瑞萨丨定义未来服务机器人:RZ/V2H,用一颗芯片集成AI的无限可能

发布时间:2026-05-20 09:17
作者:AMEYA360
来源:瑞萨
阅读量:621

  在生成式AI与具身智能的发展推动下,机器人正从“自动执行”向具备感知与决策能力的“智能决策”阶段演进。酒店、医疗、物流和零售等行业对自动化、效率与安全性的需求持续提升,推动服务机器人市场快速增长。这类机器人不仅需要在复杂的动态环境中自主移动,并与人类进行安全、自然的交互,还必须满足低功耗与高性价比的商业化要求。然而,传统系统架构往往需要在AI算力、实时响应能力与系统集成度之间进行权衡,成为制约服务机器人规模化落地的关键瓶颈。

  针对这一挑战,瑞萨推出了以“RZ/V2H高端AI微处理器(MPU)”为核心的服务机器人解决方案。该方案通过高度集成的单芯片架构,将高性能AI推理加速能力与实时运动控制能力结合,使AI感知处理与确定性的实时控制能够在同一平台上协同运行,为服务机器人提供兼具智能处理能力与实时响应能力的核心计算平台。

瑞萨丨定义未来服务机器人:RZ/V2H,用一颗芯片集成AI的无限可能

  服务机器人框图

  核心MPU:集AI、视觉与实时控制于一体

  该方案的核心是瑞萨RZ/V2H高端AIMPU,其采用瑞萨电子专有的AI加速器-动态可重配置处理器(DRP-AI3)、四核Arm® Cortex®-A55(1.8GHz)Linux处理器,双核Cortex®-R8(800MHz)实时处理器,以及一颗Cortex-M33系统管理内核。此外,RZ/V2H还包括另一款动态、可重配置处理器(DRP)。该动态可重配置处理器(DRP)主要用于加速传统图像处理与 OpenCV等视觉算法,与DRP-AI3 AI推理加速器形成互补的视觉计算架构。它还具有PCIe®、USB 3.2和千兆以太网等高速接口,是工厂自动化中自主机器人和机器视觉等应用(必须以低功耗实现的先进AI处理)的理想微处理器。

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  高可靠电源管理:为复杂系统精准供能

  服务机器人系统通常包含多个电压域和复杂的芯片组,对电源稳定性、效率以及噪声控制提出了较高要求。本方案选用瑞萨RAA215300多通道电源管理集成电路(PMIC)作为系统的核心电源管理单元。

  RAA215300是一款高性能、高集成度的9通道PMIC,专为32位和64位MCU/MPU应用设计,其主要优势包括:

  01

  完整供电方案:为32/64位MPU提供完整的电源解决方案,可支持核心电压以及DDR3、DDR3L、DDR4和LPDDR4等内存所需的电源轨,从而简化系统电源树设计。

  02

  高度集成:内置实时时钟(RTC)、32kHz晶体振荡器以及纽扣电池充电器,为需要时间保持和低功耗待机的系统提供单芯片解决方案,有助于减少板级器件数量并降低物料成本。

  03

  低噪声设计:支持扩频(Spread Spectrum)和超声波模式(Ultrasonic Mode),能够有效降低电源噪声,对于模拟传感器和音频模块等对噪声敏感的系统组件尤为重要。

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  精准时钟生成:确保系统同步与稳定

  任何高性能数字系统的稳定运行都离不开精准的时钟。本方案采用专为低功耗、消费类和高性能PCI Express应用而设计的VersaClock® 3S可编程时钟发生器5L35023,为整个系统提供纯净、可配置的时钟信号。

  该器件采用三个PLL架构设计,每个PLL可单独编程,支持生成多达五个不同的输出频率,以满足MPU、外设接口、通信模块等对时钟的多样化需求。其内置的主动节能(PPS)、性能—功耗平衡(PPB)和过冲抑制技术(ORT)等智能功能,能在保证时序性能的同时优化系统功耗。内部OTP存储器允许存储定制化的时钟配置,实现上电即用,并通过I²C接口提供灵活的运行时重配置能力,极大地增强了系统设计的灵活性与可靠性。

  此外,该器件具有可编程的VCO和PLL源选择,支持用户根据实际应用需求优化功率与性能。器件可提供三路单端输出和两组支持LVCMOS和LPHCSL的差分输出。同时支持低功耗32.768kHz时钟,系统RTC参考时钟的电流消耗小于2μA。

瑞萨丨定义未来服务机器人:RZ/V2H,用一颗芯片集成AI的无限可能

  系统优势:引领下一代服务机器人技术革新

  基于瑞萨RZ/V2H MPU的解决方案为下一代服务机器人带来三大核心优势:

