簡單來說，機(jī)器人內(nèi)部總線是一種連接機(jī)器人各個部件的通信線路，能夠在不同的硬件組件之間傳遞數(shù)據(jù)和控制信號。通過這條 “信息高速公路”，機(jī)器人的大腦(控制器)可以向各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電機(jī)、傳感器等)發(fā)送指令，同時也能接收來自這些部件的反饋信息，從而實現(xiàn)機(jī)器人的精確控制和穩(wěn)定運(yùn)行。

　　如圖所示，在復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)中，需要支持多個通信接口，并且可能會混合使用不同接口。上圖顯示了一個分散式機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多條通信接口路徑，每條路徑的規(guī)格都不相同。

　　總線的作用

　　數(shù)據(jù)傳輸：確保機(jī)器人各部件之間能夠快速、準(zhǔn)確地交換數(shù)據(jù)。比如，傳感器采集到的環(huán)境信息(如距離、溫度、光線等)，需要通過內(nèi)部總線及時傳輸給控制器，以便機(jī)器人做出相應(yīng)的決策。

　　同步與協(xié)調(diào)：協(xié)調(diào)不同部件的工作節(jié)奏。在機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時，多個關(guān)節(jié)的電機(jī)需要協(xié)同工作，內(nèi)部總線就能夠保證各個電機(jī)按照預(yù)定的順序和速度運(yùn)轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機(jī)器人動作的流暢性和精準(zhǔn)性。

　　控制信號傳遞：將控制器發(fā)出的控制指令傳達(dá)給各個執(zhí)行部件，使機(jī)器人能夠按照預(yù)設(shè)的程序完成各種動作，如行走、抓取、搬運(yùn)等。

　　隨著設(shè)計人員不斷探尋新的方法來實現(xiàn)更短的周期時間和更高的吞吐量，從而滿足大數(shù)據(jù)要求，使帶寬更寬的系統(tǒng)以超高效率工作，并更大限度地縮短停機(jī)時間，他們也希望通過重復(fù)使用現(xiàn)有布線基礎(chǔ)設(shè)施來更大限度地減少對升級的影響。大多數(shù)系統(tǒng)還采用高級功能，例如更智能的診斷、更高的安全規(guī)格以及更快、更好的實時特性來進(jìn)行電機(jī)控制。

　　控制系統(tǒng)通信是運(yùn)動控制器和其他各個部件的信息傳輸，如傳感器的數(shù)據(jù)需要傳給控制器，控制器的指令需要傳給執(zhí)行器等。目前主要的控制總線有串口總線RS232/RS485、CAN、EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、PROFIBUS、SERCOS、Ethernet、Modbus、CC-Link、MECHATROLINK等等?？紤]到足式機(jī)器人控制系統(tǒng)的帶寬、穩(wěn)定性與性價比等因素，目前足式機(jī)器人主要采用串口RS232/RS485、CAN、EtherCAT這三類總線。

　　總線、協(xié)議和接口

　　需要了解總線，先了解這三個不同概念：總線、協(xié)議和接口。

　　總線：主要功能是提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ溃瑢崿F(xiàn)設(shè)備之間的電氣連接和信號傳輸。它決定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?、速度和方向等物理特性?/p>

　　協(xié)議：側(cè)重于規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿嬕?guī)則，確保數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確、可靠地在設(shè)備之間進(jìn)行交換。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)的格式、傳輸?shù)牧鞒毯湾e誤處理的方法等。

　　接口：結(jié)合了物理和邏輯兩方面的特性。物理上，接口表現(xiàn)為各種插頭、插座;邏輯上，它規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶碗姎馓匦缘纫?guī)則。

　　其中，總線提供數(shù)據(jù)傳輸通道，協(xié)議規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸流程，接口進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換與適配。

　　常見的機(jī)器人內(nèi)部總線類型

　　CAN 總線：即控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network)，它具有高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)、成本較低等優(yōu)點。CAN總線由德國博世在 20 世紀(jì) 80 年代初為汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)。當(dāng)時，汽車中電子設(shè)備不斷增加，傳統(tǒng)布線方式難以滿足需求，CAN 總線應(yīng)運(yùn)而生，它以多主通信、高可靠性和實時性強(qiáng)等特點有效解決了這一問題，最初成功應(yīng)用于奔馳汽車。隨著時間推移，1991 年博世公司發(fā)布 CAN 2.0 協(xié)議規(guī)范，將其分為 CAN 2.0A(標(biāo)準(zhǔn)幀)和 CAN 2.0B(擴(kuò)展幀)，進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)傳輸能力和靈活性。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織也在 1993 年將其確定為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO 11898。之后，CAN FD(CAN with Flexible Data Rate)協(xié)議出現(xiàn)，大幅提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足了日益增長的大數(shù)據(jù)量傳輸需求。

