[发明专利]一种力控关节实时工业以太网通信电路

说明书

本发明公开了一种力控关节实时工业以太网通信电路，属于机器人技术和通信技术领域，其包括：电源模块、第一网口模块、第二网口模块、MCI微处理器接口和ESC芯片模块，本发明具有EtherCAT实时工业以太网通信以及运动控制的功能，主要应用于机器人力控关节的伺服从站控制通信。通过采用ESC芯片，减小了EtherCAT实时工业以太网通信电路硬件体积，同时减小了从站控制微处理器的处理负荷以及集成IP核的成本。

技术领域

本发明属于机器人技术和通信技术领域，具体涉及一种力控关节实时工业以太网通信电路。

背景技术

机器人力控关节是一种结合电子、机械、计算机、传感器、人工智能等技术的机电一体化装置。

如果需要对机器人力控关节进行控制，就需要一种总线通信技术。而EtherCAT是一种实时工业以太网技术，它充分利用了以太网的全双工特性，更加适合作为运动控制的载体。使用主从模式介质访问控制(MAC)，主站发送以太网帧给各从站，从站从数据帧中抽取数据或将数据插入数据帧。主站使用标准的以太网接口卡，从站使用专门的EtherCAT从站控制器ESC。EtherCAT物理层使用标准的以太网物理层器件。

现有的协作机器人关节主要分为普通关节和力控关节，普通关节只由伺服电机系统和减速器系统够成，这样的关节只能做到位置控制，从而只能让机器人进行无精确力反馈的运动。而力控关节则由伺服电机、减速器、力矩传感器组成，这样的关节既可以实现位置控制又可以实现力矩控制，这样的机器人就可以实现一些普通机器人无法完成的任务，比如需要精确控制出力的遥操作系统、医疗手术机器人系统，除此之外，工业上可以应用到一些精密零件装配、柔性制造系统中。

力控关节需要一种总线通信协议才能控制其输出的位移、转速和力矩。现代机器人控制一般采用CAN总线或者EtherCAT总线对机器人力控关节实现控制。

EtherCAT是由德国BECKHOFF自动化公司于2003年提出的实时工业以太网技术。它具有高速和高数据、有效率的特点，支持多种设备连接的拓补结构。从站节点使用专门的控制芯片，主站使用标准的以太网控制器。

IEC 61800标准系列是一个可调速电子功率驱动系统通用规范。其中，IEC61800-7定义了控制系统于功率驱动系统之间的通信接口标准，包括网络通信技术和应用行规。EtherCAT作为网络通信技术，支持CANopen协议中的行规CiA402和SERCOS协议的应用层，分别称为CoE和SoE。

其中CiA402是一种运动控制行规，它可以基于CoE。可以用于对力控关节执行位置控制、速度控制和扭矩控制。这样多个伺服驱动装置可以实现严格的同步协调运动，实现精密的轮廓轨迹控制。

ET1100是一种EtherCAT从站控制器(ESC)专用芯片。它具有4个数据收/发端口、8个FMMU和8个SM通道、4KB控制寄存器、8KB过程数据寄存器、支持64b的分布时钟功能。它可以直接作为32b数字量输入/输出站点，或由外部微处理器控制，组成复杂的从站设备。

EtherCAT大大提高了现场总线的性能，例如，控制1000个开关量的输入和输出的刷新时间约为30us。单个以太网数据帧最多可容纳1486B的过程数据，相当于12000位数字开关量的输入和输出，刷新时间约为300us。控制100个伺服电动机的数据通信周期约为100us。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种力控关节实时工业以太网通信电路具有EtherCAT实时工业以太网通信以及运动控制的功能，主要应用于机器人力控关节的伺服从站控制通信。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种力控关节实时工业以太网通信电路，包括：电源模块、第一网口模块、第二网口模块、MCI微处理器接口和ESC芯片模块；