WAM 協(xié)作機器人EtherCAT 總線通信方式研究

宋玲玲

（濱州職業(yè)學院，山東濱州，256603）

0 引言

在機器人運動控制研究中，有許多優(yōu)秀的控制成果都是采用基于CAN 總線的驅(qū)動方案，這些成果對于學習和研究機器人運動控制和應用有著極大的幫助。然而CAN 總線型伺服驅(qū)動器在國內(nèi)機器人行業(yè)并不是主流產(chǎn)品，一旦出現(xiàn)損壞，很難維修和更換，不利于這些優(yōu)秀成果的繼承和使用。

例如，Barrett Technology 公司推出的WAM 機器人就是這樣一款優(yōu)秀的、用于學習、研究和應用的協(xié)作機器人。WAM 機器人采用CAN 總線驅(qū)動，除驅(qū)動器等硬件外，所有控制部分為開源代碼，非常適合于進行底層驅(qū)動研究和高級編程的學習和應用。但是，WAM 機器人只使用特殊定制的基于CAN 總線的Puck 驅(qū)動器，維護成本高，不利于應用推廣和進一步的底層研究。

為此，根據(jù)國內(nèi)EtherCAT 總線型伺服驅(qū)動器在機器人行業(yè)的廣泛應用現(xiàn)狀，結(jié)合將WAM 機器人改造成基于EtherCAT 總線型驅(qū)動器的過程，本文提供一種用EtherCAT 驅(qū)動器替代CAN 驅(qū)動器軟件方案，來繼承和發(fā)揚這些優(yōu)秀的機器人成果，為其他驅(qū)動和控制領(lǐng)域技術(shù)提供一點借鑒。

本文共五個部分，第一部分介紹WAM 機器人驅(qū)動相關(guān)內(nèi)容；第二部分提出改造方案；第三部分講述改造實現(xiàn)過程；第四部分進行實驗并給出結(jié)果；第五部分進行總結(jié)，給出類似改造的一點建議。

1 Barrett WAM 機器人

WAM 機器人[1]采用鋼絲繩輪組作為減速機，替代齒輪傳動，具有更小的關(guān)節(jié)摩擦阻力，是一款“繩驅(qū)”機器人。由于采用繩驅(qū)，動力驅(qū)動后置，機器人易于操作，是一款優(yōu)秀的、既可以用于科研、也可以實際應用的協(xié)作機器人。

如圖1 所示，WAM 機器人主要包括，內(nèi)部PC、外部PC、驅(qū)動電機、安全模塊、控制面板和顯示面板等部分。其中，外部PC 為可選組件，可由用戶自己購買和配置；內(nèi)部PC 為機器人必選的進行機器人編程控制的計算機。WAM 所有電機均為直流無刷電機，其驅(qū)動器為Puck，由Barrett 公司特別定制，通信采用CAN 總線，應用層協(xié)議也為自定義。安全模塊可以監(jiān)控機器人的速度、指令扭矩的大小，控制PC 與Puck 之間通信速率，控制顯示與控制面板上的按鈕及狀態(tài)?？刂泼姘搴惋@示面板用來控制和顯示機器人的狀態(tài)。上電后，WAM 有三種可能的狀態(tài)：活動、空閑和故障。在執(zhí)行任何命令之前，必須手動激活WAM，如果出現(xiàn)問題，WAM 將自動進入空閑或故障狀態(tài)。

圖1 WAM 系統(tǒng)簡圖

WAM 機器人提供的控制接口為軟件開發(fā)包，libbarrett（實時版本1.2.4，非實時版本2.0），是C++開源庫，分為兩層，上層為用戶提供高級運動編程接口，下層執(zhí)行實時運動控制。該軟件系統(tǒng)運行環(huán)境為裝有Xenomai 實時內(nèi)核的Ubuntu 系統(tǒng)。圖2 給出來WAM 機器人的邏輯控制圖，用戶使用過編程方式將控制指令經(jīng)由Xenomai 發(fā)送到CAN 總線卡，再由CAN 總線卡發(fā)送到WAM 的各個Puck。命令控制周期最高為1kHz，默認速率為500Hz。

