基于EtherCAT的雙機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂 燕，沈玉玲，蔣勁峰

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

（上海電氣集團(tuán)中央研究院，上海 200071）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展以及工業(yè)需求的不斷提高，多種機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)越來越廣泛的應(yīng)用于制造加工中[1]。隨之帶來的是多種類型的智能化設(shè)備的加入以及復(fù)雜加工帶來的智能化性能的需求提高等技術(shù)問題。而多機(jī)器人協(xié)作的實(shí)時(shí)性通訊問題是所有技術(shù)問題解決的關(guān)鍵。實(shí)時(shí)EtherCAT作為主流的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，被許多學(xué)者應(yīng)用于機(jī)器人協(xié)作控制領(lǐng)域[2～4]。在多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)中，采用全雙工的EtherCAT協(xié)議能夠有效的消除數(shù)據(jù)沖突，保證加工過程的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)六關(guān)節(jié)機(jī)器人及搬運(yùn)多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)的整體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并將EtherCAT通訊協(xié)議應(yīng)用到多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)多機(jī)器人協(xié)作整體設(shè)計(jì)中通訊技術(shù)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

本文四部分組成：第一部分，多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)整體架構(gòu)介紹；第二部分IEC61800協(xié)議進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹；第三部分，系統(tǒng)中EtherCAT主從站硬件和軟件系統(tǒng)架構(gòu)做簡(jiǎn)單的介紹；最后在實(shí)際的系統(tǒng)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

圖1 雙機(jī)器人整體架構(gòu)

1 雙機(jī)器人整體架構(gòu)

多機(jī)器人協(xié)作制造單元主要是由兩臺(tái)機(jī)器人組成，包括一臺(tái)國(guó)產(chǎn)六關(guān)節(jié)機(jī)器人以及一臺(tái)四軸碼垛機(jī)器人，協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)在工業(yè)過程中多種物品的分揀、搬運(yùn)及碼垛功能。其中，六關(guān)節(jié)機(jī)器人末端手臂帶有圖像識(shí)別設(shè)備對(duì)分類的物品進(jìn)行檢測(cè)，而搬運(yùn)機(jī)器人針對(duì)檢測(cè)后的物品種類分批次進(jìn)行碼垛。

整個(gè)控制系統(tǒng)包括中央調(diào)度平臺(tái)、碼垛機(jī)器人及六關(guān)節(jié)機(jī)器人主機(jī)（即運(yùn)動(dòng)控制板卡）、伺服系統(tǒng)（含驅(qū)動(dòng)卡及電機(jī)）、視覺、RFID等傳感設(shè)備，如圖1所示。其中，中央調(diào)度平臺(tái)負(fù)責(zé)兩臺(tái)機(jī)器人工作的協(xié)調(diào)聯(lián)控，以保證動(dòng)作的一致性與連貫性。兩臺(tái)機(jī)器人主機(jī)分配具體的機(jī)器人任務(wù)安排，包括路徑的規(guī)劃、速度的控制以及傳感信息的處理等任務(wù)。

系統(tǒng)采用開放式的軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)，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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)管理、EtherCAT總線以及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊。單個(gè)機(jī)器硬件控制器與驅(qū)動(dòng)器之間主要采用EtherCAT的總線通訊方式進(jìn)行通訊，如圖3所示?？刂破髋c驅(qū)動(dòng)器之間采用主從式環(huán)型通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖2 機(jī)器人系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)

圖3 采用EtherCAT的機(jī)器人內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)

