隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長和科技的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展。從一般的工業(yè)生產(chǎn)，如裝配、焊接，到特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)療、太空等，機(jī)器人在現(xiàn)代社會的各個方面得到了廣泛的應(yīng)用。目前對機(jī)器人的性能要求越來越高，不僅要具有快速的響應(yīng)特性，較高的跟蹤精度，而且應(yīng)該有良好的通用性和擴(kuò)展性，為此，對機(jī)器人控制系統(tǒng)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(yùn)動控制總線，其接口協(xié)議已經(jīng)成為用于開放式運(yùn)動控制的國際標(biāo)準(zhǔn)。這種總線具有完全開放的通訊結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格的同步機(jī)制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環(huán)境下能夠可靠的實(shí)現(xiàn)對多軸運(yùn)動的實(shí)時(shí)同步控制，適應(yīng)了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。本文將介紹SERCOS總線技術(shù)及其在機(jī)器人控制系統(tǒng)方面的應(yīng)用情況。

一、機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

傳統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)采用集中式的體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。上位機(jī)通過運(yùn)動控制板卡與各個關(guān)節(jié)的伺服驅(qū)動器以及傳感器相連接。隨著控制系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，這種體系結(jié)構(gòu)固有的缺點(diǎn)逐漸暴露出來，例如：

·由于配線過多，對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及維修比較困難；
·系統(tǒng)的可靠性較差。當(dāng)需要控制的節(jié)點(diǎn)不斷增加，需要反饋的傳感器信號不斷增多時(shí)(例如應(yīng)用于仿人型機(jī)器人)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號都由上位機(jī)的中央處理器來完成，那么對它來說是不堪重負(fù)的。一旦中央處理器出現(xiàn)故障，將對整個系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響；
·采用基于模擬信號的數(shù)據(jù)傳輸方式，因此系統(tǒng)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(fù)雜，而且相互制約，難以實(shí)現(xiàn)十幾個軸以上的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動控制；
·機(jī)器人所采用的控制器基本上都是基于獨(dú)立的結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)的，采用專用的微處理芯片，專用的機(jī)器人語言、專用的操作系統(tǒng)。因此，為開發(fā)另外一個應(yīng)用系統(tǒng)，開發(fā)人員不得不從頭開始設(shè)計(jì)控制器，開發(fā)周期長、耗資巨大。這樣的專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)阻礙了機(jī)器人控制器的發(fā)展，滿足不了現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求。

圖1 集中式機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
二、現(xiàn)場總線分布式結(jié)構(gòu)體系

隨著機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”便成為當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個發(fā)展方向。近幾年來，硬件及軟件技術(shù)飛速發(fā)展，高性能、低成本的DSP開始在機(jī)器人控制器中廣泛應(yīng)用。另外，各種高性能的總線技術(shù)的發(fā)展也大大提升了控制的實(shí)時(shí)效果。在現(xiàn)場總線分布式結(jié)構(gòu)中，各種開關(guān)量、模擬量就近轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，所有總線設(shè)備間均采用數(shù)字信號進(jìn)行通信，減小了傳輸誤差，提高了測量和控制精度。現(xiàn)場總線的應(yīng)用使導(dǎo)線和連接附件大量減少，安裝、調(diào)試及維護(hù)的開銷大幅度下降，并且使系統(tǒng)具有優(yōu)異的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能和故障診斷功能，提高了系統(tǒng)的可靠性。現(xiàn)場總線還使數(shù)控系統(tǒng)硬件擴(kuò)展更加方便，當(dāng)控制軸數(shù)和IO點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)沒有影響，便于系統(tǒng)的擴(kuò)充和裁減。由于現(xiàn)場總線的協(xié)議是公開的，不同廠商的設(shè)備只要符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、互換。在這些條件下，設(shè)計(jì)基于現(xiàn)場總線的開放式實(shí)時(shí)機(jī)器人控制器成為可能也成為必要。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前國際上有60多種現(xiàn)場總線形式，常用的有Interbus、Profibus、Modbus、DeviceNet、ControlNet、CAN、CC-link、SERCOS等。在機(jī)器人領(lǐng)域比較常用的是如圖2所示的基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)體系。

圖2 基于CAN總線的機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
在圖2的體系結(jié)構(gòu)中，處理反饋信息和產(chǎn)生控制信號的任務(wù)分配給了各個節(jié)點(diǎn)的關(guān)節(jié)控制器(例如用DSP來實(shí)現(xiàn))，上位機(jī)只需要和各個關(guān)節(jié)控制器通過CAN總線相連接，完成任務(wù)調(diào)度、人機(jī)接口、運(yùn)動學(xué)計(jì)算和軌跡規(guī)劃等功能。分布式結(jié)構(gòu)的使用，簡化了控制設(shè)備，減少了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，降低了成本，而且提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展。

