机器人系统可自动执行重复性任务，承担复杂而费力的作业，并在对人类有危险或有害的环境中工作。集成度更高、性能更强的微控制器 (MCU) 可实现更高的功率效率、更平稳安全的运动以及更高的精度，从而提高生产力和自动化水平。例如，更高的精度（有时在 0.1mm 以内）对于处理激光焊接、精密涂层或喷墨或 3D 打印的应用非常重要。

机械臂的轴数以及所需的控制架构类型（集中式或分布式）决定了适合该系统的 MCU 或电机控制集成电路 (IC)。现代工厂组合使用具有不同轴数和运动自由度（在 x、y 或 z 平面上移动和旋转）的机器人，以满足不同制造阶段的需求；因此，整个工厂车间采用不同的控制架构。

在选择 MCU 时，选择具有额外性能余量的 MCU 能够在未来实现可扩展性和支持附加功能。在设计过程中，提前规划可扩展性和附加功能也可以节省成本和时间，降低复杂性。

本文将探讨集中式和分布式（或称分散式）这两种电机控制架构，以及实现这两种架构的集成实时 MCU 的设计注意事项。

集中式架构

在集中式系统中，一个 MCU 用于控制多个轴。这种方法能在需要大型散热器和冷却风扇的较高功率电机驱动器（通常超过 2kW 至 3kW）中，有效解决散热问题。在此架构中，位置数据通常通过连接到编码器的旋转变压器板或聚合器从外部获取。

通常，在这种架构中，多个功率级位于同一 PCB 上或距离很近，因此一个 MCU 可以控制多个轴。这种方法简化了多轴之间的实时控制和同步，因为多个电机控制 MCU 之间不需要较长的通信线路。

集中式架构中的电机控制 MCU/MPU 需要具备高性能实时处理内核（如 R5F 内核或 DSP）、实时通信接口（如 EtherCAT）、充足的 PMW 通道以及用于电压和电流检测的外设。AM243x 等 MCU 可构建可扩展的多轴系统，为多达六个轴提供实时控制外设，并在单芯片中实现实时通信。

过去，FPGA 或 ASIC 器件主要用于自动化系统中的集中式电机控制。但是，基于 Arm Cortex 的现代 MCU（如 AM243x）近年来越来越受到青睐。这些 MCU 具有高集成度和成本效益，有助于设计人员满足其系统的性能要求，同时实现设计的可扩展性和灵活性。

虽然集中式控制架构可以满足重有效载荷工业机器人等大功率自动化系统的性能和效率设计要求，但这些系统需要使用额外电缆，连接机柜和关节的机械电机，以及位置传感器和聚合器。这些电线不仅成本高昂，而且容易磨损，需要维护。

图 1：适用于多轴系统的分散式电机控制架构的方框图

分散式或分布式架构

最近，分散式或分布式架构（图 2）在具有较低功耗要求的系统中越来越受欢迎，并已成为协作机器人机械手的标准方法。

分散式架构将多个单轴电机驱动集成到机器人的每个关节中，并通过 EtherCAT 等实时通信接口进行连接和同步。通常每个驱动控制一个轴，并在本地处理某些安全功能。因此，每个 MCU 都需要实时控制和通信功能、单轴电机控制外设、三到六个 PWM 通道、片上逐次逼近寄存器模数转换器或 Δ-Σ 调制器输入。

在这些应用中，位置传感器通常靠近 MCU ，因此这些 MCU 需要一个数字或模拟接口来读取位置传感器的数据。虽然这种架构需要更多的 MCU，但由于电源总线和通信接口之间的布线需求较少，因此可以大幅降低系统级成本。现代实时 MCU（如 F28P65x）不仅集成了所有必要的外设，还集成了安全外设，从而为分散式架构中的集成轴提供单芯片或双芯片解决方案，并以较小的尺寸实现高性能。

图 2：适用于单轴系统的分散式电机控制架构的方框图

结语

虽然电机在机器人领域可能并非当下最热门的选择（尤其是与支持人工智能的系统相比），但它们是维持工厂运转的“肌肉”，也是现代制造业中至关重要的部分，因此选择合适的控制器件时需要进行多番考量。随着这些器件集成度的提升，边缘计算和无线连接等附加功能可能会融入电机控制设计中。