2 EtherCAT協(xié)議IEC61800

2.1 EtherCAT協(xié)議

在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61800中對(duì)EtherCAT通訊技術(shù)進(jìn)行了明確的定義[5]。EtherCAT采用標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.3以太網(wǎng)架構(gòu)，并0X88A4的幀類型作為載體；EherCAT技術(shù)本身是基于EtherNET研發(fā)出來的，因此主站的實(shí)現(xiàn)可以不采用其他的硬件設(shè)備；然而在實(shí)際的工業(yè)控制中為了提高系統(tǒng)的通訊協(xié)議也有采用硬主站的通訊方式。圖4為標(biāo)準(zhǔn)的EtherCAT總線通訊協(xié)議，包括EtherCAT協(xié)議的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，該架構(gòu)是由原始IEEE802.3作為EtherCAT的MAC報(bào)頭專用字段，該字段由三部分組成用來定義EtherCAT傳輸長(zhǎng)度的2bit地址、包含EtherCAT指令信息的4字節(jié)類型段。

圖4 是E t h e r C A T 幀處理結(jié)構(gòu)框圖，可以看出EtherCAT采用從站控制器進(jìn)行端口自匹配幀處理機(jī)制，而不保存到從站控制器中；數(shù)據(jù)以字節(jié)的形式被從站控制器進(jìn)行讀寫。轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)是由接收到的FIFO數(shù)據(jù)的大小和EtherCAT處理單元的延時(shí)來確定的。忽略發(fā)送FIFO來減少延時(shí)。當(dāng)幀通過節(jié)點(diǎn)時(shí)，EtherCAT從站設(shè)備讀取數(shù)據(jù)地址；同樣，報(bào)文經(jīng)過時(shí)，進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的插入；該幀僅僅被延遲幾個(gè)納秒的時(shí)間。由于以太網(wǎng)幀包含許多設(shè)備的雙向收發(fā)數(shù)據(jù)，可用數(shù)據(jù)率提高到90%以上。

圖4 EtherCAT協(xié)議棧

2.2 IEC-61800標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61800系列目標(biāo)是提供一個(gè)可調(diào)速的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通用規(guī)范。其中，IEC 61800-7描繪了控制系統(tǒng)和電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的通用接口。IEC 61800-7提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)及數(shù)據(jù)讀取的方法，獨(dú)立于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)文件及數(shù)據(jù)接口。目標(biāo)是一個(gè)具有通用功能和對(duì)象的驅(qū)動(dòng)模型，可以在不同的通訊接口上面進(jìn)行映射。在未知驅(qū)動(dòng)設(shè)備具體先驗(yàn)知識(shí)的情況下，使通用的運(yùn)動(dòng)控制在控制器中的實(shí)現(xiàn)成為可能。

該標(biāo)準(zhǔn)包括IEC 61800-7-1（接口定義）、IEC61800-7-200（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義） 、IEC 61800-7-300（網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范）EC61800-7定義通用的PSD（電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義，包括許多標(biāo)準(zhǔn)類型如CIA 402，CIP Motion、FROFIdriver、SERCOS。在IEC61800-7-200下的IEC 61800-7-201規(guī)范了電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的獨(dú)立總線CIA 402驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。它既包含實(shí)施控制對(duì)象定義，也包括配置、調(diào)整、識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象的定義。IEC 61800-7-300下的IEC61800-7-301標(biāo)準(zhǔn)，定義了CIA402驅(qū)動(dòng)規(guī)范在EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的映像。特別是PDO（過程數(shù)據(jù)對(duì)象）通訊及映像參數(shù)的定義。

3 基于主從站的EtherCAT的機(jī)器人控制系統(tǒng)

3.1 硬件系統(tǒng)

