使用瑞萨电子RZ/T2H产品实现多关节机器人

人形机器人是目前最受市场关注的科技发展方向之一。人形机器人集机械、电气控制、通信、AI于一体，是典型的多领域综合技术。

人形机器人各个关节的活动，本质上还是控制电机转动，由电能转化为可控的机械能。多自由度意味着多电机控制。瑞萨电子的RZ T2H产品，可以实现用一颗芯片，实现9个自由度的运动控制。

RZ T2H可以应用于关节式机器人、协作机器人、生产线上的AGV/AMR、PLC、CNC数控机床、柔性机器人等场景。

其性能如下：

四个Arm Cortex-A55核，最高频率1.2GHz

每个CPU有32KB L1的I-Cache和D-Cache

共享1MB L3 Cache

内置高精度（±1.0%）高速片上振荡器

1.6V至5.5V的宽工作电压范围消除了在5V系统中使用电平转换器/稳压器的需求

两个Arm Cortex-R52核，最高频率1GHz

每个CPU有16KB的L1 Cache

每个CPU有512KB ATCM和64KB BTCM

内置高精度（±1.0%）高速片上振荡器

1.6V至5.5V的宽工作电压范围消除了在5V系统中使用电平转换器/稳压器的需求

对于外设：

内置高精度（±1.0%）高速片上振荡器

1.6V至5.5V的宽工作电压范围消除了在5V系统中使用电平转换器/稳压器的需求

支持EtherCAT，Profinet RT/IRT， Ethernet I/P，CC link IE Basic，TSN， OPC UA over TSN等工业通信协议

图1 RZ T2H框图

瑞萨电子提供了一套9轴demo，其硬件框架如下：

图2 RZ T2H 9轴展示硬件框图

硬件包括：

1块RZ T2H EVK板，9块逆变板分别驱动9个电机，1块BUS母板用于接插逆变板。

图3 RZ T2H 9轴展示软件框图

9轴展示的软件框架为：

由R52_0核来控制9路电机，R52_1作为EtherCAT从站，从主站接收控制指令，并传输现场运行数据到主站，4个A55核运行Linux系统，和EtherCAT主站应用内软件。由于T2H强大的多核异构和外设能力，可以实现R核处理实时控制，而让A核做复杂的主站控制，这种驱控一体的应用设计。

具体实施：

下图是硬件接线实物图。

图4 RZ T2H 9轴实物图

右侧电机型号是多摩川TSM3101 N2001 E020，24V交流伺服电机。

左侧是运行在PC端的RZ/T2H Motion Control Utility，可以对9路电机分别采用电流环、位置环控制，也可以同时控制9路电机旋转。

A55与R52_1之间的EtherCAT通信，如下图的示意。同时，还可以通过T2H的网口连接更多的EtherCAT Slave设备，组成子网。

图5 EtherCAT通信拓扑结构

R52_0与R52_1核间通信采用OpenAMP或者RZ T2H自带的Mailbox and Semaphore机制。当然，OpenAMP也是基于RZ T2H Mailbox and Semaphore实现，该功能实现多核之间通信。

对于核间通信，数据Copy性能如下：

注：

测量1：发送端从0x101e0000拷贝16KB数据到共享地址 0x101a1000，non-cache操作。

测量2：接收端从共享地址0x101a1000拷贝16KB数据到0x101c0000，non-cache操作。

核间中断是2us。

同时，如下图所示，瑞萨提供了A55工作于Linux，一个R52核工作于FreeRTOS，另一个R52核工作于Baremetal下的数据共享例程。

图6 丰富多样的参考例程

Q

为什么一个R52核就可以控制9路电机？

A：得益于LLPP（Low-Latency Peripheral Port）总线和强大的外设。如下图所示，两个R52核可同时访问LLPP，且这两个核的TCM容量较大，让执行程序在TCM中运行，运算和控制速度更快。

图7 RZ T2H LLPP架构

T2H系列的ELC（Event Link Contrller）功能，让同步逻辑变得更加简单，代码中无需通过中断回调的方式去触发，只用ELC硬件同步即可，代码变得更加简单高效。

在9轴展示例程中，硬件上，CR52 CPU0通过LLPP总线访问9个GPT单元，进而输出用于驱动电机的PWM信号。9路SCIE接口采集9路增量编码器信号，获取电机位置信息，9路DSMIF接口采集电机的U/V/W 3相电流信号。

代码内部逻辑包含了PID控制算法、电流环控制算法、加速度、速度、位置计算、对控制台命令协议的解析（如果不用控制台，可以直接在代码中固定相关参数）。对于电机控制用到的三角函数计算，RZ T2H有TFU单元（Trigonometric Function Unit），加速数学计算。