关于扫地机器人

众所周知，清洁是一项既费时又费力的工作，稍微长时间的清洁会使人感到腰酸背痛。在科技高速发展的今天，智能扫地机器人已大量投入市场，并得到越来越多家庭的认可。扫地机器人，顾名思义，可以扫地的机器人！目前市面上扫地机的品牌非常多，机器的功能也是多种多样，但最基础功能都是扫地和吸尘。行业痛点包括以下几个方面：

1、扫地机路线的规划不智能

部分机器人具有较好的扫地路线规划功能;但有些产品的清扫计划则杂乱无章，前者虽然扫地慢，但清洁方位全;对后者，除了清洁遗漏之外，很多使用者反馈，有些产品来回清扫一个地方，而对有垃圾的地方则熟视无睹。

2、障碍物绕行能力差

扫地机器人一般都植入了传感器以感知并绕开障碍物，但部分产品可能是传感器选择及算法不到位，被困后通过反复撞击来尝试出路，呈现的是一幅无序的弱智路线。

3、清洁能力参差不齐

清洁能力与产品的售价成正关系，但也有不少产品虽然价格居中，却有着不错的清洁效果。但整体而言，所有扫地机器人的清洁能力还是深受边角、床边等场景影响，无法对这些场景做很好的清理工作;另一方面，对粉尘类的清洁，无论是优质产品还是一般产品，都无法做到人工的效果。

4、非故意“伤害”

扫地机器人是按照程序运转，自我识别能力差，对规划路径范围内的物件，都被认定为垃圾，比如小巧的玩具、线缆等。

我们的SWM341在扫地机器人应用上MCU硬件可以完美匹配。

华芯微特SWM341系列MCU硬件可以完美匹配扫地机功能所需资源，SWM341 内核采用 ARM Cortex-M33 控制器，片上包含精度为 1%以内的 20MHz/40MHz 时钟，可通过 PLL 倍频到 150MHz 时钟，提供内置 Flash（512KB）, SRAM（64KB），,此外还包括 1 个 32 位看门狗定时器， 5组32位加强型定时器， 12 组24位基础型定时器， 10 路独立通道 16 位的 PWM 发生器， 2 个共计20通道12位、 2.5MSPS的逐次逼近型 ADC 模块。外设串行总线包括多个UART接口、SPI 通信接口（支持主/从/I2S 模式选择）及 I2C接口（支持主/从选择）。支持LQFP64/LQPF100等多种不同封装选择，多路PWM支持单个芯片控制多个马达，为客户节省BOM成本。

SWM341系列MCU，多个技术亮点，可以为工程师解决行业痛点提供强有力保证：

1、具备高算力及高存储，有效保证处理实时性及数据存储

用户对房间进行建模，自定义房间大小数据，通过分析对路线进行最优化处理，然后将算法下载到扫地机上。SWM341具备浮点运算能力，可以提供高达150MHz主频，内置512KB Flash,34S系列还内置了8MB SDRAM，为客户提供高算力基础以及复杂智能算法的大数据存储基础。

2、具备丰富外设资源，单芯片提供整体解决方案

具备24路以上PWM，可以涵盖轮机控制，边刷、中扫、吸尘马达，以及各类信号发射及蜂鸣器等功能，20路ADC用于多项传感器监测，4个串口用于陀螺仪、超声、WIFI等模块通信。此外提供多个IO用于处理按键及显示部分。通过多传感器处理以及大容量数据存储，来优化对墙壁，台阶，电线等障碍物。

扫地机产品框图

瑞萨与eProsima携手，推动机器人技术在工业和物联网领域的应用；EK-RA6M5评估套件现已成为micro-ROS官方支持开发板

全球半导体解决方案供应商瑞萨电子集团（TSE：6723）与专注于中间件解决方案的SME公司eProsima，今日宣布，基于RA MCU的EK-RA6M5评估套件成为micro-ROS开发框架（适用于MCU的机器人操作系统）的官方支持硬件平台。瑞萨与micro-ROS框架的主要开发商eProsima携手，将micro-ROS移植到RA MCU中。

micro-ROS框架允许MCU在机器人操作系统（ROS）2数据空间中进行标准化集成，为嵌入式系统提供基于标准通信中间件的既定应用开发框架。将micro-ROS移植至瑞萨RA MCU中，有利于促进机器人开发框架在工业4.0和工业物联网的应用。可在Windows和Linux系统下运行的瑞萨e2 studio集成开发环境现在也支持micro-ROS的实现，将大幅简化micro-ROS客户端库的使用流程。

