隨著我國經濟的持續增長和科技的進步，機器人技術得到了迅速發展。從一般的工業生產，如裝配、焊接，到特殊的應用領域，如醫療、太空等，機器人在現代社會的各個方面得到了廣泛的應用。目前對機器人的性能要求越來越高，不僅要具有快速的響應特性，較高的跟蹤精度，而且應該有良好的通用性和擴展性，為此，對機器人控制系統提出了越來越高的要求。 SERCOS（Serial Real-time Communication System）總線是一種開放式的運動控制總線，其接口協議已經成為用于開放式運動控制的國際標準。這種總線具有完全開放的通訊結構、嚴格的同步機制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環境下能夠可靠的實現對多軸運動的實時同步控制，適應了機器人技術的發展。本文將介紹SERCOS總線技術及其在機器人控制系統方面的應用情況。 一、機器人控制系統體系結構的發展 傳統的機器人控制系統采用集中式的體系結構，如圖1所示。上位機通過運動控制板卡與各個關節的伺服驅動器以及傳感器相連接。隨著控制系統復雜性的增加，這種體系結構固有的缺點逐漸暴露出來，例如： ·由于配線過多，對系統進行調試及維修比較困難； ·系統的可靠性較差。當需要控制的節點不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時（例如應用于仿人型機器人），如果處理信息和產生控制信號都由上位機的中央處理器來完成，那么對它來說是不堪重負的。一旦中央處理器出現故障，將對整個系統帶來嚴重的影響； ·采用基于模擬信號的數據傳輸方式，因此系統的抗噪聲能力很差； ·由于控制器的模塊繁多, 模塊之間的連接復雜，而且相互制約，難以實現十幾個軸以上的同步協調運動控制； ·機器人所采用的控制器基本上都是基于獨立的結構進行開發的，采用專用的微處理芯片，專用的機器人語言、專用的操作系統。因此，為開發另外一個應用系統，開發人員不得不從頭開始設計控制器，開發周期長、耗資巨大。這樣的專用的封閉式體系結構阻礙了機器人控制器的發展，滿足不了現代工業發展的要求。 二、現場總線分布式結構體系 隨著機器人控制技術的發展，開發“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”便成為當前機器人控制器的一個發展方向。近幾年來，硬件及軟件技術飛速發展，高性能、低成本的DSP開始在機器人控制器中廣泛應用。另外，各種高性能的總線技術的發展也大大提升了控制的實時效果。在現場總線分布式結構中，各種開關量、模擬量就近轉變成數字信號，所有總線設備間均采用數字信號進行通信，減小了傳輸誤差，提高了測量和控制精度。現場總線的應用使導線和連接附件大量減少，安裝、調試及維護的開銷大幅度下降，并且使系統具有優異的遠程監控功能和故障診斷功能，提高了系統的可靠性。現場總線還使數控系統硬件擴展更加方便，當控制軸數和IO點數增加時，對系統的硬件結構沒有影響，便于系統的擴充和裁減。由于現場總線的協議是公開的，不同廠商的設備只要符合相應的標準，就可以實現互聯、互換。在這些條件下，設計基于現場總線的開放式實時機器人控制器成為可能也成為必要。 據不完全統計，目前國際上有60多種現場總線形式，常用的有Interbus、Profibus、Modbus、DeviceNet、ControlNet、CAN、CC-link、SERCOS等。在機器人領域比較常用的是如圖2所示的基于CAN總線的分布式結構體系。 在圖2的體系結構中，處理反饋信息和產生控制信號的任務分配給了各個節點的關節控制器（例如用DSP來實現），上位機只需要和各個關節控制器通過CAN總線相連接，完成任務調度、人機接口、運動學計算和軌跡規劃等功能。