圖2 WAM 邏輯控制圖

2 改造方案

2.1 改造內(nèi)容

2.1.1 軟件接口

WAM 機器人與硬件部分的通信是以CAN 總線卡為媒介的，用戶程序和實時代碼通過CAN 總線卡指揮硬件驅(qū)動機器人運動。為了不改變或者少改變libbarrett 庫代碼，需要設計好WAM 機器人與硬件部分通信的軟件接口。WAM 機器人的CAN 消息是自定義的應用層消息，不是標準的應用層協(xié)議，因此軟件接口需要有消息轉(zhuǎn)換的處理單元，能夠解析WAM 的自定義消息。

2.1.2 電機驅(qū)動器

WAM 機器人的電機驅(qū)動器為基于CAN 總線的Puck驅(qū)動器，是Barrett 公司定制開發(fā)的驅(qū)動器產(chǎn)品，不是大眾化產(chǎn)品，不支持EtherCAT，出現(xiàn)故障不能維修只能更換，因此，需要全部更換為基于EtherCAT 通信的通用型驅(qū)動器產(chǎn)品。

2.1.3 驅(qū)動電機

WAM 機器人上使用的直流電機是Barrett 公司定制的與Puck 驅(qū)動器相配合的電機，這些電機特性參數(shù)無法全部獲得，因此需要更換為廣泛使用的品牌電機。

2.1.4 安全模塊

安全模塊在WAM 機器人中具有重要的地位，起到對機器人限速、安全防護的功能，當機器人運動超速或電機電流過大時進行安全處理。因為安全模塊也是采用puck 進行管理的，改造后不能應用，且限速和限流功能在基于EtherCAT 的驅(qū)動器上都有配置，所以取消硬件安全模塊。

2.2 改造方案

本次改造硬件部分選擇一種方案，選用BLM 無框無刷直流電機[2]替代原配電機，驅(qū)動器采用支持EtherCAT通信的Elmo 直流驅(qū)動器[3]，編碼器采用多摩川磁編碼器。軟件部分有兩個備選方案，一是在用戶層開發(fā)CAN 消息與EtherCat 消息轉(zhuǎn)換接口，開發(fā)EtherCAT 主站，進行運動控制，在消息轉(zhuǎn)換接口提供部分WAM 安全模塊功能；二是在內(nèi)核上實現(xiàn)上述功能，軟件開發(fā)在Ubuntu 18.04上進行，WAM 軟件接口庫采用libbarrett-2.0.0 版本。EtherCAT主站采用SOEM主站代碼[4]移植。在改造實驗中，第一種軟件方案不能保證實時控制周期，所以采用第二種軟件方案進行改造。

3 軟件實現(xiàn)

硬件改造比較容易實現(xiàn)，根據(jù)WAM 的技術(shù)規(guī)范就可以選擇出適合的電機功率及相應的編碼器和驅(qū)動。安全模塊的大部分功能在每個Elmo 驅(qū)動器上都有了相應的功能，例如限流、限速、報警和急停等。因此，此次改造就不單獨設立硬件的安全模塊，而是設立一個軟件“安全模塊”來實現(xiàn)單個驅(qū)動器無法實現(xiàn)安全模塊的功能的部分。

3.1 虛擬CAN 內(nèi)核模塊

Ubuntu 系統(tǒng)下硬件驅(qū)動程序都是以內(nèi)核模塊（kernel module）形式存在的，這樣Ubuntu 可以像管理文件系統(tǒng)一樣管理各種硬件。為了在用戶層像訪問真實硬件CAN總線卡一樣，在內(nèi)核建立一塊虛擬CAN 總線卡，即在內(nèi)核創(chuàng)建一個CAN 總線虛擬驅(qū)動模塊，實現(xiàn)CAN 總線卡的各種功能，替代硬件總線卡。虛擬CAN 內(nèi)核模塊名字為“ec_CAN”，有兩個重要功能，一是CAN 消息處理單元，負責與用戶層CAN 通信的交互任務，由操作系統(tǒng)根據(jù)用戶層通信要求執(zhí)行調(diào)度；二是EtherCAT 總線處理單元，負責EtherCAT 主站及相關(guān)控制任務的處理，由一個內(nèi)核線程進行管理。