  首先,它实现了高性能AI与硬实时控制的深度融合。芯片内置A55应用处理器、DRP-AI3 AI加速器及双核R8实时内核,可让机器人在处理复杂视觉任务的同时,保证关键控制环路具备微秒级确定性响应,真正实现“感知—决策—执行”的高速智能闭环。

  其次,方案大幅提升了系统集成度与开发效率,高度集成的芯片组显著减少了PCB面积和物料成本,而成熟的AI SDK与RTOS支持则有效降低了开发门槛,加速产品上市。

  最后,卓越的能效设计保障了长效稳定运行,专用AI加速器与智能电源管理协同工作,在提供强大算力的同时优化整体功耗,确保机器人在各类动态场景中保持可靠自主运行。

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瑞萨丨机器人的灵活操作:助力之手
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是否集成人工智能(AI),还是采用固定控制算法  电机数量  电机控制与电机驱动精度  电机反馈机制与传感器配置  赋能机器人手部灵巧性的关键要素  要让机器人“手”系统具备完整功能,其基础构建模块主要由以下子系统和功能组成:  系统决策:基于预定义算法或用于实时决策的AI以制定动作指令  电机控制:控制信号的生成与逻辑管理  电机驱动:将控制信号进行功率放大,以驱动电机,实现所需的运动  运动与手部反馈:通过电机性能反馈进行决策调整  系统决策  系统决策决定了机器人手部动作的触发方式,并取决于与机器人自主性对应的任务级别:动态任务(在动态环境和/或对象变化情况下需要主动决策)与标准化任务(静态环境、既定流程、对象统一)。  一台用于汽车装配、负责抓取并固定金属面板的工业机器人需要高效、流畅的运行。因此,其系统决策通常由工业可编程逻辑控制器(PLC)实现,采用固定的系统决策方式,以优化动作流程并追求更高的生产效率。  另一方面,一台食品配送机器人(或服务机器人),其任务是在餐厅中将食物送到正确的桌位,并在不洒出的情况下将餐盘放置在桌面上,则很可能需要基于AI的系统决策,其决策处理系统能够进行感知(和/或视觉识别),并对机械手应如何动作做出主动决策(例如:握持餐碗以正确放置在桌上对应的人面前,根据餐碗的装载程度确保内容物不洒出,等等)。  机器人手的动作取决于系统决策——无论是精简的控制算法还是动态的AI驱动系统。  在机器人手应用中,动态AI驱动系统的一个示例是瑞萨展示的带有AI视觉的灵巧手系统,该系统利用高性能视觉AI MPU,实现基于手势的智能控制。该视觉MPU与摄像头接口以获取视觉输入,并运行边缘AI处理,从而精确控制机器人手,使其能够模仿摄像头检测到的动作。  电机控制  一旦系统决策已决定发出某个动作指令,该指令会被发送到机器人手系统,由电机控制负责处理驱动运动的实时控制信号和逻辑管理。  在机器人手中,电机控制是将高层意图转化为物理交互的环节。机械手可能需要在不压坏物体的情况下完成抓握,在机器人运动过程中保持抓持,并协调多个关节,使指尖沿着平滑、可重复的路径运动。这些行为取决于每个电机被指令控制的速度和精度,以及控制器利用位置、电流/扭矩和力反馈实现闭环控制的能力。随着应用场景从对统一部件的简单抓取放置,转向在动态环境中处理易碎、变化的物体,对电机控制的要求(以及其背后的架构)也会相应提升。  该功能通常由微控制器(MCU)或微处理器(MPU)承担,其与系统决策或用户界面连接,并与传感器、反馈电路以及电机驱动级相连接。除了处理通信和信号传输外,电机控制处理器还运行控制算法,用于确定每个电机的驱动方式。关键的选型考虑包括需控制的电机数量、控制回路性能要求及计算复杂度,以及电机和手部层面所使用的传感与反馈类型。  手部的电机控制可以采用级联方式,并与多个电机控制与驱动系统及子系统共同使用。根据子系统(如腕部、手指等的电机控制)以及手部所接触物体的脆弱性和/或尺寸,在选择控制器时需要考虑任务所需的运动能力、精度和准确性。  以下展示了几种不同的电机控制配置示例(这些示例还包括电机驱动电路),以适应多种手部交互和需求(包括电机类型、对运动形式及物体交互的影响、可控制的电机数量、工业通信与功能安全支持、传感器接口能力等)。  示例电机控制应用框图  伺服电机控制:步进电机用于角运动和保持扭矩  带旋变的BLDC电机控制:BLDC电机用于平滑连续运动和高精度  带以太网的6轴和9轴工业电机控制:可扩展的高性能电机控制,具备高级算术处理、运动规划和轨迹生成  带工业网络和功能安全的电机控制系统:用于多电机(最多9个)的高性能、高精度电机控制,并集成功能安全架构  机器人手的电机控制最终取决于具体的应用场景:机器人需要具备多大的灵巧性、执行什么类型的任务、处理哪些类型的物体等。  