摘要 ：隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求日益嚴(yán)苛。本文聚焦于基于先進(jìn)MCU（微控制單元）的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，深入剖析其理論基礎(chǔ)、實(shí)踐方法與前沿技術(shù)。以國科安芯的MCU芯片AS32A601為例，全面闡述其在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的卓越性能與廣泛應(yīng)用前景，旨在為機(jī)器人技術(shù)在多領(lǐng)域的深化發(fā)展提供有力支撐。

關(guān)鍵詞 ：MCU；機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制；AS32A601；前沿技術(shù)

一、引言

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為機(jī)器人技術(shù)的核心，直接決定了機(jī)器人的工作精度、效率與穩(wěn)定性。在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療康復(fù)、物流搬運(yùn)等眾多領(lǐng)域，高效精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)成為推動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用的關(guān)鍵。先進(jìn)MCU憑借其強(qiáng)大的處理能力、豐富的外設(shè)資源與可靠的安全特性，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的升級(jí)革新提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論

（一）運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模

運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究機(jī)器人關(guān)節(jié)位置、速度和加速度之間的幾何關(guān)系，通過建立關(guān)節(jié)空間到笛卡爾空間的映射模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的精確控制。例如，對(duì)于六自由度工業(yè)機(jī)器人，可通過DH（Denavit - Hartenberg）參數(shù)法建立各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，推導(dǎo)出末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)方程，從而實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。動(dòng)力學(xué)建模則考慮了機(jī)器人的質(zhì)量和慣性等物理屬性，用于分析機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況。采用拉格朗日方法建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程，能夠準(zhǔn)確描述機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性，為運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

（二）運(yùn)動(dòng)控制算法

傳統(tǒng)PID控制 ：PID控制算法以其簡單的結(jié)構(gòu)和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。通過調(diào)整比例、積分和微分參數(shù)，PID控制器能夠?qū)崟r(shí)修正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)偏差，使機(jī)器人快速準(zhǔn)確地跟蹤期望軌跡。例如，在機(jī)器人的關(guān)節(jié)位置控制中，PID控制器根據(jù)設(shè)定位置與實(shí)際位置的偏差，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的精準(zhǔn)定位。

滑模變結(jié)構(gòu)控制 ：滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種基于切換控制律的非線性控制方法。它通過在滑模面上的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人系統(tǒng)具有快速響應(yīng)、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)。該方法能夠有效地解決機(jī)器人系統(tǒng)的不確定性和非線性問題，提高運(yùn)動(dòng)控制的精度和穩(wěn)定性。例如，在機(jī)器人的力控操作中，滑模變結(jié)構(gòu)控制器能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整控制輸入，使機(jī)器人在接觸未知?jiǎng)偠鹊奈矬w時(shí)，依然保持穩(wěn)定的力輸出。

自適應(yīng)控制 ：自適應(yīng)控制通過實(shí)時(shí)估計(jì)機(jī)器人的系統(tǒng)參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性，自動(dòng)調(diào)整控制律，以適應(yīng)機(jī)器人在不同工作環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)需求。例如，基于模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）的機(jī)器人控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)調(diào)整控制器參數(shù)，以適應(yīng)機(jī)器人負(fù)載變化、摩擦特性和關(guān)節(jié)柔度等因素變化，確保機(jī)器人在各種工況下都能保持良好的運(yùn)動(dòng)控制性能。

三、基于AS32A601MCU的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

（一）MCU選型與性能分析

AS32A601基于32位RISC-V指令集，具有工作頻率高達(dá)180MHz、內(nèi)置512KiB SRAM和大容量Flash存儲(chǔ)器等優(yōu)勢。其自研E7內(nèi)核帶有硬件FPU和L1Cache，能夠?qū)崿F(xiàn)零等待訪問嵌入式Flash與外部內(nèi)存，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法的高效運(yùn)行提供了強(qiáng)大的計(jì)算支持。例如，在進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，AS32A601的高速處理能力能夠確保實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)得以快速完成。此外，該MCU符合AEC-Q100grade1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，具備高可靠性和抗干擾能力，適用于工業(yè)和汽車等復(fù)雜惡劣環(huán)境下的機(jī)器人應(yīng)用。

（二）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

處理器模塊 ：以AS32A601為核心處理器，通過其AXI總線架構(gòu)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)存儲(chǔ)器及外設(shè)模塊的高效數(shù)據(jù)交互。利用其8級(jí)雙發(fā)射流水線和動(dòng)態(tài)分支預(yù)測技術(shù)，提高指令執(zhí)行效率，滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)處理需求。例如，在機(jī)器人多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制中，處理器能夠快速接收各關(guān)節(jié)傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，及時(shí)發(fā)出控制指令，確保各關(guān)節(jié)動(dòng)作的同步性。

存儲(chǔ)系統(tǒng) ：AS32A601內(nèi)置的512KiB SRAM可用于存儲(chǔ)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法中的臨時(shí)數(shù)據(jù)和變量，而大容量的Flash存儲(chǔ)器則用于存放控制軟件、運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)和機(jī)器人模型參數(shù)等。其支持的ECC校驗(yàn)功能能夠有效保障存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性，避免因存儲(chǔ)錯(cuò)誤導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)控制失誤。例如，在機(jī)器人長時(shí)間運(yùn)行過程中，ECC校驗(yàn)機(jī)制能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正存儲(chǔ)器中的錯(cuò)誤位，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

