现在开始起量的多关节多自由度机器人，它对驱动能力的要求更考验驱控芯片的整体性能。
 
STM32G4与STM32F4
 
单芯片仍然是国内做工业机器人关节驱动最常见的方案，在这里STM32G4是一个备受大家认可的选择。STM32G4系列作为一个混合信号MCU，自带了DSP和FPU指令。
 

（图源：ST）

 
ST的各个系列想必大家已经不陌生了，主流系列都有适配机器人关节驱动的产品。而STM32G4系列170 MHz的32位Arm Cortex-M4内核不仅支持DSP指令与FPU，还配置了ART Accelerator、CCM-SRAM程序执行加速器以及数学运算加速器这三款硬件加速器。
 
这里拎一款G4系列高性能的MCU来看。STM32G473xC属于G4系列里的高配型，除了支持所有Arm单精度数据处理指令和所有数据类型，还配置了内存保护单元（MPU）以确保应用程序的安全性。
 
高配版除了嵌入了更大容量的高速存储器（512KB闪存与128KB SRAM），ST还在这个系列里加入了多种保护机制，如读出保护、写入保护、安全存储区域和专有代码读出保护。功能强大的指令集与存储的嵌入，极大加快处理能力。这些显然还不够，STM32G473xC还提供了五个快速12bit ADC、七个比较器、六个运算放大器、七个DAC、一个内部电压基准缓冲器、一个低功耗RTC、两个三个通用32位定时器、三个专用于电机控制的16位PWM定时器、七个通用16位定时器和一个16位低功耗定时器。所有的配置，都只为了一个目标——精准的电机控制。
 
F4系列可能比G4系列更为机器人工程师熟知。作为ST旗下高性能MCU的代表系列，在国内外很多机器人应用中都已经证明了它自身出色的实力。在以前机器人芯片应用较为保守的阶段，F4系列无疑是口碑与性能俱佳的选择。
 
F4系列同样采用了Arm Cortex-M4内核，而且同样带有DSP与FPU指令，与G4系列不同的是它采用了ST的NVM工艺。在最高180 MHz的工作频率下通过闪存执行时其处理性能达到225 DMIPS/608 CoreMark，用ST自己的话来描述这一性能是这样的，“这是迄今所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高基准测试分数”。
 
STM32F469xx是F4系列里高端产品，除开更高的主频，它嵌入的高速存储器中，闪存就高达2 MB，SRAM则高达384 KB，这还不算上备份SRAM。F4本身优异的性能就能胜任关节驱动，如果机器人对功能可拓展性要求更高，那么用F4加上FPGA组成异构架构也是常见的做法。
 
Zynq-7000 SoC
 
XILINX集成ARM处理器软件可编程性与FPGA硬件可编程性的Zynq-7000在多轴控制上可以说风头正劲。不想做DSP加FPGA这么麻烦的话这个方案就是最好的选择，只要厂商“不差钱”。
 

（图源：XILINX）

 
Zynq-7000集成了双核ARM Cortex-A9处理器与28nm可编程逻辑，比起传统的分立式处理器和FPGA系统，在功耗和性能上都有大的提升。根据XILINX给出的数据，ARM Cortex-A9比同类SoC处理性能上快25%，FPGA逻辑比同类竞争架构快66%，而功耗则比同类方案低了50%以上。
 
采用CoreSight技术的双核A9支持单精度与双精度浮点，运行速率高达1GHz，拔群的性能与低功耗的结合罕有对手。存储器系统也是大得吓人，且不说集成式的存储控制器，光512KB的高速缓存已经够大了，片上的256KB存储又容纳了整个实时操作系统。
 
这类器件中处理系统和可编程逻辑之间的互连是极其关键的。Zynq-7000使用了AMBA开放标准互联端口，PS与PL之间带宽高达100Gb/s，且64位AXI ACP端口为附加的软处理器实现了增强的硬件加速性能和缓存一致性。为了实现大量并行信号的处理，Zynq-7000中有着超过2020个DSP模块。
 
如果对视觉的要求没有那么高，Zynq-7000s也不失为一个没有那么贵的选择。单核ARM Cortex-A9处理器加上28nm可编程逻辑，对于多轴控制也足够了。
 
小结
 
随着国内工业机器人厂商的增多，机器人厂商都开始寻求最适合自己的主控芯片，这不仅要考虑性能，功能，还有成本等多方面因素。所以以前保守的厂商现在也都愿意尝试一下不同的芯片。今天列出的仅仅是机器人关节驱动芯片里的两个为人熟知的系列，在这个应用领域里，还大有优秀的产品值得挖掘。