3.2 CAN 消息處理單元

因為虛擬CAN 模塊不是真實硬件的驅(qū)動程序，所以不需要接收硬件上CAN 消息，僅需要處理與用戶層交互CAN 信息，即執(zhí)行用戶層消息發(fā)送處理和填充消息接收隊列。因此模塊接收函數(shù)直接返回處理成功即可，由發(fā)送函數(shù)處理CAN 消息發(fā)送和接收。

根據(jù)WAM 的CAN 消息規(guī)范，需處理的CAN 消息分為五類：

1）各電機驅(qū)動器一般消息：獲取各驅(qū)動的基本參數(shù)，如編碼器分辨率、扭矩常數(shù)等。

2）WAM 主體關(guān)節(jié)各驅(qū)動器消息：獲取各關(guān)節(jié)編碼器值、設置驅(qū)動力矩。

3）手部關(guān)節(jié)各驅(qū)動器消息：獲取各關(guān)節(jié)編碼器值、設置驅(qū)動力矩。

4）力傳感器消息：獲取各維度受力和力矩的測量值。

根據(jù)以上分類，分別通過EtherCAT 主站存取各驅(qū)動器相應的參數(shù)和狀態(tài)數(shù)值。為了不影響EtherCAT 主站的控制周期，CAN 消息處理不直接訪問EtherCAT 主站，而是利用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換。該緩沖區(qū)由EtherCAT主站主控循環(huán)更新。

CAN 消息處理提供八個主要接口函數(shù)：

1）void activeWAM(bool ac) ：負責執(zhí)行激活或停止WAM 機器人，在驅(qū)動器側(cè)使能或不使能驅(qū)動器。

2）unsigned int32 getEncoder(int8 index) ：負責取各驅(qū)動器編碼器值。

3）void setTorque(int8 index, unsigned int16) ：負責設置各驅(qū)動器力矩值。

4）unsigned int16 getStates(void) ：負責取系統(tǒng)狀態(tài)。

5）void emergence(void) ：負責執(zhí)行急停。

職業(yè)院校通信專業(yè)人才培養(yǎng)目標一般是：面向現(xiàn)代信息通信技術(shù)（Information and Communication Technology，ICT）服務產(chǎn)業(yè)相關(guān)工程設計、建設、監(jiān)理、督導、維護、優(yōu)化等崗位，培養(yǎng)熟悉現(xiàn)代通信系統(tǒng)及終端產(chǎn)品的性能和工作原理，具有通信系統(tǒng)及其設備生產(chǎn)、安裝、運維及工程管理、網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化、電信業(yè)務營銷等能力的高等技術(shù)技能型人才。

6）void resetDriver(int8 index) ：負責復位每個驅(qū)動器。

7）unsigned int16 getInputs(void) ：負責獲取各驅(qū)動器數(shù)字輸入值。

8）void setOutputs(unsigned int16 outputs) ：負責設置各驅(qū)動數(shù)字輸出值。

3.3 EtherCAT 總線處理單元

總線處理單元負責與各個Elmo 驅(qū)動器進行通信，存取各種參數(shù)，控制輸入輸出端子，實現(xiàn)驅(qū)動器的周期力矩控制。總線處理單元邏輯上包含一個EtherCAT 主站，該主站由SOEM 移植而成。

