基于Ether CAT的機器人教學(xué)實驗平臺設(shè)計

鄭 林， 何嶺松， 陳 馳

（華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074）

0 引 言

機器人教學(xué)是工科類實驗教學(xué)中重要的組成部分［1］。在傳統(tǒng)的機器人教學(xué)中，多采用工業(yè)機器人作為實驗教學(xué)的對象，例如采用ABB機器人作為機器人實驗教學(xué)的工具［2-3］。這些工業(yè)機器人價格一般較為昂貴，因此存在實驗資源有限的問題，并且學(xué)習(xí)、試錯成本較高。此外，這些工業(yè)機器人實驗平臺雖然提供完整的控制解決方案，但是想熟練地掌握需要付出大量時間，增加學(xué)生工作量，另外不同的工業(yè)機器人操作會存在較大的差異，這也會給學(xué)生造成一定的困擾，因此，這些方案會降低機器人實驗教學(xué)的效果［4］。通過引入開放式的實驗平臺，使得學(xué)生能夠參與到機器人實驗控制系統(tǒng)的搭建中，提高機器人教學(xué)實驗中學(xué)生的參與度與成就感，能夠大幅提高實驗教學(xué)的效率。

為了使機器人實驗平臺具有更好的靈活性和可擴展性，采用基于EtherCAT的機器人控制系統(tǒng)解決方案［5-6］。EtherCAT是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，可使用PC實現(xiàn)主站功能，從而構(gòu)建基于PC的控制系統(tǒng)［7］。在基于PC的控制系統(tǒng)中，可以將過程控制、批量控制以及運動控制等合為一體，有利于整個控制系統(tǒng)的高度集成。在降低硬件使用成本的同時，PC上的軟件開發(fā)可移植性好、軟件升級簡單，從而使得控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試和維護更加的方便簡單［8］。目前基于PC的運動控制系統(tǒng)有倍福公司的TwinCAT3、西門子公司的SIMOTION等，在這些系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)的PLC控制功能采用軟PLC的方式實現(xiàn)，用戶開發(fā)的PLC程序運行在虛擬PLC之上［9-11］。這些基于PC的解決方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，但是對于機器人實驗教學(xué)來說，這些系統(tǒng)過于龐大，對于專業(yè)知識和編程能力具有較高的要求，而且軟件價格較為昂貴，因此對于機器人實驗教學(xué)來說有必要開發(fā)一個操作簡單、低成本的實驗平臺。

1 實驗平臺整體架構(gòu)設(shè)計

EtherCAT是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線技術(shù)，采用主從模式介質(zhì)訪問控制（MAC），主站發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀給各個從站設(shè)備；而從站從數(shù)據(jù)幀中提取輸出數(shù)據(jù)并將輸入數(shù)據(jù)插入到數(shù)據(jù)幀中。EtherCAT主站使用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口卡；而從站使用專用的EtherCAT從站控制器ESC，在主從站之間使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層器件進行連接。為實現(xiàn)控制的實時性和主從站之間的同步性，通過ESC實現(xiàn)硬實時，可獲得小于100μs的數(shù)據(jù)刷新周期；分布時鐘使所有EtherCAT設(shè)備使用相同的系統(tǒng)時間，從而控制各個設(shè)備任務(wù)的同步執(zhí)行［12-13］。

基于EtherCAT的機器人教學(xué)實驗平臺整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。圖中EtherCAT總線通信協(xié)議作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)，將PC主站和各個從站設(shè)備連接起來，從而構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)化的實驗平臺。機器人運動控制主站實現(xiàn)主要的控制功能，包括G代碼指令解析、機器人運動學(xué)求解及運動規(guī)劃等功能。另外，可重構(gòu)裝配模塊可以將多個機器人及其他輔助設(shè)備（如傳送帶、傳感器等）按實驗需求進行裝配，實現(xiàn)多機器人的運動控制。機器人運動控制從站實現(xiàn)具體的控制任務(wù)，接收主站發(fā)送的控制指令并轉(zhuǎn)換成脈沖信號并通過驅(qū)動器驅(qū)動電機動作，從而完成實際機器人的運動控制。

圖1 實驗平臺整體架構(gòu)設(shè)計

2 機器人運動控制從站實現(xiàn)方案

2.1 從站硬件設(shè)計方案

從站采用微處理器＋ASIC（特殊應(yīng)用集成電路）的架構(gòu)，其中微處理器采用STM32F407，ASIC采用LAN9252作為ESC。STM32F407實現(xiàn)EtherCAT應(yīng)用層協(xié)議棧，與電動機驅(qū)動器、傳感器等外設(shè)直接相連，而ESC實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的功能，作為從站的通信接口。