CAN總線具有技術(shù)成熟、成本低、靈活、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是它的數(shù)據(jù)傳輸速率有限，最高僅為1Mbps，這就限制了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的進(jìn)一步提高。SERCOS總線能夠提供高達(dá)16Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，而且，作為運(yùn)動控制領(lǐng)域的串行實(shí)時(shí)國際通信標(biāo)準(zhǔn)，它全面描述了世界各廠商數(shù)字驅(qū)動器的技術(shù)參數(shù)，具有更高的通用性和開放性。

三、SERCOS總線簡介

高速串行實(shí)時(shí)通訊系統(tǒng)SERCOS，由德國工業(yè)界于20世紀(jì)80年代中期提出，它是一種用于數(shù)字伺服和控制器之間高速串行實(shí)時(shí)通信的現(xiàn)場總線接口和數(shù)字交換協(xié)議，主要針對自動化系統(tǒng)中的多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，于1995年被確定為IEC61491(1995)國際標(biāo)準(zhǔn)，1998年被確定為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 61491。目前，已發(fā)展到了SERCOS第三代(SERCOS III)。它是目前用于數(shù)字伺服和傳動數(shù)據(jù)通信的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。2002年中國也正式頒布了SERCOS協(xié)議的國家標(biāo)準(zhǔn)。

由于SERCOS總線采用光纖傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，并且具有標(biāo)準(zhǔn)性、開放性、兼容性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，因而特別適合于多軸聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與數(shù)字伺服裝置、傳感器和可編程控制器的IO口之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，現(xiàn)已在數(shù)控機(jī)床等數(shù)字控制設(shè)備中得到了較廣泛的應(yīng)用，成為國外最看好的工業(yè)總線之一。和其他總線相比，SERCOS總線的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

·數(shù)據(jù)傳輸速率高，目前可達(dá)到2、4、8、16Mbps, 可由用戶設(shè)定；
·具有極高的有效數(shù)據(jù)傳輸效率。據(jù)測試，由于傳輸時(shí)附加的信息量不同，16Mbps的SERCOS總線具有與100Mbps的以太網(wǎng)系統(tǒng)相同的數(shù)據(jù)傳輸性能；
·采用光纖作為傳輸介質(zhì)，有很高的抗電磁干擾性和電隔離性；
·在伺服數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)于不同時(shí)刻被發(fā)收的情況下, 可以通過控制參數(shù)來精確規(guī)定它們的采樣時(shí)刻和有效時(shí)刻, 確保系統(tǒng)的同步和精度；
·SERCOS 通信采用NRZI (非歸零反相) 編碼及HDLC 協(xié)議來保證傳輸?shù)目煽啃? 并且提供豐富的故障診斷信息，有利于系統(tǒng)的安裝和維護(hù)；
·作為國際標(biāo)準(zhǔn)，提供了開放式控制單元和智能數(shù)字驅(qū)動器的詳細(xì)接口說明。其所有的底層操作、通信、調(diào)度等，都按照國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定設(shè)計(jì)，將簡單性和精確性融洽地結(jié)合起來，簡化了控制電機(jī)的過程。

四、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SERCOS總線采用環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上位機(jī)通過SERCOS驅(qū)動卡可以帶一個或多個SERCOS環(huán)路，如圖3所示。每個環(huán)路由一個主站和多個從站組成，主站負(fù)責(zé)將上位機(jī)連接入環(huán)路，從站負(fù)責(zé)將伺服裝置、IO模塊、AD模塊等連接到環(huán)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(shí)際應(yīng)用中，每個主站控制的伺服裝置總數(shù)受通訊周期時(shí)間、運(yùn)行模式、數(shù)據(jù)傳輸率等諸多因數(shù)的影響。SERCOS 接口支持的運(yùn)行模式有位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制，不同的軸可以采取不同的運(yùn)行模式。每個軸可以有一個主運(yùn)行模式和三個輔助運(yùn)行模式，并且在運(yùn)行過程中可以動態(tài)切換運(yùn)行模式。采用SERCOS接口，可以大大簡化連線和控制硬件，使調(diào)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。采用塑料光纖，相鄰站點(diǎn)間最大距離可達(dá)80m，采用玻璃光纖，相鄰站點(diǎn)間最大距離可達(dá)240m。