在多機(jī)器人控制系統(tǒng)中，大量的傳感器數(shù)據(jù)及控制指令在機(jī)器人主站從站之間傳遞，EtherCAT網(wǎng)絡(luò)以100Mbps速度進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，可以實(shí)現(xiàn)力矩、速度和位置的有效控制。主站控制器包括PC平臺(tái)以及運(yùn)動(dòng)控制PCI卡。在運(yùn)動(dòng)控制中，為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)于硬實(shí)時(shí)要求比較高的場(chǎng)合如運(yùn)動(dòng)控制及安全應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)控制卡中用裝有RTX實(shí)時(shí)擴(kuò)展的Linux-2.6.30-RTAI系統(tǒng)，本系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)控制卡、可視化視頻采集以及PC主控制平臺(tái)。PCI運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)機(jī)器人各軸的運(yùn)動(dòng)控制同時(shí)管理著數(shù)據(jù)雙向傳輸網(wǎng)絡(luò)?；赑C平臺(tái)安裝的RTX系統(tǒng)，用來管理和構(gòu)建協(xié)調(diào)多機(jī)器人實(shí)時(shí)性操作，例如在線路徑優(yōu)化、負(fù)載動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、任務(wù)分配、智能調(diào)度等。同時(shí)，可視化的視頻采集及處理系統(tǒng)以及圖形化用戶界面等也在主站中完成，幫助機(jī)器人完成視覺伺服以及其他相關(guān)工作。綜上所述，機(jī)器人的控制主站可以實(shí)現(xiàn)包括機(jī)器人協(xié)作、數(shù)據(jù)采集及界面引擎以及進(jìn)行整個(gè)機(jī)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(gè)部分。第一部分是EtherCAT控制板卡用來管理EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的交互數(shù)據(jù)，接口采用RJ45，用于數(shù)據(jù)收發(fā)。EtherCAT通過選擇相關(guān)地址讀取來選取并確定下一個(gè)連接的EtherCAT從站，而整個(gè)過程無延遲。第二部分是機(jī)器人協(xié)作的數(shù)據(jù)交互，機(jī)器人內(nèi)部需要交互的數(shù)據(jù)包括力矩、編碼器傳感數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)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(duì)編碼器數(shù)據(jù)）、24位PWM接口和D/A轉(zhuǎn)換模塊（用于控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)），主控制芯片采用的TI的DSP28335實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)以及電機(jī)的控制。

3.2 軟件系統(tǒng)

本文主要針對(duì)EtherCAT主站和從站進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

EtherCAT主站軟件流程如圖5所示，流程主要反映發(fā)送控制數(shù)據(jù)。所有從站準(zhǔn)備就緒后，主站周期性的向從站派發(fā)控制指令，打包成EtherCAT幀格式發(fā)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(shù)據(jù)與執(zhí)行。從站周期性的檢測(cè)主站的控制指令，接收成功后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解包處理并執(zhí)行主站的控制指令。

圖6 從站軟件流程圖

4 系統(tǒng)驗(yàn)證

多機(jī)器人協(xié)調(diào)聯(lián)控測(cè)試系統(tǒng)是在通過X86架構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制卡、PCI的主站控制卡以及10個(gè)帶EtherCAT接口的驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)采用帶RTX的linux系統(tǒng)，與上面章節(jié)的通訊方式一樣還有其他的轉(zhuǎn)換模塊如RS485、232 、DAC等。圖7表明系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，其中圖7(a)是EtherCAT應(yīng)主站板卡；圖7(b)為linux系統(tǒng)的工業(yè)主板以及運(yùn)動(dòng)控制卡；圖7(c)為多機(jī)器協(xié)作的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

對(duì)于本系統(tǒng)兩機(jī)器人的同步性能，根據(jù)文獻(xiàn)[6]的方法對(duì)埃夫特機(jī)器人的第四軸，與沃迪機(jī)器人的第四軸的同步性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，EtherCAT的主站同步滯后時(shí)間特別小，在10微秒左右，控制信息或者是驅(qū)動(dòng)信息反饋可以在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成傳遞。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于EtherCAT總線協(xié)議的實(shí)時(shí)多機(jī)器人總線通訊策略。介紹多機(jī)器人協(xié)作控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)，并對(duì)該系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)。根據(jù)雙機(jī)器人系統(tǒng)的性能要求，采用主從式的EtherCAT通訊方式，并進(jìn)行實(shí)際的主從任務(wù)分配，最后通過實(shí)際性能對(duì)比，驗(yàn)證該通訊方法具有較快的響應(yīng)速度和較短的滯后時(shí)間。

圖7 主站硬件結(jié)構(gòu)圖

圖8 同步滯后時(shí)間

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