基于EtherCAT的雙機器人協作系統設計

呂 燕，沈玉玲，蔣勁峰

LV Yan, SHEN Yu-ling, JIANG Jin-feng

（上海電氣集團中央研究院，上海 200071）

0 引言

隨著大數據、互聯網技術發展以及工業需求的不斷提高，多種機器人協作系統越來越廣泛的應用于制造加工中[1]。隨之帶來的是多種類型的智能化設備的加入以及復雜加工帶來的智能化性能的需求提高等技術問題。而多機器人協作的實時性通訊問題是所有技術問題解決的關鍵。實時EtherCAT作為主流的工業以太網技術，被許多學者應用于機器人協作控制領域[2～4]。在多機器人協作系統中，采用全雙工的EtherCAT協議能夠有效的消除數據沖突，保證加工過程的持續穩定運行。本文對六關節機器人及搬運多機器人協作系統的整體系統架構設計，并將EtherCAT通訊協議應用到多關節運動控制系統設計中，對多機器人協作整體設計中通訊技術的進一步研究奠定了基礎。

本文四部分組成：第一部分，多機器人協作系統整體架構介紹；第二部分IEC61800協議進行簡單的介紹；第三部分，系統中EtherCAT主從站硬件和軟件系統架構做簡單的介紹；最后在實際的系統上進行仿真驗證。

圖1 雙機器人整體架構

1 雙機器人整體架構

多機器人協作制造單元主要是由兩臺機器人組成，包括一臺國產六關節機器人以及一臺四軸碼垛機器人，協調實現在工業過程中多種物品的分揀、搬運及碼垛功能。其中，六關節機器人末端手臂帶有圖像識別設備對分類的物品進行檢測，而搬運機器人針對檢測后的物品種類分批次進行碼垛。

整個控制系統包括中央調度平臺、碼垛機器人及六關節機器人主機（即運動控制板卡）、伺服系統（含驅動卡及電機）、視覺、RFID等傳感設備，如圖1所示。其中，中央調度平臺負責兩臺機器人工作的協調聯控，以保證動作的一致性與連貫性。兩臺機器人主機分配具體的機器人任務安排，包括路徑的規劃、速度的控制以及傳感信息的處理等任務。

系統采用開放式的軟、硬件系統架構，主要有兩部分組成：軟件組件和硬件組件，如圖2所示。其中軟件組件包括以太網接口、傳感器、控制器、示教等模塊的支撐軟件；硬件組件包括電源、網絡管理、EtherCAT總線以及協議轉換模塊。單個機器硬件控制器與驅動器之間主要采用EtherCAT的總線通訊方式進行通訊，如圖3所示?？刂破髋c驅動器之間采用主從式環型通訊方式進行數據交互。

圖2 機器人系統軟硬件架構

圖3 采用EtherCAT的機器人內部控制結構

2 EtherCAT協議IEC61800

2.1 EtherCAT協議

在工業標準IEC61800中對EtherCAT通訊技術進行了明確的定義[5]。EtherCAT采用標準的IEEE802.3以太網架構，并0X88A4的幀類型作為載體；EherCAT技術本身是基于EtherNET研發出來的，因此主站的實現可以不采用其他的硬件設備；然而在實際的工業控制中為了提高系統的通訊協議也有采用硬主站的通訊方式。圖4為標準的EtherCAT總線通訊協議，包括EtherCAT協議的數據標準化結構，該架構是由原始IEEE802.3作為EtherCAT的MAC報頭專用字段，該字段由三部分組成用來定義EtherCAT傳輸長度的2bit地址、包含EtherCAT指令信息的4字節類型段。

圖4 是E t h e r C A T 幀處理結構框圖，可以看出EtherCAT采用從站控制器進行端口自匹配幀處理機制，而不保存到從站控制器中；數據以字節的形式被從站控制器進行讀寫。轉發延時是由接收到的FIFO數據的大小和EtherCAT處理單元的延時來確定的。忽略發送FIFO來減少延時。當幀通過節點時，EtherCAT從站設備讀取數據地址；同樣，報文經過時，進行輸入數據的插入；該幀僅僅被延遲幾個納秒的時間。由于以太網幀包含許多設備的雙向收發數據，可用數據率提高到90%以上。

圖4 EtherCAT協議棧

2.2 IEC-61800標準

IEC 61800系列目標是提供一個可調速的電力驅動系統通用規范。其中，IEC 61800-7描繪了控制系統和電源驅動系統之間的通用接口。IEC 61800-7提供一個驅動函數及數據讀取的方法，獨立于數據驅動文件及數據接口。目標是一個具有通用功能和對象的驅動模型，可以在不同的通訊接口上面進行映射。在未知驅動設備具體先驗知識的情況下，使通用的運動控制在控制器中的實現成為可能。

該標準包括IEC 61800-7-1（接口定義）、IEC61800-7-200（標準規范定義） 、IEC 61800-7-300（網絡技術規范）EC61800-7定義通用的PSD（電源驅動系統）接口標準規范定義，包括許多標準類型如CIA 402，CIP Motion、FROFIdriver、SERCOS。在IEC61800-7-200下的IEC 61800-7-201規范了電氣驅動系統中的獨立總線CIA 402驅動標準。它既包含實施控制對象定義，也包括配置、調整、識別、網絡管理對象的定義。IEC 61800-7-300下的IEC61800-7-301標準，定義了CIA402驅動規范在EtherCAT網絡的映像。特別是PDO（過程數據對象）通訊及映像參數的定義。