分布式結構的使用，簡化了控制設備，減少了系統控制的復雜性，降低了成本，而且提高了系統的穩定性，便于系統進一步擴展。 CAN總線具有技術成熟、成本低、靈活、可靠等優點，但是它的數據傳輸速率有限，最高僅為1Mbps，這就限制了系統實時性的進一步提高。SERCOS總線能夠提供高達16Mbps的數據傳輸速率，而且，作為運動控制領域的串行實時國際通信標準，它全面描述了世界各廠商數字驅動器的技術參數，具有更高的通用性和開放性。 三、SERCOS總線簡介 高速串行實時通訊系統SERCOS，由德國工業界于20世紀80年代中期提出，它是一種用于數字伺服和控制器之間高速串行實時通信的現場總線接口和數字交換協議，主要針對自動化系統中的多軸運動控制系統而設計，于1995年被確定為IEC61491（1995）國際標準，1998年被確定為歐洲標準EN 61491。目前，已發展到了SERCOS第三代（SERCOS III）。它是目前用于數字伺服和傳動數據通信的唯一國際標準。2002年中國也正式頒布了SERCOS協議的國家標準。 由于SERCOS總線采用光纖傳輸，數據傳輸速率較高，并且具有標準性、開放性、兼容性、實時性等特點，因而特別適合于多軸聯動控制，實現工業控制計算機與數字伺服裝置、傳感器和可編程控制器的IO口之間的實時數據通信，現已在數控機床等數字控制設備中得到了較廣泛的應用，成為國外最看好的工業總線之一。和其他總線相比，SERCOS總線的主要優點在于： ·數據傳輸速率高，目前可達到2、4、8、16Mbps, 可由用戶設定； ·具有極高的有效數據傳輸效率。據測試，由于傳輸時附加的信息量不同，16Mbps的SERCOS總線具有與100Mbps的以太網系統相同的數據傳輸性能； ·采用光纖作為傳輸介質，有很高的抗電磁干擾性和電隔離性； ·在伺服數據和指令數據于不同時刻被發收的情況下, 可以通過控制參數來精確規定它們的采樣時刻和有效時刻, 確保系統的同步和精度； ·SERCOS 通信采用NRZI （非歸零反相） 編碼及HDLC 協議來保證傳輸的可靠性, 并且提供豐富的故障診斷信息，有利于系統的安裝和維護； ·作為國際標準，提供了開放式控制單元和智能數字驅動器的詳細接口說明。其所有的底層操作、通信、調度等，都按照國際標準的規定設計，將簡單性和精確性融洽地結合起來，簡化了控制電機的過程。 四、拓撲結構 SERCOS總線采用環型拓撲結構，上位機通過SERCOS驅動卡可以帶一個或多個SERCOS環路，如圖3所示。每個環路由一個主站和多個從站組成，主站負責將上位機連接入環路，從站負責將伺服裝置、IO模塊、AD模塊等連接到環路上，每個從站可以連接一個或多個伺服裝置。理論上，一個主站最多可以控制254個伺服裝置。但實際應用中，每個主站控制的伺服裝置總數受通訊周期時間、運行模式、數據傳輸率等諸多因數的影響。SERCOS 接口支持的運行模式有位置控制、速度控制和轉矩控制，不同的軸可以采取不同的運行模式。每個軸可以有一個主運行模式和三個輔助運行模式，并且在運行過程中可以動態切換運行模式。采用SERCOS接口，可以大大簡化連線和控制硬件，使調試更加方便。由于使用光纖連接，可以徹底消除傳輸過程中的電磁干擾，實現遠距離控制。采用塑料光纖，相鄰站點間最大距離可達80m，采用玻璃光纖，相鄰站點間最大距離可達240m。 基于SERCOS總線的機器人單關節控制系統的結構如圖4所示。通過SERCOS總線，上位機可以向機器人各關節發送位置、速度、轉矩指令值，以及參考偏移量、正反向限幅值等運行參數，并且可以實時提取各關節實際位置、速度、轉矩等狀態信息。