根据前面的示例,在工厂装配线中运行的工业机器人,可能需要采用具备工业网络和功能安全支持的电机控制系统,以满足其应用场景下的安全规范。另一方面,如果机器人手的应用是作为辅助性的灵巧机械臂,用于帮助身体障碍人士进食,则带旋转变压器的BLDC电机控制能够提供平滑、连续的运动,并在精细操作任务中实现高精度。  合适的电机控制处理器能够实现并提升机器人手的应用能力。您可以参考我们的电机控制处理器指南,以帮助您开始为机器人手需求选择合适的器件。  电机驱动  在电机控制处理器确定每个执行器应执行的动作之后,电机驱动提供实现该运动所需的电力。之所以需要电机驱动,是因为控制器的输出只能产生低功率的指令信号(如PWM、步进/方向信号或电流目标),而机器人手中的电机则需要更高电流和特定电压波形来产生扭矩和运动。  在实际应用中,驱动级结合了功率放大、相位切换、电流调节以及保护功能,使机械手能够高效运动,并在不同负载和接触条件下实现可预测的响应。  根据电机类型(伺服、步进、BLDC)以及每个关节或手指的功率等级不同,同一只机械手中的电机驱动实现方式可能差异较大。从整体来看,驱动链通常包括栅极驱动器和功率MOSFET等基本模块,用于电流的开关与调节,并配套用于检测和故障处理的电路。在某些架构中,可编程混合信号器件(如:HVPAK——高压可编程混合信号器件)也可用于实现或分担驱动级周边的逻辑和保护功能。  一个采用带栅极驱动器的三相逆变器架构的驱动链示例如下:  电机与传感器反馈  机器人手不仅需要确定要做什么动作,还需要确定如何对其进行控制和驱动。电机反馈和传感器对于实现闭环交互至关重要,使机械手能够在实时中对其动作进行测量并主动修正。  反馈对于机械手尤为重要,因为其需要与周围的物体和环境进行交互:在提起物体时负载会发生变化,可能出现意外碰撞或停转等情况。对电机位置、速度、扭矩、接触力等关键参数进行持续感知,可确保机械手维持动作精度、调节抓握或接触力、检测故障,并适应物体在尺寸、形状和脆弱性方面的变化。  多种传感器和信号调理可以集成到机器人手中,以提供:  位置与速度反馈:用于确认每个关节的位置及其运动速度,从而实现精确轨迹和可重复抓取  电流/扭矩反馈:用于调节电机扭矩,实现平滑运动并控制抓握力度  力/触觉反馈:通过力传感器和压力阵列指示接触、滑动以及指尖施加的力,用于精细操作  不同类型的传感器被布置在手部系统的关键位置,用于测量诸如压力和位置等不同参数。这些读数需要进行放大、调理和处理,使系统控制器能够准确、可靠地读取传感器数据,并据此采取相应动作以纠正机械手的运动和行为。  尤其是当手部扩展到多自由度时,反馈变得更加重要。控制器必须在协调多个关节的同时,利用力和扭矩信息,避免对物体或机械手本身造成损坏。  在之前的采摘草莓示例中,机械手必须能够检测接触力和滑动,从而实时调整抓取力度,在不压坏草莓的情况下完成抓取,并通过更精细的操作提升重复性。同样,如果机械手作为辅助进食机械臂为人类服务,它需要在接触到人的口部时知道何时停止,而不是继续移动。  力感知有助于区分自由运动与接触,从而实现更安全的交互以及更可控的抓取。通过闭环力反馈和一致的传感器接口,机械手在抓取和放置任务中可以实现更高的重复性。  以下列出了一些用于实现机器人手反馈的关键信号调理模块和传感器:  信号调理  传感器信号调节器(SSC)  放大器  旋变转数字转换器  AnalogPAK可编程混合信号集成电路  传感器  电感式位置传感器(IPS)  阻抗传感器  综合建构:灵巧手系统设计  借助系统决策、电机控制、电机驱动以及反馈系统这些基本构建模块,可以根据具体使用场景和最终应用需求,设计出相应的灵巧手机器人系统架构。  例如,下图展示了一个具有17个自由度(DOF)的高性能灵巧手系统架构,该系统可部署于人形机器人或其他系统中,从而实现复杂且精细的运动操作能力。  系统决策:从触发手部动作的来源开始,首先是系统决策。在该示例架构中,采用的是动态系统决策,它与更大的人形机器人的“小脑”相连接,用于执行AI处理和系统集成。人形机器人会利用视觉AI、语音识别、视觉建图/导航等能力进行处理,然后向手部系统发送相应指令以执行动作。  固定的系统决策也可以通过EtherCAT®、USB或RS‑485等接口实现,使机械手能够根据最终应用场景,通过笔记本GUI、PLC等进行控制。  