人形機(jī)器人是目前最受市場(chǎng)關(guān)注的科技發(fā)展方向之一。人形機(jī)器人集機(jī)械、電氣控制、通信、AI于一體，是典型的多領(lǐng)域綜合技術(shù)。

人形機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的活動(dòng)，本質(zhì)上還是控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由電能轉(zhuǎn)化為可控的機(jī)械能。多自由度意味著多電機(jī)控制。瑞薩電子的RZ T2H產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)用一顆芯片，實(shí)現(xiàn)9個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制。

RZ T2H可以應(yīng)用于關(guān)節(jié)式機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、生產(chǎn)線上的AGV/AMR、PLC、CNC數(shù)控機(jī)床、柔性機(jī)器人等場(chǎng)景。

其性能如下：

四個(gè)Arm Cortex-A55核，最高頻率1.2GHz

每個(gè)CPU有32KB L1的I-Cache和D-Cache

共享1MB L3 Cache

內(nèi)置高精度（±1.0%）高速片上振蕩器

1.6V至5.5V的寬工作電壓范圍消除了在5V系統(tǒng)中使用電平轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器的需求

兩個(gè)Arm Cortex-R52核，最高頻率1GHz

每個(gè)CPU有16KB的L1 Cache

每個(gè)CPU有512KB ATCM和64KB BTCM

內(nèi)置高精度（±1.0%）高速片上振蕩器

1.6V至5.5V的寬工作電壓范圍消除了在5V系統(tǒng)中使用電平轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器的需求

對(duì)于外設(shè)：

內(nèi)置高精度（±1.0%）高速片上振蕩器

1.6V至5.5V的寬工作電壓范圍消除了在5V系統(tǒng)中使用電平轉(zhuǎn)換器/穩(wěn)壓器的需求

支持EtherCAT，Profinet RT/IRT， Ethernet I/P，CC link IE Basic，TSN， OPC UA over TSN等工業(yè)通信協(xié)議

圖1 RZ T2H框圖

瑞薩電子提供了一套9軸demo，其硬件框架如下：

圖2 RZ T2H 9軸展示硬件框圖

硬件包括：

1塊RZ T2H EVK板，9塊逆變板分別驅(qū)動(dòng)9個(gè)電機(jī)，1塊BUS母板用于接插逆變板。

圖3 RZ T2H 9軸展示軟件框圖

9軸展示的軟件框架為：

由R52_0核來(lái)控制9路電機(jī)，R52_1作為EtherCAT從站，從主站接收控制指令，并傳輸現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)到主站，4個(gè)A55核運(yùn)行Linux系統(tǒng)，和EtherCAT主站應(yīng)用內(nèi)軟件。由于T2H強(qiáng)大的多核異構(gòu)和外設(shè)能力，可以實(shí)現(xiàn)R核處理實(shí)時(shí)控制，而讓A核做復(fù)雜的主站控制，這種驅(qū)控一體的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

具體實(shí)施：

下圖是硬件接線實(shí)物圖。

圖4 RZ T2H 9軸實(shí)物圖

右側(cè)電機(jī)型號(hào)是多摩川TSM3101 N2001 E020，24V交流伺服電機(jī)。

左側(cè)是運(yùn)行在PC端的RZ/T2H Motion Control Utility，可以對(duì)9路電機(jī)分別采用電流環(huán)、位置環(huán)控制，也可以同時(shí)控制9路電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

A55與R52_1之間的EtherCAT通信，如下圖的示意。同時(shí)，還可以通過(guò)T2H的網(wǎng)口連接更多的EtherCAT Slave設(shè)備，組成子網(wǎng)。

圖5 EtherCAT通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

R52_0與R52_1核間通信采用OpenAMP或者RZ T2H自帶的Mailbox and Semaphore機(jī)制。當(dāng)然，OpenAMP也是基于RZ T2H Mailbox and Semaphore實(shí)現(xiàn)，該功能實(shí)現(xiàn)多核之間通信。

對(duì)于核間通信，數(shù)據(jù)Copy性能如下：

注：

測(cè)量1：發(fā)送端從0x101e0000拷貝16KB數(shù)據(jù)到共享地址 0x101a1000，non-cache操作。

測(cè)量2：接收端從共享地址0x101a1000拷貝16KB數(shù)據(jù)到0x101c0000，non-cache操作。

核間中斷是2us。

同時(shí)，如下圖所示，瑞薩提供了A55工作于Linux，一個(gè)R52核工作于FreeRTOS，另一個(gè)R52核工作于Baremetal下的數(shù)據(jù)共享例程。

圖6 豐富多樣的參考例程

Q

為什么一個(gè)R52核就可以控制9路電機(jī)？

A：得益于LLPP（Low-Latency Peripheral Port）總線和強(qiáng)大的外設(shè)。如下圖所示，兩個(gè)R52核可同時(shí)訪問(wèn)LLPP，且這兩個(gè)核的TCM容量較大，讓執(zhí)行程序在TCM中運(yùn)行，運(yùn)算和控制速度更快。

圖7 RZ T2H LLPP架構(gòu)

T2H系列的ELC（Event Link Contrller）功能，讓同步邏輯變得更加簡(jiǎn)單，代碼中無(wú)需通過(guò)中斷回調(diào)的方式去觸發(fā)，只用ELC硬件同步即可，代碼變得更加簡(jiǎn)單高效。

在9軸展示例程中，硬件上，CR52 CPU0通過(guò)LLPP總線訪問(wèn)9個(gè)GPT單元，進(jìn)而輸出用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)。9路SCIE接口采集9路增量編碼器信號(hào)，獲取電機(jī)位置信息，9路DSMIF接口采集電機(jī)的U/V/W 3相電流信號(hào)。

代碼內(nèi)部邏輯包含了PID控制算法、電流環(huán)控制算法、加速度、速度、位置計(jì)算、對(duì)控制臺(tái)命令協(xié)議的解析（如果不用控制臺(tái)，可以直接在代碼中固定相關(guān)參數(shù)）。對(duì)于電機(jī)控制用到的三角函數(shù)計(jì)算，RZ T2H有TFU單元（Trigonometric Function Unit），加速數(shù)學(xué)計(jì)算。