從站硬件功能模塊如圖2所示。STM32微處理器和LAN9252之間采用SPI串行通信方式，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的交換。LAN9252使用I2C總線與E2PROM通信，用于存儲從站配置信息。從站使用到LAN9252的兩個MII接口，內(nèi)置PHY芯片，可以實現(xiàn)線性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。STM32F407通過PWM驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)電動機動作，從站中共有6路PWM輸出，可以同時驅(qū)動6個步進軸運動，滿足大部分情況下的機器人實驗控制需求。此外，從站還有基本的I／O輸入輸出功能，可以用于連接傳感器和驅(qū)動電磁閥動作等，而USB調(diào)試接口、A／D接口可分別實現(xiàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)采集的功能。

圖2 從站硬件功能模塊

2.2 從站運動控制實現(xiàn)方案

主站和從站之間以周期性和非周期性的事件進行信息交互。EtherCAT從站可以運行在自由運行模式和同步運行模式，在自由運行模式下，由微處理器進行主動查詢；而在同步運行模式下，數(shù)據(jù)交換以中斷的方式進行，微處理器響應(yīng)中斷來進行數(shù)據(jù)交互，具有更高的實時性。本方案中從站設(shè)備運行在同步運行模式下從而保證系統(tǒng)的實時性。從站運動控制工作流程如圖3所示。

圖3 從站運動控制工作流程

從站運動控制包括從站初始化、過程數(shù)據(jù)交互和郵箱數(shù)據(jù)交互。在初始化過程中，需要配置ESC和STM32的相關(guān)中斷寄存器并啟動過程數(shù)據(jù)看門狗定時器，STM32獲取ESC芯片DPRAM容量和SM通道數(shù)目，將EtherCAT狀態(tài)機設(shè)置為Init狀態(tài)。當(dāng)從站進入DC同步運行模式時，通過外部中斷的方式響應(yīng)主站的控制請求。EtherCAT數(shù)據(jù)幀到達從站，過程數(shù)據(jù)被寫入到接收緩沖區(qū)，由ESC的IRQ引腳觸發(fā)STM32外部中斷進入中斷服務(wù)程序，獲取機器人各個電機軸的控制指令并轉(zhuǎn)換為PWM脈沖信號輸出，通過驅(qū)動器驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)軸動作。而當(dāng)SYN0同步事件發(fā)生時，STM32獲取電動機、傳感器信號、A／D等從站狀態(tài)數(shù)據(jù)寫入SM3存儲管理區(qū)發(fā)送給主站。從站非周期性事件主要為郵箱通信，用于狀態(tài)機切換，在STM32主循環(huán)中，通過ECAT_Main（）函數(shù)判斷是否發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換請求，若發(fā)生則通過調(diào)用AL_ControlInd（）函數(shù)進行狀態(tài)機處理。

3 機器人運動控制主站實現(xiàn)方案

EtherCAT采用一主多從的通信模型，主站承擔(dān)系統(tǒng)主要的運動控制和邏輯控制任務(wù)。在本方案中，機器人運動控制主站使用SOEM開源主站庫實現(xiàn)EtherCAT主站通信功能，并向應(yīng)用層提供通信接口，而在應(yīng)用層實現(xiàn)G代碼解析、機器人運動學(xué)正反解以及多機器人協(xié)作等控制功能，提高系統(tǒng)的通用性和可擴展性。本方案中機器人運動控制主站架構(gòu)如圖4所示。

圖4 機器人運動控制主站架構(gòu)

3.1 Ether CAT主站通信接口實現(xiàn)方案

EtherCAT主站可由任意集成了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口的設(shè)備實現(xiàn)，在本方案中，主站軟件運行在Windows平臺上，并移植開源主站軟件SOEM實現(xiàn)EtherCAT主站協(xié)議棧，完成EtherCAT基本通信功能，并向軟件應(yīng)用層提供服務(wù)接口以實現(xiàn)EtherCAT狀態(tài)機切換和過程數(shù)據(jù)通信及郵箱通信的功能［14］。EtherCAT主站通信運行流程如圖5所示，整個運行流程包括3個主要部分，分別為主站初始化、EtherCAT狀態(tài)機循環(huán)和PLC周期性事件循環(huán)。

