來自英國(guó)領(lǐng)先的機(jī)器人公司 Shadow 機(jī)器人采用 EtherCAT 解決了很多問題，并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能強(qiáng)大、開放的方案、用于實(shí)施真正創(chuàng)新的應(yīng)用。
英國(guó) Shadow Robot 公司擁有很多高端產(chǎn)品，包括 Dexterous 機(jī)器手，這是一臺(tái)擬人操作機(jī)器手，帶有 20 個(gè)自由度，機(jī)器手采用了 129 個(gè)傳感器來提供細(xì)節(jié)遙測(cè)，從而生成操作控制系統(tǒng)或提供細(xì)節(jié)的外部環(huán)境情況。
同每個(gè)關(guān)節(jié)的位置感一樣， 該機(jī)器手帶有對(duì)每個(gè)執(zhí)行器的力感、指尖觸感、溫度和電機(jī)電流，以及電壓感。所有從 100Hz 到 1kHz 的數(shù)據(jù)通過一個(gè)高帶寬的 EtherCAT 接口對(duì)用戶開放。該機(jī)器手提供給用戶獨(dú)特的功能：包括接近人手的功能并可以作為替代人手的電子操作工具使用，也可以被集成到機(jī)器人的系統(tǒng)中。
EtherCAT 的實(shí)施使我們改變了機(jī)器人的設(shè)計(jì)、研發(fā)和性能，這也正是S h a d ow 公司為最新的正在積極商業(yè)化的 RoNex 方案所尋找的技術(shù)。RoNeX 是一個(gè)基于 EtherCAT 芯片組的“機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)”，能提供高速、低延遲的模塊化方法將執(zhí)行器、傳感器及 I2C 和 SPI 總線連接到 ROS(機(jī)器人操作系統(tǒng))軟件控制系統(tǒng)。同時(shí)，RoNeX 將現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用到了傳感器執(zhí)行器領(lǐng)域。
圖1：Dexterous 機(jī)器手集成了多達(dá) 129 個(gè)傳感器。
Shadow 公司總經(jīng)理 Rich Walker 闡述了板上元器件的歷史：“在 10 到15 年前，我們決定采用分布式電子器件，并需要一種可以支持我們?cè)O(shè)想的那種性能的通信系統(tǒng)。最初我們的設(shè)計(jì)采用了 CANbus，這種技術(shù)使用簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展且實(shí)現(xiàn)了我們需要的分布式架構(gòu)。然而，它仍有缺點(diǎn)。在CANbus 達(dá)到其性能極限時(shí)，對(duì)布局和時(shí)間非常敏感。當(dāng)速度達(dá)到極限時(shí)， 就開始遇到與 PC 連接的問題，并且需要在分布各處的硬件中嵌入控制軟件，導(dǎo)致了長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)周期等各種問題。”
“我們需要一個(gè)更快、更可靠穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)”，Walker 解釋說，“這種需求引導(dǎo)我們走向 EtherCAT。美國(guó)的一家機(jī)器人領(lǐng)導(dǎo)企業(yè) Willow Garage采用 EtherCAT 開發(fā)了開放的機(jī)器人操作系統(tǒng) ROS，我們希望自己的設(shè)備也與其兼容。我們?cè)?ROS 的研究也導(dǎo)向EtherCAT，如他們所說，這是一個(gè)歷史必然?！?/FONT>
他繼續(xù)說道：“因?yàn)?EtherCAT 的通信是在兩個(gè)芯片中的，因此建立這種通信非常簡(jiǎn)單。更快的速度、時(shí)間確定性、可擴(kuò)展且拓?fù)溥x擇無限都非常符合我們的需求。這成為一個(gè)很棒的方案。我們可以從主站控制它，它提供了更好的性能和至關(guān)重要的時(shí)間確定性通信。數(shù)據(jù)的有效使用率也超過了CANbus，因此可以連接更多的節(jié)點(diǎn)且性能不受限。我們開始研發(fā)新的硬件并將 Dextrous 機(jī)器手改用 EtherCAT 通信;隨即就看到了在速度和控制方面的改善。”
Shadow 公司也參與很多研發(fā)項(xiàng)目，其中包括 STIFF-FLOP(堅(jiān)固、可控、靈活且可學(xué)習(xí)的外科手術(shù)操作器)。由倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院牽頭，作為歐洲第七個(gè)框架項(xiàng)目，有 12 個(gè)合作伙伴參與，研究將機(jī)器人應(yīng)用到醫(yī)療過程中?！霸谠擁?xiàng)目中，我們的角色是集成工作，”Walker 告訴我們，“12 個(gè)合作伙伴的輸出將被一個(gè)適宜的控制方案集成在一起。我們從第一天起設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)就考慮了集成功能，因此在研發(fā)最初就設(shè)計(jì)一種可以集成硬件和軟件的方法。在面對(duì)各種不同的且有效的互聯(lián)，數(shù)量眾多的 IO時(shí)，我們需要考慮可擴(kuò)展性、通信和速度。簡(jiǎn)而言之，我們需要一個(gè)通用的機(jī)器人架構(gòu)?！?/FONT>
