簡單來說，機器人內(nèi)部總線是一種連接機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”，機器人的大腦(控制器)可以向各個執(zhí)行機構(如電機、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)機器人的精確控制和穩(wěn)定運行。

　　如圖所示，在復雜的機器人系統(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：確保機器人各部件之間能夠快速、準確地交換數(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，以便機器人做出相應的決策。

　　同步與協(xié)調(diào)：協(xié)調(diào)不同部件的工作節(jié)奏。在機器人執(zhí)行復雜任務時，多個關節(jié)的電機需要協(xié)同工作，內(nèi)部總線就能夠保證各個電機按照預定的順序和速度運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人動作的流暢性和精準性。

　　控制信號傳遞：將控制器發(fā)出的控制指令傳達給各個執(zhí)行部件，使機器人能夠按照預設的程序完成各種動作，如行走、抓取、搬運等。

　　隨著設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時間，他們也希望通過重復使用現(xiàn)有布線基礎設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行電機控制。

　　控制系統(tǒng)通信是運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。考慮到足式機器人控制系統(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挕⑺俣群头较虻任锢硖匦浴?/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)能夠準確、可靠地在設備之間進行交換。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，接口進行信號轉(zhuǎn)換與適配。

　　常見的機器人內(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、成本較低等優(yōu)點。CAN總線由德國博世在 20 世紀 80 年代初為汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)。當時，汽車中電子設備不斷增加，傳統(tǒng)布線方式難以滿足需求，CAN 總線應運而生，它以多主通信、高可靠性和實時性強等特點有效解決了這一問題，最初成功應用于奔馳汽車。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(標準幀)和 CAN 2.0B(擴展幀)，進一步提升了數(shù)據(jù)傳輸能力和靈活性。國際標準化組織也在 1993 年將其確定為國際標準 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)應用場景中，CAN 總線表現(xiàn)也十分出色。在工業(yè)自動化領域，它用于連接可編程邏輯控制器(PLC)、傳感器和執(zhí)行器等設備，實現(xiàn)設備間的實時數(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)測和控制電力設備，像變電站的開關狀態(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、門機控制器、樓層傳感器等，實現(xiàn)高效可靠的運行控制和故障診斷。此外，在智能建筑領域，CAN 總線可用于連接照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等設備，實現(xiàn)智能化的集中管理和控制。總而言之，CAN總線非常適合連接各個關節(jié)的電機驅(qū)動器和傳感器，確保機器人的穩(wěn)定運行。

　　EtherCAT 總線：以太網(wǎng)控制自動化技術(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。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 應運而生，憑借其突破傳統(tǒng)以太網(wǎng)在工業(yè)自動化應用局限的特點，迅速獲得關注。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，滿足機器人實時控制需求，使機器人可以快速響應指令，實現(xiàn)高精度的運動控制。其分布式時鐘技術可確保網(wǎng)絡中所有設備的時鐘精確同步，讓機器人各關節(jié)動作協(xié)調(diào)一致，避免因時間偏差導致的運動誤差。

　　在對實時性要求極高的機器人應用中，如協(xié)作機器人和高速分揀機器人，EtherCAT 總線能夠讓機器人快速響應外部信號，實現(xiàn)更加靈活和精準的操作。一個最直觀的證明就是新加坡樟宜機場的“雨之舞”，基于高性能，高實時性，拓撲結構的靈活性等特點，EtherCAT 技術完美解決了來自 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總線也許是機器人中最廣泛的應用，它采用差分傳輸方式，具有較強的抗干擾能力，傳輸距離較遠，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器人系統(tǒng)中，比如一些小型的教育機器人或簡單的服務機器人。RS - 485 本身并沒有嚴格定義通信協(xié)議，在實際應用中，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)的設備能夠在 RS - 485 總線上進行互操作。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

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

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