3.3.1 SOEM 主站移植

SOEM 是 簡 單 開 源EtherCAT 主 站（Simple Open EtherCAT Master）首字母縮寫，是一個用于學習和使用EtherCAT 主站功能的C 語言函數(shù)庫。在GNU/GPL2.0 許可下，用戶可以修改和發(fā)布源代碼。SOEM 由兩部分組成，一是操作系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)卡驅(qū)動部分，負責建立RAW socket 通信、延時和線程處理任務，另一部分是純C 語言的EtherCAT 主站，支持COE、SOE、FOE 等常用應用層協(xié)議。本項目采用SOEM 作為EtherCAT 主站基礎(chǔ)代碼，選用版本為1.3.1[4]。

由于國內(nèi)基于EtherCAT 的運動控制主要使用COE應用層規(guī)范，而COE 規(guī)范完全支持canopen_ 402 協(xié)議，符合大眾化的使用習慣，所以本EtherCAT 主站應用層采用COE 規(guī)范。

SOEM 網(wǎng)卡驅(qū)動部分從用戶層移植到內(nèi)核層，需要處理以下幾個重要問題：

1）網(wǎng)卡搜索：搜索用戶指定的用于通信的網(wǎng)卡，搜索依據(jù)為用戶指定的MAC 值。由于在內(nèi)核中搜索，所以不能使用用戶層函數(shù)，而是在模塊加載的時候枚舉整個以太網(wǎng)設備列表查找用戶指定的網(wǎng)卡。枚舉函數(shù)為for_each_netdev(&init_net, netdev)，其中init_net 為內(nèi)核中全局網(wǎng)絡設備列表表頭，netdev 為枚舉到的網(wǎng)絡設備結(jié)構(gòu)體指針。

2）建立socket 鏈接：為EtherCAT 主站提供通信接口。采用內(nèi)核函數(shù)sock_create_kern()和kernel_bind()打開一個socket 并綁定到用戶指定的網(wǎng)卡。

3）收發(fā)消息： 使用kernel_sendmsg() 和kernel_recvmsg()替代應用層send()和recv()兩個函數(shù)，完成對網(wǎng)卡的收發(fā)信息。

4）延時函數(shù)：采用內(nèi)核延時函數(shù)封裝。

5）內(nèi)核線程：將用戶層線程的創(chuàng)建及管理移植為內(nèi)核線程的創(chuàng)建和管理。

6）互斥信號：將用戶層互斥信號量移植成內(nèi)核信號量。

在處理好以上幾個問題后，SOEM主站移植任務完成，就可以使用SOEM 編程控制各個Elmo 驅(qū)動器，完成機器人運動控制。

3.3.2 EtherCAT 主站初始化

主站初始化需要完成全部Elmo 驅(qū)動器的檢測與初始化、設定各驅(qū)動器的控制參數(shù)、使各驅(qū)動器進入COE的“操作”狀態(tài)。

驅(qū)動器在初始化時涉及兩個重要的參數(shù)，一是最大速度，二是最大電流，這兩個參數(shù)是對安全模塊對速度和電流管理的分解，將這兩個參數(shù)設置在各個驅(qū)動器內(nèi)，就起到了安全模塊的功能。

3.3.3 EtherCAT 處理主循環(huán)

主循環(huán)為EtherCAT 通信的周期循環(huán)，除了進行通信外，還負責進行各驅(qū)動器狀態(tài)收集和轉(zhuǎn)換，實時處理各種異常情況。主站將所有驅(qū)動器的狀態(tài)抽象為三個：空閑、激活和異常，對應于WAM 機器人安全模塊提供的三種狀態(tài)。其中，空閑狀態(tài)代表所有驅(qū)動器工作在未使能且其他一切正常的狀態(tài)；激活狀態(tài)代表所有驅(qū)動器已使能的狀態(tài)；異常狀態(tài)代表任何一個驅(qū)動器出現(xiàn)報警或故障，需要人工處理的狀態(tài)。