“Willow Garage 已經(jīng)研發(fā)了 ROS且將引入了一個(gè)非常好的機(jī)器人架構(gòu)，”他詳盡闡述道，“他們還為軟件建立了一個(gè)分布式設(shè)施，并創(chuàng)建了對(duì)所有兼容性軟件系統(tǒng)的穹頂，系統(tǒng)可以在 Ubuntu(Linux 的一個(gè)版本)上運(yùn)行。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們研發(fā)了一個(gè) EtherCAT 方案，所有的硬件可以集成到 ROS 中?！?/FONT>
“我們意識(shí)到需要一個(gè)方案可以使底層的設(shè)備與 ROS 通信，”Walker 解釋說，“雖應(yīng)建立一個(gè)底層系統(tǒng)，但實(shí)施并不容易。ROS 的底層需要很長(zhǎng)時(shí)間與硬件通信。因此我們做的就是發(fā)現(xiàn)問題并解決它。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè) EtherCAT 系統(tǒng)，可以將所有的硬件分布式布局同時(shí)全部插入到 ROS 系統(tǒng)中。該方案采用在 EtherCAT 中的例行配置功能尋找每一個(gè)硬件——基本上是 EtherCAT 幫我們和合作伙伴完成了所有的硬件工作?！?/FONT>
基于 EtherCAT 的 RoNeX 模式的例行配置功能就如同一個(gè)即插即用的 USB 鼠標(biāo)?！澳愕?PC 識(shí)別了鼠標(biāo)及其基本功能，但是還需點(diǎn)擊鼠標(biāo)。RoNeX 識(shí)別組件為一個(gè)電機(jī)，提供基本的功能，并允許用戶稍后調(diào)整其他參數(shù)?！?/FONT>
圖2：RoNeX 組板集成了 RJ45 接頭。
RoNeX 采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 Beckhoff(德國(guó)倍福)EtherCAT 芯片，可鏈接任何需要 IO 的微處理器系統(tǒng)。“該架構(gòu)足夠靈活，我們可以采用同樣的模塊為機(jī)器人設(shè)計(jì)創(chuàng)建多個(gè)不同的 IO 節(jié)點(diǎn)。這些模塊包括直線電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、精確的模擬量和數(shù)字量 IO，或者是用戶需求的放置在執(zhí)行器端的專用組合?！?/FONT>
“通過 E t h e r CAT 實(shí)現(xiàn)的分布式元器件方案在 EMI 方面也更有優(yōu)勢(shì)，”Walker 耐心解釋道，“這是因?yàn)楦俚牟季€工作。當(dāng)告訴那些使用了 ROS 的用戶我們基于 RoNeX 和EtherCAT 所做的工作時(shí)，他們通常問‘我們何時(shí)可以使用?’我們還開發(fā)了可以輕松使用在無電子組件的人工方案;機(jī)械工程師確實(shí)可以采用 RoNeX 作為項(xiàng)目開發(fā)最初始階段的輔助?！?/FONT>
Shadow 公司是技術(shù)前沿的最好代表，他們需要與機(jī)器人方案提供的功能所匹配的網(wǎng)絡(luò)性能。采用 EtherCAT研發(fā) RoNeX，Shadow 公司成功研發(fā)了一套簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)和研發(fā)工作的系統(tǒng)，同時(shí)提供了令人難以置信的操作性能。EtherCAT 的數(shù)據(jù)利用率、確定性及靈活的拓?fù)洌又淇商峁┖芏喙I(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制器的接口，使其成為高速、高精度，面向未來的應(yīng)用方案。
關(guān)于 Shadow 機(jī)器人
公司創(chuàng)立于 1987 年并組建于 1997年，Shadow 機(jī)器人公司專注于研發(fā)前沿機(jī)器人。此后該公司的 20 名研發(fā)和生產(chǎn)工程師為其帶來欣欣向榮的商機(jī)，公司在倫敦、布雷斯特及上海設(shè)立分支機(jī)構(gòu)并在全球銷售。公司也是技術(shù)實(shí)現(xiàn)者，開發(fā)新的理念并為客戶或研究院所實(shí)現(xiàn)其理念，同時(shí)還提供商業(yè)創(chuàng)立和支持服務(wù)。
（轉(zhuǎn)載）
