机器人开发套件：从构建模块到完整平台

全球机器人市场目前估值约为800亿美元，预计未来十年将有强劲增长。推动这一增长的领域包括工业人工智能驱动的自动化、物流与仓储、医疗保健、农业和国防等。

机器人原型设计使设计师能够测试基础机器人平台以及所需的传感器和数据采集。软硬件验证可以分步进行，识别缺陷、修正错误，并对最终机器人的需求进行改进。快速原型制作可以通过包含部分关键构建模块的开发套件完成。

机器人原型制作

许多因素有助于加快机器人原型制作速度。这些因素包括模块化、灵活性、使用商用现成（COTS）组件以及开源平台。通过开源平台实现协作开发，开发者进入门槛降低，从而节省时间和成本，并使用执行器、控制器和传感器等COTS（执行器、控制器和传感器）组件，从而节省时间和成本。

模块化是加速设计和开发的关键。每个模块可以是独立元件，如处理单元、执行器、传感器或通信接口。模块化设计实现即插即用开发，确保兼容性和集成便利性。通过使这些单元易于更换，设计师在为不同应用重新配置系统时拥有更大的灵活性，允许快速迭代和适应，并实现从简单任务扩展到更复杂任务。

此外，云和物联网数据集成使不同团队能够实时分析从边缘物联网传感器收集的数据，并同步更新数字模型、软件接口和硬件。仿真使工程师能够在虚拟环境中测试设计、训练人工智能并调试控制系统。

随着机器人变得更加适应性强、响应迅速、紧凑且机动性强，机器人设计也在不断发展。这需要在设计的各个方面采用新的方法。一些例子包括：

• 更小、更安静、更精准的电机控制，内置故障检测和快速控制环路，确保低延迟

• 在性能与功耗/热预算之间实现平衡（使用宽禁带半导体和新型封装方案可以改善这些权衡）

• 车载能源管理与快充

• 基于边缘人工智能的感知和数据处理，实现更快且本地化的决策

• 跨所有系统层的连接，从传感器到车队协调

• 符合IEC 60730和IEC 61508指南的功能安全，内置自测、冗余和容错能力

让我们看看几个商业化的机器人开发平台。这些评估设计和演示，从构建模块到平台，使开发者能够在降低开发时间的同时评估机器人解决方案。

灵巧手控制系统

瑞萨电子公司的Dexterous Hand解决方案是机器人构建模块的典范，具有多功能性和可升级性，适合初学者到高级机器人开发者。它配备了六个气动气缸和执行器，可以独立精确控制五根手指。第三方传感器也可以轻松集成。直观的图形界面提供实时反馈。该机械臂可用于假肢、工业自动化或机器人研究。

Dexterous Hand 利用基于 Arm 的 RZ/V2H 微处理器（MPU）和专有的 AI 加速器，实现精准的手指移动。AI推断可以在无需主动冷却的情况下完成。

将微型机器人操作系统（ROS）直接集成到微控制器（MCU）中，实现基于ROS-2的机器人生态系统内的通信。这种方法避免使用笨重的处理器，打造出紧凑且节能的设计，同时兼具实时性能的优势。

通信通过CAN-FD协议完成。这为传感器和执行器提供了高速、高保真度的接口。

基础系统可增强 AI 视觉，包含 Renesas Vision AI MPU，实现基于手势的控制。该扩展运行于 Ubuntu 24.04 和 ROS 2 Jazzy 上，配备摄像头输入，识别超过 20 个手势指令并相应控制机器人手。基于 DRP-AI 的 AI 加速器，提供高达 80 TOPS（稀疏）功能，支持实时物体检测、分割，并发布关键点如边界框。模块化设计便于扩展传感器集成，支持自适应握把、触觉感知和环境交互等高级功能。

