傳統(tǒng)意義上的機(jī)器人可以分為服務(wù)型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人家庭中的成員，是目前世界上應(yīng)用較多和發(fā)展前景最為廣闊的一類。工業(yè)機(jī)器人按照機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為多關(guān)節(jié)機(jī)器人、平面多關(guān)節(jié)(SCARA)機(jī)器人、并聯(lián)（DELTA）機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人以及協(xié)作機(jī)器人。廣泛應(yīng)用于搬運(yùn)、上下料、焊接與釬焊、裝配與拆卸、潔凈室、涂層、封膠、加工領(lǐng)域等工業(yè)場景。

▲主要工業(yè)機(jī)器人類別（來源：TE智庫）

隨著國家戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人的自主研發(fā)上升到了一個全新的高度，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入快速發(fā)展階段。IFR、中國電子學(xué)會統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2023 年中國工業(yè)機(jī)器人市場的總出貨量為30.9萬臺，同比增速為6.6%；市場規(guī)模約692億元，同比增長14%。預(yù)計(jì)未來五年，伴隨著3C消費(fèi)電子需求持續(xù)回暖，以及新能源汽車、鋰電、光伏等新能源產(chǎn)業(yè)的周期性調(diào)整，中國工業(yè)機(jī)器人市場預(yù)計(jì)將保持 5%-10%的增速持續(xù)增長。

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要包括三大部分：主控單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測裝置。

▲典型工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）主控單元是整個機(jī)器人系統(tǒng)的核心，主要包含了運(yùn)動控制器和人機(jī)界面，人機(jī)界面大多采用觸摸屏和手操器用于接收用戶輸入實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定，同時顯示機(jī)器人的姿態(tài)、位置等信息。運(yùn)動控制器是整個控制單元的核心，其需要完成反饋信息的處理正逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算、軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)算法，也就是運(yùn)動控制器會根據(jù)感知系統(tǒng)反饋的信息和用戶設(shè)定計(jì)算出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，并下發(fā)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)類似于人體的手腳部分，主要包括工業(yè)機(jī)器的機(jī)械部分和伺服單元。其中伺服單元采用伺服驅(qū)動器+伺服電機(jī)，伺服驅(qū)動器與運(yùn)動控制器直接相連，用于接收運(yùn)動控制發(fā)出的控制信息，然后控制伺服電機(jī)依給定的加速度和速度完成給定的位置，伺服電機(jī)與機(jī)器人的機(jī)械臂相連，帶動機(jī)械臂完成指定的動作。

3）檢測裝置為機(jī)器人的感知系統(tǒng)，用于對執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置量等信息進(jìn)行采集，然后反饋到控制器，使用相關(guān)控制算法調(diào)整控制器的輸出信號。感知系統(tǒng)可分為內(nèi)部檢測裝置和外部檢測系統(tǒng)，內(nèi)部檢測裝置大多集成在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動中，通過編碼器反饋相關(guān)檢測量，并且在執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部已經(jīng)構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)伺服服驅(qū)動器的脈沖產(chǎn)生數(shù)等于給定脈沖數(shù)。外部檢測裝置主要是視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)可獲取工件位置信息。機(jī)器人的精度與感知的檢測精度密切相關(guān)。

▲典型工業(yè)機(jī)器人工作原理（來源：埃夫特）

EtherCAT通信的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)

在整個工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人的“心臟”，控制系統(tǒng)的好壞直接決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣，在機(jī)器人技術(shù)中具有至關(guān)重要的地位。

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和范圍的不斷擴(kuò)展，為了滿足各種工藝，工業(yè)機(jī)器人對控制系統(tǒng)開放性要求越來越高，要求支持各種輸入輸出，多種控制任務(wù)；方便功能模塊的增減,使系統(tǒng)容易集成和擴(kuò)展。另外，實(shí)時性也是控制系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，很大程度上影響工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)精度。

工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)與驅(qū)動設(shè)備之間時離不開大量的數(shù)據(jù)和信息傳遞。傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線已滿足不了高性能機(jī)器人對于通信的需求，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)為機(jī)器人通信提供了全新的選擇。工業(yè)以太網(wǎng)高速實(shí)時同步的通信性能讓機(jī)器人通信水平邁上新的臺階，使機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入一個全新階段。

EtherCAT是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)之一，具有傳輸速率快、多軸同步性高、實(shí)時性好等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景，適用于多軸運(yùn)動控制領(lǐng)域，與工業(yè)機(jī)器人對通信網(wǎng)絡(luò)所提出的高實(shí)時、高同步、高帶寬、高靈活性等要求十分契合，使得EthcrCAT成為目前工業(yè)機(jī)器人通信的首選技術(shù)。

▲基于EtherCAT通信的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

EtherCAT技術(shù)目前在全球范圍內(nèi)推廣，憑借其優(yōu)越的性能，深受機(jī)器人控制、汽車和移動設(shè)備及嵌入式系統(tǒng)等開發(fā)單位喜愛，在眾多領(lǐng)域已有了廣泛的應(yīng)用。許多企業(yè)包括倍福、KUKA、ABB、安川以及歐姆龍等對EtherCAT進(jìn)行了深入研究，并且推出了較為成熟的 EtherCAT產(chǎn)品，且已應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。