3 基于主從站的EtherCAT的機器人控制系統

3.1 硬件系統

在多機器人控制系統中，大量的傳感器數據及控制指令在機器人主站從站之間傳遞，EtherCAT網絡以100Mbps速度進行實時通訊，可以實現力矩、速度和位置的有效控制。主站控制器包括PC平臺以及運動控制PCI卡。在運動控制中，為了保證系統的實時性，對于硬實時要求比較高的場合如運動控制及安全應用，運動控制卡中用裝有RTX實時擴展的Linux-2.6.30-RTAI系統，本系統中的主站采用赫友訊的EtherCAT硬主站板卡CIF-50。

EtherCAT主站控制模塊包括PCI運動控制卡、可視化視頻采集以及PC主控制平臺。PCI運動控制卡負責機器人各軸的運動控制同時管理著數據雙向傳輸網絡。基于PC平臺安裝的RTX系統，用來管理和構建協調多機器人實時性操作，例如在線路徑優化、負載動態補償、任務分配、智能調度等。同時，可視化的視頻采集及處理系統以及圖形化用戶界面等也在主站中完成，幫助機器人完成視覺伺服以及其他相關工作。綜上所述，機器人的控制主站可以實現包括機器人協作、數據采集及界面引擎以及進行整個機器人控制的功能，如圖3所示。

E t h e r C A T 從站包括兩個部分。第一部分是EtherCAT控制板卡用來管理EtherCAT網絡的交互數據，接口采用RJ45，用于數據收發。EtherCAT通過選擇相關地址讀取來選取并確定下一個連接的EtherCAT從站，而整個過程無延遲。第二部分是機器人協作的數據交互，機器人內部需要交互的數據包括力矩、編碼器傳感數據、運動控制指令等。從站包含8通道的ADC模塊、SCI串行接口傳輸模塊（傳輸F/T傳感器和絕對編碼器數據）、24位PWM接口和D/A轉換模塊（用于控制伺服電機運動），主控制芯片采用的TI的DSP28335實現對整體系統以及電機的控制。

3.2 軟件系統

本文主要針對EtherCAT主站和從站進行軟件設計。

EtherCAT主站軟件流程如圖5所示，流程主要反映發送控制數據。所有從站準備就緒后，主站周期性的向從站派發控制指令，打包成EtherCAT幀格式發送給從站，完成伺服控制。

圖5 主站軟件流程圖

EtherCAT從站軟件流程如圖6所示，流程主要反映接收控制數據與執行。從站周期性的檢測主站的控制指令，接收成功后對數據進行解包處理并執行主站的控制指令。

圖6 從站軟件流程圖

4 系統驗證

多機器人協調聯控測試系統是在通過X86架構的運動控制卡、PCI的主站控制卡以及10個帶EtherCAT接口的驅動器來實現的，系統采用帶RTX的linux系統，與上面章節的通訊方式一樣還有其他的轉換模塊如RS485、232 、DAC等。圖7表明系統的硬件結構，其中圖7(a)是EtherCAT應主站板卡；圖7(b)為linux系統的工業主板以及運動控制卡；圖7(c)為多機器協作的驅動系統。

對于本系統兩機器人的同步性能，根據文獻[6]的方法對埃夫特機器人的第四軸，與沃迪機器人的第四軸的同步性能進行測試，測試結果如圖8所示。從圖8中可以看出，EtherCAT的主站同步滯后時間特別小，在10微秒左右，控制信息或者是驅動信息反饋可以在一個采樣周期內完成傳遞。

5 結論

本文提出了一種基于EtherCAT總線協議的實時多機器人總線通訊策略。介紹多機器人協作控制系統的整體架構，并對該系統的軟硬件進行整體的設計。根據雙機器人系統的性能要求，采用主從式的EtherCAT通訊方式，并進行實際的主從任務分配，最后通過實際性能對比，驗證該通訊方法具有較快的響應速度和較短的滯后時間。

圖7 主站硬件結構圖

圖8 同步滯后時間

[1] 苗卓廣,謝壽生,何秀然,王海濤,吳勇,白玉.自適應PSO網絡整定的航空發動機全程滑模控制[J].推進技術,2011,32(2):220-224,234.

[2] 吳軍,徐昕,連傳強,賀漢根.協作多機器人系統研究進展綜述[J].智能系統學報,2011,6(1):13-27.

[3] 劉冬,閔華松,楊杰.基于EtherCAT的機器人控制總線方案研究[J].計算機工程與設計,2013,34(4).

[4] 劉鑫,閔華松,陳友東,王晟.基于EtherCAT的工業機器人控制器設計[J].計算機工程,2012,38(11):290-292.

[5] 李木國,尹永潔,劉于之,孫慧濤.基于PCIe總線接口的EtherCAT從站網卡設計[J].計算機測量與控制,2015,23(3):921-923.

[6] 蔣佳佳,段發階,陳勁,張超,常宗杰,華香凝.鏈式系統中信號遠距離傳輸延時的在線測量方法[J].吉林大學學報(工學版),2013,43(2):520-525.