瑞萨还提供许多其他机器人参考设计。其中一些著名的包括：

• 一台双轴机械臂，采用两相步进电机和解析器实现高精度运动，速度可达250毫米/秒

• 基于ROS的机器人身体控制器，可控制多个伺服机，内置降压控制器以驱动伺服机

• 一款基于RZ/V2H处理器的机器人开发套件，支持多操作系统操作和具备AI图像处理的机器人原型

• 基于处理器的RZ/T2H九轴电机控制参考设计，由三块（评估板、总线板和逆变板）组成，这些板块连接起来，使得用单一RZ-T2H控制无刷直流（BLDC）电机

IMR开发平台

飞凌科技股份公司的移动机器人（IMR）是一个综合开发平台，专注于自主移动机器人（AMR）应用。AMR采用自主测绘和导航，利用多种传感器实现障碍物规避。

开发平台包含多个关键子系统，包括主控、电机控制、电池管理系统（BMS）和飞行时间导航（ToF）。

一台 Arm Cortex-M4 32 位 XMC4700 MCU，主频 144 MHz，最高支持 2 MB 闪存，是 IMR 的中央控制枢纽。包含MCU的主控制器演示板还配备了TLE9351BVSJ高速CAN收发器。该演示平台使用1 Mbits/s的数据速率，用于发送与电机控制、BMS和电力分配相关的消息。

高级控制单元可以与主控制器接口。这些模块涵盖了从树莓派4到英伟达Jetson计算模块。树莓派开发套件内置了英飞凌Wi-Fi蓝牙组合芯片，实现了集成易用性。采用英伟达平台的全球监管认证模块节省了开发时间和终端用户认证成本。Jetson模块的高性能人工智能处理可用于先进的自主机器人开发，包括类人机器人。

电机控制板的工作电压范围为18至60 V，具备选择基于MOTIX IMD701A单电机或基于PSOC C3P双电机的灵活性。IMD701A集成了XMC1404臂Cortex-M0微控制器与6EDL7141 60伏三相智能门驱动器。

这种超紧凑设计包含了完整的电源系统，从降压转换器、电流感应放大器到保护装置。低R音DS（开）80伏OptiMOS 6功率场效应晶体效应晶体联体（FET）提供了更高的效率、安全的工作区域和175°C的温度等级。

该板设计用于驱动单个BLDC或步进电机，最大连续输出功率为150瓦。基于XENSIV系列的多种传感能力包括编码器、霍尔传感器和电流传感器。控制策略基于经典的空间矢量脉宽调制和场向控制。

基于PSOC的电机控制可驱动同步双光直流电机，每侧最大持续功率输出为1千瓦。ModusToolbox Motor Suite 提供了一个图形界面，方便可视化电机参数及其性能。

BMS基于PSOC 62双核Arm Cortex-M4和Arm Cortex-M0+控制器。功能包括先进的电池单元监测与平衡，包括充电状态和健康状态安全检查、温度管理以及CAN接口。它由12S电池单元组成，标称电压为44.4 V，BMS可处理1C和5C的充放电速率，电压范围为30至50.4 V。100伏OptiMOS 5线性FET 2提供最佳保护，包括在拆板/更换时的热插拔。BMS配备了SEMPER NOR闪存用于数据存储，据称是首款具备功能安全的NOR闪存。OPTIGA Authenticate S芯片提供先进的安全性。

智能机器人可以利用传感器和同步定位与制图（SLAM）生成环境地图。最终的结果是一个平面图，例如可以用来创造地板清洁图案或有限空间。SLAM使用深度传感器ToF相机生成高分辨率三维图像，通常比激光距离传感器（LDS）模块更小更纤薄。基于点的SLAM使用ToF摄像机提供隐式的场景深度信息，计算能力低于基于单色或彩色摄像机的视觉SLAM系统。

SLAM系统的两个主要目标——低横向分辨率的可靠长距离信息，以及高分辨率的短距离障碍物规避/悬崖检测——可能存在相互矛盾的需求。英飞凌及其合作伙伴开发了一款创新的混合动力ToF（hToF），满足这两项要求。

REAL3 hToF 结合了单个 ToF 图像传感器和两个照明源：

• 均匀高分辨率泛光照明，适合创建3D深度图和避障

• 每个光点高功率的点栅照明以产生长距离SLAM

两种照明均采用940纳米的红外波长，相机在两种光源下均实现了<1%的深度精度。泛光照明范围为0.05至2米，视野（FoV）为100°×45°，而局部照明范围为0.1至8米，视野范围为100°×21°。hToF在所有光照条件下都能工作，不同于结构化、基于光的深度传感器在强光条件下表现较差，而且它体积更小，成本也比基于LDS的系统更低。

TurtleBot3 是一个可编程、可定制的基于 ROS 的机器人平台。对TurtleBot3平台上hToF的评估显示，在50×45米范围内，精度为11.8厘米2区域。深度和SLAM处理可在单核上执行，例如搭载Arm Cortex A53处理器的Raspberry Pi 3 Model B，这凸显了计算资源需求较低。