圖5 EtherCAT主站通信運行流程

在EtherCAT主站通信運行過程中，主站初始化是對EtherCAT協(xié)議棧、網(wǎng)卡設(shè)備等進行初始化，并通過順序?qū)ぶ返姆绞脚渲脧恼驹O(shè)備的相關(guān)信息，進行從站設(shè)備的地址映射，使得在同步運行模式下可以對從站設(shè)備進行邏輯尋址。EtherCAT狀態(tài)機負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)主站和從站應(yīng)用程序在初始化和運行時的狀態(tài)關(guān)系，從初始化狀態(tài)向運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，需按照“初始化→預(yù)運行→安全運行→運行”的順序進行，所有狀態(tài)改變都由主站發(fā)起。EtherCAT狀態(tài)機循環(huán)運行在一個單獨的后臺線程中，當(dāng)主站發(fā)起狀態(tài)轉(zhuǎn)換請求時，由這個線程維護狀態(tài)機并按照請求進行狀態(tài)的切換。PLC周期循環(huán)采用固定時間周期交換PDO過程數(shù)據(jù)，將主站控制指令發(fā)送給從站設(shè)備，并讀取從站狀態(tài)數(shù)據(jù)。

在機器人運動控制過程中，由主站軟件應(yīng)用層程序完成對指令解析、機器人運動求解，然后根據(jù)從站過程數(shù)據(jù)定義計算得到相應(yīng)的指令值，并將指令值傳遞給EtherCAT主站，主站通過周期性過程數(shù)據(jù)通信發(fā)送給從站設(shè)備，從而完成機器人的控制任務(wù)，同時主站接收從站的返回數(shù)據(jù)并反饋給應(yīng)用層。EtherCAT主站與應(yīng)用層程序交互設(shè)計如圖6所示。其中指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體為從站設(shè)備輸入輸出變量的地址映射，應(yīng)用層程序和主站程序通過共享地址的方式進行相互訪問。

圖6 EtherCAT主站與應(yīng)用層程序交互設(shè)計

3.2 機器人運動控制實現(xiàn)方案

機器人運動控制在主站軟件的應(yīng)用層實現(xiàn)，承擔(dān)機器人主要的控制邏輯，其實現(xiàn)原理如圖7所示。為了實現(xiàn)對機器人的有效控制，需要對機器人進行運動學(xué)求解，機器人運動學(xué)求解包括正向求解和逆向求解兩個過程，也就是建立機器人關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間之間的映射關(guān)系［15］。為實現(xiàn)機器人的可編程運動控制，采用G代碼指令作為機器人的控制指令，G代碼應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，通過解析G代碼指令，可以實現(xiàn)快速定位、直線運動、圓弧運動等運動功能［16］。在本系統(tǒng)中，使用G代碼作為控制指令，可以對機器人實現(xiàn)通用化的運動控制。

圖7 機器人運動控制實現(xiàn)原理

使用G代碼控制機器人的流程如圖8所示。用戶以文本的形式將G代碼進行輸入，并將指令傳遞到解析模塊，生成G代碼指令隊列，機器人對隊列中的G代碼指令進行逐行解析并進行運動學(xué)插補得到一系列的運動指令加入運動隊列中。在機器人運行期間，獲取運動指令，進行運動學(xué)反解運算，計算出機器人的關(guān)節(jié)運動數(shù)據(jù)，通過EtherCAT主站提供的交互接口，傳遞給主站程序，EtherCAT主站和從站設(shè)備進行周期性的數(shù)據(jù)交互，將運動數(shù)據(jù)發(fā)送給控制從站，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)進行運動。

圖8 G代碼控制機器人流程圖

3.3 多機器人協(xié)作實現(xiàn)方案

在復(fù)雜的機器人實驗場景中，往往需要多臺機器人相互協(xié)作共同完成實驗任務(wù)。為實現(xiàn)靈活的機器人運動控制，可以根據(jù)不同實驗場景進行機器人組態(tài)，本方案中采用組件化的方式，實現(xiàn)主站軟件平臺與機器人硬件之間的低耦合連接。機器人從站節(jié)點和主站應(yīng)用層中組件之間的映射關(guān)系如圖9所示。對于每一個接入系統(tǒng)的機器人節(jié)點，在主站軟件中都分配一個機器人組件與之對應(yīng)，組件和機器人從站之間的通過EtherCAT總線建立通信連接，因此對組件的操作可以最終反映到實際機器人之上。而EtherCAT協(xié)議層屏蔽了通信的細(xì)節(jié)實現(xiàn)過程，多機器人的協(xié)作可以在主站軟件應(yīng)用層實現(xiàn)，建立機器人組件之間的裝配關(guān)系，使得機器人相互協(xié)作完成實驗任務(wù)。