EtherCAT通信的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件組成

典型的EtherCAT通信的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要由基于嵌入式微處理器的主站和基于EtherCAT從站控制器ESC的從站組成。

▲典型EtherCAT通信的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個機(jī)器人控制系統(tǒng)采用EtherCAT協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制器與各模塊間的通訊。系統(tǒng)可以根據(jù)需求任意增減硬件模塊，組成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可擴(kuò)展多個控制器實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由EtherCAT主站和EtherCAT從站組成，從站分為運(yùn)動控制模塊、I/O模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等。

EtherCAT主站采用嵌入式微處理器來控制調(diào)度整個系統(tǒng)的運(yùn)行，主要管理EtherCAT狀態(tài)機(jī)以及運(yùn)動控制。

示教盒作為主站的輔助工具，主要起離線路徑規(guī)劃及示教作用。

DSP作為主站的協(xié)處理器，主要完成運(yùn)動軌跡的插補(bǔ)。

EtherCAT從站由EtherCAT從站控制器ESC(EtherCAT Slave Controller)實(shí)現(xiàn)的。

從站控制器ESC提供3種PDI接口：微處理器接口、SPI接口、I/O接口。ESC是采用ASIC或FPGA實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動模塊具有EtherCAT接口，由多軸伺服電機(jī)組成一支機(jī)械手以完成實(shí)際任務(wù),可選擇不同的工作部件，附著在機(jī)械手末端完成各種工作。

IO模塊直接由從站控制器ESC自身的IO資源實(shí)現(xiàn)輸入輸出控制，一個IO從站最多支持32路IO信號。數(shù)據(jù)采集模塊則是加了一個AD轉(zhuǎn)換器。

EtherCAT從站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信和過程控制，從站設(shè)備既可以是簡單的IO設(shè)備，例如帶有 EtherCAT 接口的傳感器，也可以是復(fù)雜的設(shè)備，例如伺服驅(qū)動器。EtherCAT 從站系統(tǒng)組成包括從站微處理器、從站控制器、EEPROM 和標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件。

▲典型EtherCAT從站設(shè)備組成

碼靈半導(dǎo)體工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)EtherCAT通信解決方案

EtherCAT從站控制器用于實(shí)現(xiàn)EtherCAT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)幀的處理工作，是整個從站實(shí)現(xiàn)EtherCAT通信的核心。碼靈半導(dǎo)體提供的CF110x系列ESC芯片為EtherCAT從站開發(fā)提供了高性價(jià)比的優(yōu)秀解決方案，滿足工業(yè)機(jī)器人在各種復(fù)雜工藝下，控制系統(tǒng)對通信總線的要求：

1）可靠的通訊：適合復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境；

2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性：響應(yīng)時間通常在0.5~10ms，以達(dá)到工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時控制需要；

3）命令執(zhí)行和狀態(tài)反饋的同步性：各坐標(biāo)軸需要較高的同步運(yùn)動精度，保證各軸在收到命令后在同一時刻執(zhí)行位置控制指令和同時采樣位置信息

；4）開放性好：總線應(yīng)支持的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足不同需要，同時方便集成和擴(kuò)展。

碼靈半導(dǎo)體推出的CF110x系列最多可以提供3個數(shù)據(jù)收發(fā)端口，使從站能夠靈活的實(shí)現(xiàn)各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，內(nèi)部含有8個FMMU單元，8個SM通道，4KB控制寄存器，8KB過程數(shù)據(jù)存儲區(qū)，支持64位分布式時鐘功能，其中8KB過程數(shù)據(jù)存儲區(qū)是DPRAM，用于和微控制器交換數(shù)據(jù)。CF110x系列提供了三種過程數(shù)據(jù)接口：數(shù)字量IO接口、SPI接口和8/16位異步微控制器接口（μC8/16），其中SPI和μC8/16用于連接外部微控制器，組成復(fù)雜的從站設(shè)備。

可選擇性集成2個10M/100Mbps以太網(wǎng)PHY，兼容100BASE-TX，或32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器（MCU），既能支持簡單數(shù)字處理的設(shè)備，又能用于處理復(fù)雜信號的設(shè)備。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片結(jié)構(gòu)框圖

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片實(shí)物圖

同時支持CoE、EoE、FoE、SoE等EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議，適合作為所有類型的 EtherCAT 設(shè)備的通用解決方案，包括伺服電機(jī)驅(qū)動器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、變頻器、工業(yè)機(jī)器視覺、工業(yè)通信模塊/接口卡、遠(yuǎn)程I/O、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等工業(yè)機(jī)器人及其他工業(yè)自動化領(lǐng)域。

▲碼靈半導(dǎo)體CF110x系列芯片典型應(yīng)用領(lǐng)域

隨著機(jī)器人控制技術(shù)在工業(yè)方面的應(yīng)用范圍不斷拓寬，對控制任務(wù)和控制功能的需求也變得廣泛和復(fù)雜。為適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)制造的發(fā)展，采用實(shí)時以太網(wǎng)技術(shù)EtherCAT來構(gòu)建工業(yè)機(jī)器人的控制通信系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢。基于碼靈半導(dǎo)體CF110x系列EtherCAT芯片開發(fā)的通用性工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)，可有效降低生產(chǎn)成本，縮短研發(fā)周期，對普及工業(yè)機(jī)器人和提高工業(yè)生產(chǎn)效率具有重要意義。