协作臂主控系统

摘要

协作臂主控系统：北京高帆自研机械臂，提供机械臂硬件和控制算法。无锡分公司开发B/S架构的主控系统，面向用户。

技术选型

编程语言：C++，JS
平台：Ubuntu18.04
构建工具：CMake

硬件选型

机械臂本体：
- 泰克关节模组

技术重点

EtherCAT (Ethernet for control automation technoloy)

EtherCAT的核心是主站(master)和从站(slave)之间的高速数据交换，采用主从架构。
EtherCAT采用以太网帧进行通信，但与标准以太网不同，EtherCAT具有以下特点
- **主站(Master)**负责发送和处理EtherCAT数据包，不需要专用芯片，可由普通网卡或专用控制器实现
- **从站(Slave)**设备按照帧数据处理规则响应主站请求，通常使用EtherCAT专用芯片，例如ET1100
- 循环拓扑方式，支持菊花链，环形，树形等，数据帧沿单向传输
- 帧穿透机制：数据包在传输时直接在从站设备间传递，无需存储转发。
EtherCAT通讯采用主站主动轮询方式
- 主站发送EtherCAT帧
  - 主站生成数据帧，包含多个过程数据对象(PDO)
  - 帧内携带多个从站的数据请求/指令
- 从站解析和处理帧
  - 帧经过从站时，从站在数据帧上直接读写相关数据区域，而不是接收整个帧再处理
  - 这极大提升了通信效率，避免了传统以太网的存储转发延迟
- 主站接收并解析返回数据
  - 当帧经过所有从站后，数据会返回给主站，主站读取修改后的数据。
EtherCAT工作模式，主要有4种工作模式
- 自由运行模式(Free Run Mode)
  - 主站不停发送数据，不依赖同步时钟
  - 适用于简单IO控制，不需要高精度同步
- 同步管理模式(SM Sync Mode)
  - 通过同步管理器(Sync Manager)控制数据交换
  - 适用于离散IO，但同步性较低
- 分布式时钟模式(DC Mode)
  - 采用从站时钟同步机制，主站下发时间戳，从站调整本地时钟
  - 适用于高精度运动控制，同步精度可达到纳秒级
- 周期同步模式(Cyclic Sync Mode)
  - 类似DC模式，但主站以固定周期发送数据
  - 适用于实时性要求高的应用(例如伺服驱动)
EtherCAT从站的4种状态由AL状态机(Application Layer State Machine)控制，状态包括
- 初始化(Init)
- 预操作(Pre-Operational, Pre-Op)
- 安全操作(Safe-Operational, Safe-Op)
- 操作(Operational, OP)
EtherCAT主站(Master)通过AL控制寄存器控制从站的状态转换。
使用同步周期模式，周期为1ms，启动一个实时线程，负责从主站下发PDO数据到六个从站，经过每个从站时，根据pdo的配置读取并写入数据。
依次松闸原因
- 每个从站硬件处理速度不同，现象是靠近底座的从站先松闸，依次从下往上松闸。从站设备的电源是按层次从下到上串行连接，依次接通，底部设备较早上电，可能较早进入初始化状态。
- 传输路径存在延迟
解决方案
- 在确保所有从站都处于Safe-Op状态，再发送切换到OP状态的指令数据。