通信接口模塊 ：為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與上位機(jī)、傳感器和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)配備了多種通信接口。包括6路SPI，用于與外部傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)傳輸；4路CAN接口，支持CANFD協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的可靠通信；4路USART模塊，滿足與調(diào)試設(shè)備或其他串口通信節(jié)點(diǎn)的連接需求；1個(gè)以太網(wǎng)MAC模塊，支持10/100M模式，為機(jī)器人提供了高速網(wǎng)絡(luò)通信能力，便于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。例如，在工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線中，通過CAN接口與PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人工作狀態(tài)的集中監(jiān)控和管理。

（三）電源管理與安全設(shè)計(jì)

電源管理 ：AS32A601MCU支持4種電源管理模式，可根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)靈活切換。在運(yùn)行模式下，CPU全速運(yùn)行以滿足實(shí)時(shí)控制需求；在低速運(yùn)行模式下，通過關(guān)閉部分高頻時(shí)鐘源，降低功耗；而在停止模式和待機(jī)模式下，可進(jìn)一步關(guān)閉CPU時(shí)鐘和大多數(shù)電源域，僅保留必要的備份域設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。同時(shí)，其低電壓檢測和復(fù)位功能以及高電壓檢測功能能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電源電壓，確保系統(tǒng)在異常電壓情況下可靠復(fù)位，保障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全運(yùn)行。例如，在移動(dòng)機(jī)器人電池電量較低時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)切換至低功耗模式，延長機(jī)器人的工作時(shí)間。

安全機(jī)制 ：針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高安全性要求，AS32A601采用了多種安全設(shè)計(jì)措施。例如，通過延遲鎖步方法保證內(nèi)核操作的安全性；利用端到端ECC保護(hù)存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)路徑的安全；借助多個(gè)分立的CMU監(jiān)控時(shí)鐘信號(hào)；以及通過PMU與ADC配合進(jìn)行電源監(jiān)控等。此外，其還具備故障收集單元和FDU等機(jī)制，能夠及時(shí)收集和處理系統(tǒng)中的錯(cuò)誤事件，防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)散，確保機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。例如，在機(jī)器人手術(shù)輔助系統(tǒng)中，這些安全機(jī)制能夠有效防止因硬件故障導(dǎo)致的手術(shù)失誤，保障患者的安全。

（四）開發(fā)軟件環(huán)境搭建

采用IAR提供的IAR Embedded Workbench for RISC-V，該IDE支持RISC-V指令集的代碼編輯、編譯、調(diào)試和燒錄等功能。結(jié)合GNU Compiler Collection（GCC）等開源編譯工具，能夠?yàn)?a target="_blank">開發(fā)者提供高效穩(wěn)定的代碼開發(fā)平臺(tái)。例如，開發(fā)者可以利用IDE的調(diào)試功能，實(shí)時(shí)查看程序變量的值和運(yùn)行狀態(tài)，快速定位并修復(fù)代碼中的錯(cuò)誤。

四、基于AS32A601MCU的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用

（一）工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制應(yīng)用

系統(tǒng)集成與調(diào)試 ：以AS32A601MCU為核心的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)，通過與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器等設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的精確控制。在系統(tǒng)集成過程中，對(duì)硬件電路和軟件算法進(jìn)行了仔細(xì)的調(diào)試和優(yōu)化，確保各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制精度和響應(yīng)速度滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。例如，在機(jī)器人的焊接操作中，通過對(duì)關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的調(diào)試，確保焊接火炬能夠以穩(wěn)定的軌跡和速度進(jìn)行焊接作業(yè)，提高焊接質(zhì)量。

（二）移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用

通過以太網(wǎng)通信接口，多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)共享位置、速度和任務(wù)狀態(tài)等信息，根據(jù)協(xié)同控制策略進(jìn)行任務(wù)分配和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。例如，在多機(jī)器人協(xié)作搬運(yùn)大型物體的場景中，各機(jī)器人通過精確的速度和位置同步控制，實(shí)現(xiàn)物體的平穩(wěn)搬運(yùn)，提高了工作效率和任務(wù)完成質(zhì)量。在大型風(fēng)電葉片的搬運(yùn)過程中，多臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人通過協(xié)同控制，能夠精確地將葉片從生產(chǎn)車間搬運(yùn)至存儲(chǔ)區(qū)域，避免了人工搬運(yùn)的高風(fēng)險(xiǎn)和低效率。

五、基于先進(jìn)MCU的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制前沿技術(shù)探索與展望

針對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，通過功能安全分析和評(píng)估，制定相應(yīng)的安全措施和設(shè)計(jì)策略。例如，采用冗余設(shè)計(jì)方法對(duì)關(guān)鍵傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行備份，確保在單一組件故障時(shí)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行；通過安全監(jiān)控機(jī)制實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和系統(tǒng)參數(shù)，及時(shí)檢測并處理故障，防止系統(tǒng)失控造成安全事故。結(jié)合AS32A601MCU的安全特性，能夠有效提升機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能安全等級(jí)，滿足更高安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。例如，在機(jī)器人在核電站放射性環(huán)境監(jiān)測任務(wù)中，冗余設(shè)計(jì)的傳感器和執(zhí)行器能夠確保機(jī)器人在部分設(shè)備故障的情況下，依然能夠穩(wěn)定地執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)，保障核電站的安全運(yùn)行。

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的日益復(fù)雜，深入研究和應(yīng)用先進(jìn)MCU與前沿技術(shù)的融合創(chuàng)新，將為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶來更廣闊的發(fā)展空間。未來，可進(jìn)一步探索AS32A601在機(jī)器人領(lǐng)域的深度應(yīng)用，如與新型傳感器技術(shù)的結(jié)合、在更復(fù)雜機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的應(yīng)用以及與云計(jì)算、邊緣計(jì)算的協(xié)同等，以推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)向更高水平邁進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)智能制造和智能社會(huì)的發(fā)展目標(biāo)提供有力支持。

審核編輯 黃宇