關節控制器根據從SERCOS總線上接收到的指令，不斷對電機的位置環、速度環或者轉矩環進行采樣，采用積分分離PID等算法進行控制，使得被控量跟蹤給定。關節控制器的核心處理芯片可以采用DSP來實現。驅動器主要實現功率的放大功能。為了使結構更加緊湊，方便在機器人內部安裝，可以考慮將驅動器和控制器做成一個模塊，即按照一個整體進行設計。當然在驅動器和控制器之間必須采取隔離等適當的保護措施。SERCOS接口的作用是將單關節控制系統連入SERCOS環路，完成SERCOS物理層和數據鏈路層協議解析，實現數據存儲、轉發等功能。SERCOS接口由光接收器、光發送器、撥碼開關以及SERCOS接口控制芯片組成。光接收器、光發送器用于信號的發送和接收，撥碼開關用于SERCOS地址的選擇，SERCOS接口控制芯片可以選用ST微電子公司生產的SERCON410B或者SERCON816[5]。SERCOS接口軟件則在DSP中運行。 五、通信方式 SERCOS總線在正常運行階段一個通訊周期的工作時序如圖5所示。周期時間Tscyc可以取（0.062，0.125，0.25，0.5，1，2，3，…，65）ms，這主要決定于控制方式和從站數量。SERCOS協議定義了主站同步電報MST、伺服電報AT和主站數據電報MDT三種電報類型。主站同步電報MST由主站以固定周期發向所有從站，表示一次通訊周期開始，所有從站都將同時接收到該電報，主站通過它來控制各個從站的同步運行；伺服電報AT由各個伺服從站發往主站，可將多種伺服信息實時反饋給主站，如伺服軸實際位置、轉速、轉矩、報警信號、診斷信號、狀態應答信號、伺服參數和電機參數等；主站數據電報MDT由主站發給從站，用于向從站發出控制指令，如伺服軸指令位置、轉速、轉矩、工作方式選擇、伺服參數和電機參數等，各個從站均能接收到此電報，并在指定位置找到各自的數據。 SERCOS協議規定，在正常運行階段之前，主站需要檢測SERCOS環路是否閉合，識別環路上的伺服裝置，并且完成網絡通訊參數的配置，主要包括系統通訊周期Tscyc，各個伺服電報ATx的發送時刻T1.1、T1.2、…、T1.N，主站數據電報MDT的發送時刻T2，各伺服裝置開始采樣反饋數據的時刻T4，各個從站控制數據在MDT數據區中的位置和MDT的長度等。可見，SERCOS接口的初始化過程是比較復雜的。為此，1995年Rexroth Indramat公司開發出了主動式的SERCOS接口主控卡，稱為“SERCANS”。卡上有一個微處理器，由裝入的軟件執行SERCOS環路的初始化和通信管理，并通過一個雙口RAM與外界共享數據，開發人員只需根據中斷信號執行讀寫操作，大大降低了主站接口開發的難度。1999年，隨著硬件軟件化的發展趨勢，Rexroth Indramat公司把SERCANS的主控功能向軟件抽象層上轉移，又成功開發出了SoftSERCANS，它只需要一個被動式的SERCOS接口主控卡。此卡很簡單，其上沒有微處理器，它比主動式SERCOS接口卡的成本低很多。它提供一個Win32和實時操作系統都能調用的動態鏈接庫DLL。對開發者來說不需要處理硬件地址和時序問題，只需要掌握DLL函數及系統參數的定義，從而將耗費在SERCOS接口實施上的精力和開銷降低到了最低水平。用SoftSERCANS寫的運動控制應用程序與硬件無關，使系統具有更高的開放性和軟件可移植性。 六、SERCOS總線在機器人領域的應用 如今全球有70多家公司能提供帶有SERCOS 接口的數字產品，其中包括數字伺服驅動器、控制器、SERCOS 接口IO模塊，有許多供應商還提供硬件和軟件接口模塊技術、咨詢和產品設計服務等。圖6是Beckhoff公司生產的具有PCI接口的SERCOS主控卡FC7501和FC7502。