随着人们生活水平的日益提高，我国人口的老龄化也越来越明显，吸尘机器人作为服务机器人的一种，能够代替人进行清扫房间、车间、墙壁等一些简单劳动。

使服务机器人有了广阔的市场，已成为一些企业和科研院所研究的焦点。目前市场上的吸尘机器人虽然也具有智能性，但大多由于结构不尽合理、通用性差、集成度高而导致成本高，不利于普及。在研究总结市场上相对成熟产品的基础上，基于ARM Cortex-M3处理器设计一款具备自我导航功能的室内吸尘机器人。外形紧凑、结构简单、运行平稳、噪音小，并且成本低，操作方便，还具有可扩展接口，用户能够根据实际需要对其功能做进一步开发。

1、吸尘机器人总体构成
　　
利用ARM Cortex-M3处理器设计一款应用于室内的移动清洁机器人，主要任务是能够自主清扫房间，因此应该具备以下功能：
　　
（1）能正确判断机器人所处的房间和在房间中所处的方位；
（2）能正确检测出房间内的墙壁、家具等障碍物；
（3）在游历完所有房间完成清扫任务后能自主回到出发点，关机。

为了防止机器人在工作时出现堵转现象，并且能自由进入一些家具比如沙发、桌子等的底下，吸尘机器人不能太高，外形采用半圆柱形。底盘由四个轮子共同支撑，其中左右两侧为驱动轮，分别由两个微型直流电机直接驱动，前后两个万向轮起到支撑和导向的作用。采用碰撞、红外传感器、超声波等组成多传感器系统。在机器人的上方装有红外接收传感器，底盘边缘均匀分布装有接近传感器，用来检测障碍物；在机器人的前方装有碰撞传感器；前方和左右装有超声波测距传感器，用来检测周围环境。

总体框架设计如图1所示。

2、硬件主体设计
　　
硬件系统主要由ARM Cortex-M3处理器、传感器模块、电机驱动模块、人机交互模块、无线遥控发射模块组成。
　　
2.1 ARM Cortex-M3处理
　　
机器人控制系统的主要任务是根据传感器和编码器等反馈回来的数据，进行清扫路径规划，控制清扫、吸尘机构，完成各种控制动作。设计合适的人机接口，在LCD上显示机器人状态和运行时间。因此，机器人控制系统包括传感器模块，电机驱动模块，红外遥控接收模块、LED指示灯和液晶显示模块。采用ARM Cortex-M3处理器作为机器人控制系统的核心，主要是低成本、小管脚数和低功耗，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力，工作电流仅为50 mA.
　　
2.2电机模块
　　
分成小电机驱动电路和两路大功率驱动板，包括用于行走的两个小直流电机和用于吸尘的大功率无刷直流电机、扫地的直流滚刷电机、扫边角的直流边刷电机。因为电机分别决定机器人的行走路径和吸尘功率，所以设计了专门的驱动板，如图2所示。行走模块的设计对吸尘机器人避障规划有着至关重要的作用，我们将吸尘机器人设计成一个闭环控制，主要包括驱动电路和光电编码反馈电路。光电编码反馈电路通过计算反馈回来的脉冲数量和相位而得到当前的电机速度。芯片最高可以驱动25 V的电机，吸尘机器人里行走电机的工作电压为24 V，芯片的电压为5 V，芯片输出的PWM波转化成大电压PWM波控制电机。其极限参数如表1所示。
　　

接收头如果接收到38 kHz的红外脉冲就会返回输出低电平，否则就会输出高电平。通过对I/O口的检测，便可以判断物体的有无。这样一共可以检测14个方向，覆盖360°范围。机器人对前后的近距离障碍物都能检测，前进后退都能工作，这种由2个红外接收管组成测障传感器有效距离接近2 m，并且还能够在球非常近的范围内（10 cm内）读取障碍物距离结果（没有溢出）。

在机器人的左前、左后、右前、右后4个方位安装四个碰撞开关（常开），通过采集模拟口上电压值的变化，判断出其中的一个或几个碰撞开关闭合，从而检测出哪个方向有碰撞发生。

2.4人机交互模块

（1）液晶显示和键盘输入：两者配合使用可以设置机器人各种参数，如自主启动、设置工作时间等。
（2）无线遥控模块：红外遥控使机器人的使用更加方便简单，发射距离超过10 m，能满足需要。
　　
3、结语
　　
通过这样的硬件设计，清洁机器人控制系统，既能满足良好的实用性，还降低了成本，工作稳定可靠。机器人传感器模块能精确定位障碍物，通过软件策略能实现良好的避障。对将来家用服务机器人的研究与开发有着重要现实意义。