　　除了汽車，在工業(yè)應(yīng)用場景中，CAN 總線表現(xiàn)也十分出色。在工業(yè)自動化領(lǐng)域，它用于連接可編程邏輯控制器(PLC)、傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備間的實時數(shù)據(jù)通信和協(xié)同工作，如自動化生產(chǎn)線中的機(jī)器人控制、物料輸送系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)中，CAN 總線被用于監(jiān)測和控制電力設(shè)備，像變電站的開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測、電力參數(shù)采集等，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在電梯控制系統(tǒng)里，CAN 總線可連接電梯的各個部件，如轎廂控制器、門機(jī)控制器、樓層傳感器等，實現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行控制和故障診斷。此外，在智能建筑領(lǐng)域，CAN 總線可用于連接照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)智能化的集中管理和控制?？偠灾珻AN總線非常適合連接各個關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動器和傳感器，確保機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　EtherCAT 總線：以太網(wǎng)控制自動化技術(shù)(Ethernet for Control Automation Technology)，是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)總線由德國倍福自動化有限公司在 2003 年首次提出，它是一種基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線技術(shù)。誕生之初，工業(yè)界急需一種高速、高效且低成本的通信解決方案，EtherCAT 應(yīng)運(yùn)而生，憑借其突破傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化應(yīng)用局限的特點，迅速獲得關(guān)注。它的最大特點是數(shù)據(jù)傳輸速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)納秒級的同步精度。EtherCAT僅使用了物理層、鏈路層、應(yīng)用層三層協(xié)議，與多數(shù)傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線相同，但相比于其它實時以太網(wǎng)協(xié)議，如PROFINET、EtherNet/IP等，其協(xié)議棧更加精簡。因此它具備超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在極短時間內(nèi)完成大量數(shù)據(jù)的交換，滿足機(jī)器人實時控制需求，使機(jī)器人可以快速響應(yīng)指令，實現(xiàn)高精度的運(yùn)動控制。其分布式時鐘技術(shù)可確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的時鐘精確同步，讓機(jī)器人各關(guān)節(jié)動作協(xié)調(diào)一致，避免因時間偏差導(dǎo)致的運(yùn)動誤差。

　　在對實時性要求極高的機(jī)器人應(yīng)用中，如協(xié)作機(jī)器人和高速分揀機(jī)器人，EtherCAT 總線能夠讓機(jī)器人快速響應(yīng)外部信號，實現(xiàn)更加靈活和精準(zhǔn)的操作。一個最直觀的證明就是新加坡樟宜機(jī)場的“雨之舞”，基于高性能，高實時性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活性等特點，EtherCAT 技術(shù)完美解決了來自 1216 根伺服軸實時同步帶來的挑戰(zhàn)。

　　串行總線：串行總線類型有很多，其中RS - 485總線也許是機(jī)器人中最廣泛的應(yīng)用，它采用差分傳輸方式，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，傳輸距離較遠(yuǎn)，成本相對較低。在一些對通信速度要求不高，但對成本和可靠性有一定要求的簡單機(jī)器人系統(tǒng)中，比如一些小型的教育機(jī)器人或簡單的服務(wù)機(jī)器人。RS - 485 本身并沒有嚴(yán)格定義通信協(xié)議，在實際應(yīng)用中，需要配合特定的通信協(xié)議來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有序傳輸和設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作。常見的基于 RS - 485 總線的通信協(xié)議有 Modbus RTU協(xié)議，它定義了數(shù)據(jù)幀的格式、通信規(guī)則、功能碼等內(nèi)容，使得不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備能夠在 RS - 485 總線上進(jìn)行互操作。此外，用戶也可以根據(jù)自己的需求自定義通信協(xié)議。

　　總結(jié)

　　隨著機(jī)器人的發(fā)展，也許會有更專業(yè)的針對機(jī)器人的協(xié)議誕生，或者其他行業(yè)或工業(yè)的某些標(biāo)準(zhǔn)總線經(jīng)過修改切入機(jī)器人體系中，比如CAN或者Ethercat等的歷史演進(jìn)。

　　另外，考慮到線纜的復(fù)雜性，SPE(單對以太網(wǎng))可能會在機(jī)器人領(lǐng)域取得較大進(jìn)展，取代現(xiàn)有的雙對以太網(wǎng)，從而節(jié)約線束、簡化布線并增強(qiáng)可靠性。