圖9 機器人節(jié)點與組件映射關(guān)系

組件之間的裝配關(guān)系由事件來進行定義，這些事件的來源包括系統(tǒng)開始運行事件、傳感器事件、機器人運行到位事件、夾具開閉事件等。系統(tǒng)采用事件驅(qū)動的方式進行運作，機器人節(jié)點在特定的事件觸發(fā)的前提下完成相應(yīng)的動作，從而協(xié)調(diào)多個機器人按照邏輯順序完成實驗任務(wù)。組件之間的事件驅(qū)動模型如圖10所示。組件提供事件發(fā)生端口和事件響應(yīng)端口，連接組件端口形成事件驅(qū)動流，而端口綁定關(guān)系由主站軟件進行管理，因此組件之間具有低耦合的特性，可以根據(jù)不同的實驗場景進行靈活的裝配，快速搭建實驗控制系統(tǒng)。

圖10 組件事件驅(qū)動模型

4 應(yīng)用實例與驗證

4.1 機器人教學(xué)實驗平臺控制系統(tǒng)搭建

機器人實驗平臺主站控制軟件運行在PC端，其主要包含了EtherCAT主站配置、機器人控制組件管理及組件裝配等功能，實驗前需要進行相關(guān)的配置操作。

機器人教學(xué)實驗平臺基本實驗流程如下：①將機器人等相關(guān)設(shè)備接入實驗平臺，并在主站軟件中加載對應(yīng)組件；②為機器人配置運動學(xué)模塊，編制G代碼實現(xiàn)相關(guān)運動控制；③根據(jù)實驗運行邏輯，連接組件之間的事件端口；④掃描EtherCAT從站，將機器人控制從站與對應(yīng)的組件建立連接，開始實驗。

4.2 單機器人控制實驗

為了驗證機器人實驗平臺具有通用性和可擴展性，采用Dobot、SCARA、Delta 3種機器人進行實驗，分別完成碼垛、寫字、激光雕刻等不同的實驗任務(wù)。圖11展示3種機器人完成實驗任務(wù)的場景。

從圖11可以看出，機器人實驗平臺能夠適用于多種機器人及不同實驗場景的控制需求，具有較高的通用性，說明機器人實驗平臺能夠正確地服務(wù)于機器人實驗教學(xué)，具有很好的靈活性。

圖11 單機器人運動控制實驗

4.3 小型生產(chǎn)線加工實驗

在很多機器人實驗場景中，需要實現(xiàn)多機器人實驗設(shè)備相互配合完成某項具體任務(wù)，因此設(shè)計了如圖12所示的小型生產(chǎn)線加工實驗。在該生產(chǎn)線加工實驗中，由3臺Dobot機器人、2個傳送帶、1臺銑床及相關(guān)的傳感器組成，Dobot機器人完成物料的搬運、銑床加工的上料和下料過程及物料的擺放等工作，而傳送帶將物料運輸?shù)街付ㄎ恢?，銑床則負(fù)責(zé)具體的銑削加工工作。該實驗中，多種機電運動設(shè)備相互協(xié)作，共同完成實驗任務(wù)。

圖12 小型生產(chǎn)線加工實驗場景

從生產(chǎn)線加工實驗中可以看出，本文所述的實驗平臺能夠快速搭建控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中的各個運動設(shè)備進行有效的控制，從而完成特定實驗任務(wù)。機器人組件化和裝配使得實驗平臺具有較高的可重構(gòu)性和可擴展性，能夠適應(yīng)機器人實驗的多樣化。

5 結(jié) 語

基于EtherCAT技術(shù)實現(xiàn)了機器人教學(xué)實驗平臺，利用STM32和LAN9252開發(fā)EtherCAT從站，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的靈活接入；主站在SOEM基礎(chǔ)上采用G代碼編程的方式實現(xiàn)機器人的通用化控制，同時將實際機器人映射為主站中的組件，采用組件裝配的方式實現(xiàn)多機器人的控制，使得實驗平臺具有很好的可擴展性。通過多個不同類型機器人的單獨控制實驗和生產(chǎn)線多機器人控制實驗證明本文設(shè)計的實驗平臺具有操作簡單、擴展性強的優(yōu)點，對于機器人的實驗教學(xué)具有一定的意義。