機器人多軸控制同步性挑戰如何解決？

目前工業機器人的發展趨勢一是協作，二是多軸。所謂機器人的多軸驅控，即機器人在運行時需要準確地把控每一個軸的移動。多軸機器人意味著有更多的自由度，完成幾乎任何角度和軌跡的運動作業。6軸機器人是目前工業機器人應用里最為普遍的，如果應用場景需要工業機器人能夠躲避特定的目標，那么就會再多出一個軸，一般稱這種軸為冗余軸。

河南眾匯-多軸機器人

在機器人的每一個軸中，伺服驅動和電機肯定是少不了的。每個軸通過工業以太網互聯，控制系統要將運動需要的空間軌跡轉換為每個伺服軸所需的單個位置基準，然后循環傳輸給每個機器軸。這些步驟一般會按照底層伺服電機驅動的PWM時間周期來進行。在每一個時間周期內，或者說控制周期內，位置的發送就會涉及軸到軸的網絡傳輸。

此時挑戰出現了，運動數據的傳輸延遲幾乎決定了工業機器人的同步性，傳輸的延遲成了影響機器人多軸協同的重要參數。

在我們此前討論工業機器人連接器的文章中，可以看到目前應用于工業機器人的高性能連接線纜對信號傳輸的能力已經足夠強，因此在這個挑戰中我們可以忽略連接線纜帶來的延遲，那么剩下的就是數據傳輸到線路延遲。這些延遲主要集中帶寬以及PHY上。多軸機器人系統內節點越多，此類延遲將不可避免地變大。

提高帶寬還是降低PHY延遲？

通過低延遲PHY縮短網絡周期時間是最為直接的應對此挑戰的方法，盡可能在物理層設備上縮短PHY的延遲將大幅縮短網絡周期時間（控制器收集和更新所連器件的數據所需的時間）。這種方法會改善網絡更新時間，對于多軸機器人這種需要對控制周期時間嚴格把控的應用這一點至關重要，這意味著每個周期網絡內可以將更多器件連接到網絡。這不是說帶寬延遲并不重要，而是在帶寬已經滿足數據吞吐量的情況下，一味拔高帶寬會適得其反。

以ADI在多軸機器人上應用最多的PHY ADIN1300作為收發器，假設接收緩沖器分析是以目標地址為基礎，且采用100 Mbps網絡，1000BASE-T RGMI延遲發射< 68 ns，接收< 226 ns，100BASE-TX MII延遲發射< 52 ns，接收< 248 ns，這個標準是屬于多軸系統完全接受的較低的延遲水平（根據具體的傳輸協議延遲會有些許差異）。

當然也可以使用1 Gbps的傳輸網絡，但帶寬的增加雖然能很明顯地減少低帶寬延遲帶來的影響，但這不可避免地會增加開關和PHY組件導致的總體延遲的比例，導致留給下一周期更新電機控制和移動控制算法計算的時間反而會減少。確保帶寬肯定是必要的，只不過帶寬足夠情況下降低PHY延遲是更能提升多軸系統同步性的辦法。

這類低延遲的以太網PHY往往集成相關的通用模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖、管理接口和子系統寄存器以及MAC接口和控制邏輯，以便管理復位和時鐘控制以及引腳配置。MII管理接口最好能在主機處理器和PHY器件之間提供雙線式串行接口，以便訪問PHY內核管理寄存器中的控制和狀態信息。一般來說PHY器件對電纜的支持會遠超多軸機器人對線纜的需求，就不必擔心此類問題了。

抗擾度成攔路虎

多軸機器人的工作環境雖然稱不上惡劣，但很多應用中場景要求都足夠嚴苛。PHY器件要么會直接連接至電纜，要么會通過小型磁性元件連接至電纜，這些連接可能帶來輻射和傳導干擾，嚴重影響傳輸延遲，所以PHY器件必須在抗擾度上跨過難關。IEC 61000-4-2等EMC標準都可以作為衡量PHY的標準。

目前較為領先的是PHY提供通過帶有非屏蔽/屏蔽功能的單雙絞線傳輸和接收數據所需的所有物理層功能。

優化抗擾度意味著要有大量的實時監控、調試和器件測試。集成靜電放電（ESD）監測肯定是少不了的，任何ESD保護都離不開這個功能，它能夠計算xMII和MDI上的ESD事件，并通過使用可編程中斷提供實時監控。此外，為了提升整體系統的低延遲下高穩定性，各類保護功能都會被集成進芯片中。有的芯片廠商還給出了集成了一個數據生成器的辦法，用于生成可定制的MAC數據包，并檢查傳入數據包上的錯誤，這使得系統級數據路徑測試/優化不依賴于MAC，大大提升了系統的可靠性。不能提供穩定的低延遲那么多軸機器人的同步性就大打折扣。

PHY損耗同樣不可忽視

多軸機器人所需的器件通常采用IP65/IP66等級的保護，高溫也是工業設備都要面對的問題。不僅如此，多個以太網連接也會使得數據輸入和輸出相關的PHY損耗翻倍。所以降低PHY損耗以此來降低器件的自發熱也是應對多軸機器人控制不能忽視的一點。