實時異常處理有三個主要功能：一是動態(tài)檢測各驅(qū)動器工作狀態(tài)，二是診斷和分析各驅(qū)動器工作狀態(tài)做出異常處理決策，三是進行不同狀態(tài)下異常處理。異常處理有以下幾類：

1）COE 狀態(tài)錯誤：一般情況下通過重新啟動過程來消除狀態(tài)操作。

2）驅(qū)動器警告：一些簡單警告可以用復位解決。

3）驅(qū)動器故障：提出用戶終止執(zhí)行，檢查硬件。

4）用戶急停：恢復初始化參數(shù)。

主循環(huán)由一個PD 定時器負責定時處理，能夠動態(tài)調(diào)整間隔時間，減少操作系統(tǒng)進程調(diào)度引起的周期時間跳動，保證EtherCAT 主站周期循環(huán)的實時性。主循環(huán)定時周期為0.5 毫秒，即頻率為2kHz，可以保證滿足用戶層最高1ms 實時循環(huán)的應用需求。

4 實驗及結(jié)果

4.1 實時性測試

本項目試驗和驗證過程是統(tǒng)一的，由兩個計時過程分析組成。第一個計時分析是確定內(nèi)核模塊EtherCAT 主站主循環(huán)的實時性，這個實時性決定了用戶指令執(zhí)行的實時性。第二個計時分析是確定用戶層控制實時性，這個實時性決定了運動控制的實時性。

第一個計時分析采用內(nèi)核高精度定時器執(zhí)行，在2kHz 頻率驅(qū)動7 個Elmo 驅(qū)動器情況下，經(jīng)過幾次試驗，跳動量為0.1%～1.1%，表明主站的實時性很高。這個實時性的保障來源于兩個因素，一是內(nèi)核模塊的線程實時優(yōu)先級，二是PD 定時器的動態(tài)時間控制。

第二個計時分析采用libbarrett 自帶的分析方法。作為一個優(yōu)秀的機器人運動控制庫，libbarrett 除了提供重要的運動控制功能外，還提供了檢測自身控制實時性的方法。這個方法在real_time_execution_manager.cpp 源文件中，有專門代碼報告實時控制循環(huán)的狀態(tài)，包含內(nèi)容見表1 所示。

表1 實時循環(huán)控制報告

經(jīng)過多次試驗，得到如表1 所示結(jié)果，可以看出，用戶層的實時控制循環(huán)有著相當好的實時性。

4.2 例程測試

libbarrett 庫提供了兩個重要應用例程，bt-wamzerocal 和bt-wam-autotension，分別用于標定機器人工作零點和自動收緊各關(guān)節(jié)鋼絲繩。多次使用bt-wam-zerocal進行零點矯正試驗，每次都能夠正確執(zhí)行并完成零點矯正。多次使用bt-wam-autotension 進行鋼絲繩收緊功能試驗，收緊功能正常，并能夠完成各個關(guān)節(jié)鋼絲繩收緊。另外，運行l(wèi)ibbarrett 庫提供的運動測試例程，也達到了改造前的運動控制效果。

根據(jù)以上測試結(jié)果，可以認為基于EtherCAT 通信的驅(qū)動改造基本達到預期效果，成功達到此次改造目標。

5 結(jié)論

基于CAN 總線的驅(qū)動和基于EtherCAT 總線的驅(qū)動最大的不同點是，EtherCAT 通信需要一個主站進行控制，通過以太網(wǎng)卡與驅(qū)動器進行通信，而CAN 總線沒有主站，直接與驅(qū)動器進行通信。將基于CAN 總線的通信轉(zhuǎn)換成基于EtherCAT 的通信，實際上是用一個以太網(wǎng)卡和EtherCAT 主站替代CAN 總線卡。雖然，EtherCAT 總線的機器人驅(qū)動方式改造是在WAM 機器人上進行的，但是，改造方案確是通用的，完全可能將一些基于CAN 總線運動控制設備，改造成基于EtherCAT 總線驅(qū)動的設備，并且能夠達到與原設備驅(qū)動相同的能力。