电机控制与驱动:由于该灵巧手架构是一个具备17自由度(17‑DOF)的高性能手系统,因此存在多个电机控制处理器,用于与手部各个运动部件接口,包括多个手指关节以及腕部运动。每个基础动作都由一个电机控制处理器负责,执行对应部分的电机控制,同时配合电机驱动,使手/手指/关节按照预期方式运动。  这些系统中的许多可以通过如CAN FD等接口进行堆叠和互联,从而实现无缝集成和流畅运动。在该17‑DOF架构中,由于每个关节都需要电机子系统,因此采用了这种方式。  例如,用于控制手指远端关节(最末端关节)的电机控制处理器,只控制一个电机系统。它接收来自主手控制器的系统决策动作,并处理如何驱动该单一远端关节的逻辑和控制算法。随后,它与电机驱动组件(HVPAK)协同工作,实现关节执行,同时处理其他逻辑和信号输入,例如齿轮或电机编码信号,以实现预期的关节运动。  传感器集成与系统反馈:除了仅负责PWM等驱动信号或编码逻辑外,电机控制处理器还集成来自电机及所部署传感器的反馈。  在该示例中,压力传感器和力传感器被嵌入在手部内部,使其能够感知何时接触到物体以及应施加多大的抓握力。用于阻抗测量、信号检测调理以及电流检测的集成电路,可用于自身检测或与传感器接口,这些对于与电机控制器形成闭环反馈至关重要,从而使机械手能够在与周围物体和环境交互时安全且正确地运行。  机器人手并非“一刀切”:所处环境、所处理物体的多样性与脆弱性,以及自主性水平,都会决定特定系统中“灵巧性”的含义。  机器人手的顶层需求映射到其执行基础的核心构建模块:从系统决策(手应做什么)开始,到电机控制(如何下达与协调运动指令),电机驱动(如何向执行器提供电能),以及最后的电机与传感器反馈(系统如何测量结果并进行实时修正)。
2026-06-23 10:12 阅读量:345
瑞萨丨可解决现代HMI设计挑战的创新MCU解决方案
  随着社会数字化程度不断加深,我们身边的几乎所有设备现在都已实现互联,从而能够进行实时通信。为了实现有效的实时交互,人机界面(HMI)必须具备输入和显示两大核心功能。这些HMI应用还必须利用最新的系统与其他联网设备实现无缝协同。此外,低功耗运行也是满足现代节能要求的一个重要考虑因素。因此,随着对数字设备的要求越来越复杂,HMI应用设计面临着巨大的挑战。  在本篇博客中,我将以瑞萨电子的RL78/L23微控制器为例,展示这一解决方案为何能满足日益增长的HMI应用需求,并重点介绍其丰富的外设功能和出色的低功耗性能。  RL78/L23的主要特性  RL78/L23微控制器提供丰富的外设功能,专为增强HMI应用而设计,具有电容式触摸感应、段码式LCD控制、双存储区闪存和SNOOZE模式序列器(SMS)等功能,同时还能保持低功耗特性。  电容式触摸和段码式LCD  RL78/L23集成了电容式触摸感应单元(CTSU)和段码式LCD驱动器/控制器,不仅可降低BOM成本和PCB尺寸,还能最大限度增加IO端口的利用率。  图1:RL78/L23 BOM集成与竞争解决方案的比较  双存储区闪存  RL78/L23支持双存储区代码闪存,可使用存储区切换功能不间断地进行固件更新。该功能将闪存区域分为两个独立的存储区,可根据需要进行切换。因此,可以在不中断应用程序运行的情况下进行系统更新,保持应用程序当前的运行状态。512KB和256KB闪存版本均支持双存储区架构。  图2:双区闪存和存储器互换功能  低功耗和SNOOZE模式序列器(SMS)  与瑞萨电子现有的LCD MCU相比,RL78/L23的低功耗特性非常出色,为全球节能做出了贡献。  图3:RL78/L23的工作电流、唤醒时间和LCD工作电流  与现有LCD MCU产品的比较  此外,RL78/L23还搭载旨在降低功耗的SNOOZE模式序列器(SMS)。RL78系列的这一先进功能使外设能够在CPU处于待机状态时独立运行。通过利用SMS,用户可以在其应用中实现更高的能效。  图4:SMS框图和用例示例  正如本文所述,RL78/L23微控制器具有各种独特的功能。该产品是低端市场中能够在单个器件内同时支持电容式触摸感应单元、段码式LCD和大型双存储区闪存的一款MCU。这些功能有助于解决HMI应用中的设计挑战。我们鼓励您在系统开发中充分利用这些先进功能。
2026-06-17 10:03 阅读量:402
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