基于EtherCAT的机器人控制总线方案研究.pdf

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1、２０１３年４月计算机工程与设计Ａｐｒ．２０１３第３４卷第４期ＣＯＭＰＵＴＥＲＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＤＥＳＩＧＮＶｏｌ．３４Ｎｏ．４基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ的机器人控制总线方案研究刘冬，闵华松，杨杰（武汉科技大学冶金自动化及检测技术教育部工程研究中心，湖北武汉４３００８１）摘要：针对当前机器人网络化控制对通信带宽、响应速度、实时性等方面的更高要求，提出了基于ＥｔｈｅｒＣＡＴ的机器人控制总线解决方案。通过分析机

2、器人控制的需求和ＥｔｈｅｒＣＡＴ的特点，采用线性拓扑结构来构建研究平台。从站采用ＳＴＭ３２和ＣＯＭＸ模块设计伺服控制器；主站采用Ｌｉｎｕｘ系统和ＲＴＡＩ模块构建支撑平台，并移植ＥｔｈｅｒＣＡＴ协议栈ＳＯ－ＥＭ，结合网络控制模型来实现机器人伺服节点的分布式控制。通过实验验证了方案的可行性，并分析了总线的延时组成。关键词：机器人；控制总线；实时以太网；嵌入式从站；数据周期中图法分类号：ＴＰ２７３文献标识号：Ａ文章编号：１０００－７０２４（２０１３）０４－１２３８－０６Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌ

3、ｂｕｓｓｃｈｅｍｅｂａｓｅｄｏｎＥｔｈｅｒＣＡＴＬＩＵＤｏｎｇ，ＭＩＮＨｕａ－ｓｏｎｇ，ＹＡＮＧＪｉｅ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００８１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅｈｉｇｈｅｒｄｅｍａｎｄｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂａｎｄｗ

4、ｉｄｔｈ，ｒｅｓｐｏｎｓｅｓｐｅｅｄ，ｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｏｔｈｅｒａｓｐｅｃｔｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔｒｏ－ｂｏｔｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌ，ａｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｂｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎＥｔｈｅｒＣＡＴｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅ－ｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＥｔｈｅｒＣＡＴ，ａｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔｕｓｉｎｇａｌｉｎｅａｒｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ

5、ｔｈｅｓｌａｖｅＳＴＭ３２ａｎｄＣＯＭＸｍｏｄｕｌｅａｒｅｕｓｅｄｔｏｄｅｓｉｇｎｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｌｅｉｎｔｈｅｍａｓｔｅｒＬｉｎｕｘｓｙｓｔｅｍａｎｄＲＴＡＩｍｏｄｕｌｅｔｏａｒｅｕｓｅｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍ，ａｎｄＥｔｈｅｒＣＡＴｐｒｏｔｏｃｏｌｓｔａｃｋＳＯＥＭｉｓｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄ，ｔｈｅｎｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｓｅｒｖｏｎｏｄｅ

6、ｓｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｂｕｓｄｅｌａｙｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｏｂｏｔ；ｃｏｎｔｒｏｌｂｕｓ；ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｅｔｈｅｒｎｅｔ；ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｌａｖｅ；ｄａｔａｃｙｃｌｅ实现远距离的调速和参数的设定等。在机器人控制系统中０引言采用实时以太网架构，利用嵌入式系统的软硬件技术设计机器人控制系统是机器人信息处理和控制的主体，随复杂机器人的

7、伺服通信总线，具有很强的可行性和很高的着复杂机器人、模块化机器人、多机器人系统的出现，机研究价值。器人控制系统的体系结构出现了新的发展方向，对控制系目前国际上有多种实时以太网，ＥｔｈｅｒＣＡＴ是德国统的网络化、通信带宽、响应速度、实时性方面提出了更Ｂｅｃｋｈｏｆｆ公司提出的一种实时以太网的解决方案，它采用［１］。传统的机器人控制系统（集中控制方式、主从高要求主从站构建模式，主站使用常规的以太网卡，从站使用专控制方式、串行总线控制方式）显然无法满足这些需求，用的从站控制器芯片。ＥｔｈｅｒＣＡＴ在拓扑结构、时钟

8、同步、［３］，同时它支尤其是在控制多个轴，多个关节运动时，实时性与协调性数据传输速度和构建成本方面有很大的优势的问题显得尤为突出。这就需要针对复杂机器人系统设计持线性节点和冗余电缆。综合比较各种实时以太网的特点［２］。及性能，根据机器人伺服通信的需求，本课题选择了Ｅｔｈ－一种高带宽、高实时性的伺服通信总线来解决此问题随着计算机、通信及控制技术的不断发展，控制设备逐渐ｅｒＣＡＴ协议为基础来构建机器人的伺服通信系统，