圖7是SERCOS總線信號傳輸使用的塑料光纖。 國外生產的各類印刷機、食品包裝機、裝配機器人及其它具有特殊用途的機器中也不乏SERCOS總線的應用。圖8是AMI公司推出的GP1托盤堆垛機器人，通過SERCOS環路，可以控制多達40個從動軸。該產品已廣泛用于醫療、汽車、集裝箱、玻璃制造以及罐頭生產等領域。 圖9是德國航天局（DLR）研制的LWRI輕質量機械臂。它總長1338mm，重量僅為14.5kg，關節最高轉速可達120°s，共有7個軸（R-P-R-P-R-P-R）。采用光纖以及SERCOS協議進行通信，成功實現了機械臂的位置控制、轉矩控制以及阻抗控制。 近年來，國內也開始嘗試應用SERCOS總線這一后起之秀, 相關的研究也在日益增多。我國自1997年開始從德國Indramat公司購入帶有SERCOS接口的控制器和啟動器。最早引進的單位有大連機床廠和北京工業大學。北京工業大學還成立了由德國SERCOS協會授權的SERCOS 接口技術資格中心，研制出了基于SERCOS接口技術的LINSERCANS軟件（將softSERCANS移植到實時Linux操作系統上）以及數控橫切機。該中心已經連續3年主辦了與SERCOS 技術相關的國際會議。國內SERCOS接口用戶目前已有20多家。其中包括清華大學、北京機電研究院、北京625所、北人集團、上海高斯印刷機械廠、沈陽第一機床廠、華中數控集團、北京航空航天大學、二汽設備制造廠、上海大眾汽車廠、上海通用汽車廠等國內著名企業單位。 目前，國內將SERCOS總線應用于機器人領域尚處于起步階段，但已經有一些基于SERCOS總線的機器人系統的成功案例。例如清華大學計算機系等單位研制的大型復雜曲面水火成型智能機器人，它采用了德國Bosch Rexroth公司的SERCANS接口卡和具有SERCOS接口的INDRAMAT伺服電機。這是國內第一個基于SERCOS總線的工業機器人，現已通過國家863專家組驗收。由于使用了SERCOS總線連接伺服電機，控制機器人5個軸的運動，系統布線大大簡化，增強了抗干擾能力，提高了數據的傳輸速率。另外，清華大學自動化系提出了基于SERCOS總線的兩足步行機器人的設計方案，并且論證了對于傳輸速率為4Mbps的SERCOS總線, 考慮到數據間隙和采樣、步態、姿態規劃時間，主計算機的控制周期可保證在10ms, 完成步行機器人的靜態以及動態行走的控制是沒有問題的。 圖10是哈爾濱工業大學機器人研究所和德國宇航中心機器人與系統動力學研究所研制的DLR-I智能機器人靈巧手系統，操作手臂上的電纜線只有一個光纖環路和4個電源接口。全局手控制器和本地手指控制器之間通過光纖進行連接并以SERCOS的方式進行通訊，在1ms內就可以實現4個手指所有的傳感器信號和控制信號的數據交換，并且使整個系統具有高度適應性和可擴展性。 北京航空航天大學也開發出了ISA總線SERCOS主站卡以及SERCOS主站驅動程序包，可以控制1～36個伺服電機，并且將SERCOS總線應用于教學機器人控制系統。這些研究成果對于新一代開放性智能機器人控制器的研制具有很好的借鑒作用。 七、結語 現代化工業生產和機器人研究對機器人控制器開放性的要求越來越迫切，制造業要求工業機器人具有更大的柔性和更強大的編程環境, 以適應不同的應用場合和多品種小批量的生產。SERCOS總線作為數字伺服和傳動數據通信的唯一國際標準，代表了數字伺服接口的發展方向，已成為當前數控技術的研究熱點。這種總線采用光纖連接控制部件，構成封閉的環路，完成數據的實時傳輸，它的通信機制保證了系統的同步運行和控制精度，并且具有很高的可靠性和開放性。因此，利用SERCOS總線進行多軸控制將是機器人系統的未來發展趨勢。