EtherCAT科普系列（4）：EtherCAT技术在人形机器人灵巧手领域应用

人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)又(yòu)称(chēng)仿(fǎng)生(shēng)机(jī)器(qì)人(rén)，是(shì)一(yī)种(zhǒng)模(mó)仿(fǎng)人(rén)类(lèi)外(wài)形(xíng)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)，除(chú)具(jù)备(bèi)人(rén)形(xíng)和(hé)模(mó)拟(nǐ)人(rén)类(lèi)动(dòng)作(zuò)外(wài)还(hái)兼(jiān)具(jù)智(zhì)慧(huì)化(huà)和(hé)可(kě)交(jiāo)互(hù)性(xìng)等(děng)特(tè)点(diǎn)。人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)的(de)核(hé)心(xīn)技(jì)术(shù)模(mó)块(kuài)包(bāo)括(kuò)环(huán)境(jìng)感(gǎn)知(zhī)模(mó)块(kuài)、运(yùn)动(dòng)控(kòng)制(zhì)模(mó)块(kuài)和(hé)人(rén)机(jī)交(jiāo)互(hù)模(mó)块(kuài)。

▲人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)核(hé)心(xīn)模(mó)块(kuài)相(xiāng)比(bǐ)专(zhuān)门(mén)为(wèi)单(dān)一(yī)任(rèn)务(wu)设(shè)计(jì)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)，人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)可(kě)以(yǐ)在(zài)不(bù)同(tóng)场(chǎng)景(jǐng)之(zhī)间(jiān)快(kuài)速(sù)切(qiè)换(huàn)，具(jù)有(yǒu)高(gāo)度(dù)的(de)通(tōng)用(yòng)性(xìng)和(hé)灵(líng)活(huó)性(xìng)，能(néng)够(gòu)执(zhí)行(xíng)多(duō)种(zhǒng)不(bù)同(tóng)类(lèi)型(xíng)的(de)任(rèn)务(wu)，具(jù)有(yǒu)更(gèng)广(guǎng)阔(kuò)的(de)商(shāng)业(yè)应(yīng)用前景。此外，相较于其他形态的机器人，人形机器人能够更好地适应按照人类的身体特征和操作习惯来设计的各类基础设施，无需对现有的环境和设施进行大规模改造。

目前人形机器人正处于商业化爆发期前夜，普遍认为到2030年市场规模可达数百亿美元。Markets and Markets预计全球人形机器人市场规模将由2023年的18亿美元提升至2028年的138亿美元，年复合增速约50.2%。据高盛预测，乐(lè)观(guān)情(qíng)况(kuàng)下(xià)2035年(nián)市(shì)场(chǎng)规(guī)模(mó)可(kě)能(néng)达(dá)到(dào)1540亿(yì)美(měi)元(yuán)，相(xiāng)当(dāng)于(yú)2021年(nián)电(diàn)动(dòng)汽(qì)车(chē)市(shì)场(chǎng)规(guī)模(mó)或(huò)手(shǒu)机(jī)市(shì)场(chǎng)规(guī)模(mó)的(de)1/3。2024年(nián)4月(yuè)首(shǒu)届(jiè)中(zhōng)国(guó)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)产(chǎn)业(yè)大(dà)会(huì)上(shàng)发(fā)布(bù)的(de)《人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)产(chǎn)业(yè)研(yán)究(jiū)报(bào)告(gào)》预(yù)测(cè)，2024年(nián)中(zhōng)国(guó)人(rén)形机器人市场规模将达约27.6亿元，2026年达到104.71亿元，2029年达到750亿元，将占世界总量的32.7%，比例居世界第一，到2035年有望达到3000亿元规模。

1灵巧手：人形机器人交互核心部件

人类灵巧的手是生活中必不可缺的部分，不但能够以不同的姿态抓取各式各样的物体，而且能够通过精确的操作实现特定的、复杂的任务。同样，机器人灵巧手也是机器人设计与操作的重要组成部分，是实现机器人局部精细操作的重要途径。

灵巧手是人形机器人重要的末端执行器。未端执行器直接安装在机(jī)器(qì)人(rén)手(shǒu)腕(wàn)上(shàng)，用(yòng)于(yú)夹(jiā)持(chí)工(gōng)件(jiàn)、或(huò)让(ràng)工(gōng)具(jù)按照规定的程序完成的工作的机构。相较于普通工业机械手(自由度少、结构简单、易于控制)，类人化设计的灵巧手对控制精度、灵活性要求极高。灵巧手是模拟人类手部功能的高自由度机械装置，具备抓取、操作、感知等能力，是人形机器人实现精细交互的核心执行器。

▲灵巧手部分抓取场景（来源：EPIC）

灵巧手的性能和成本受其三大核心组件---驱动系统、传动系统和传感装置的共同影响。驱动系统(各类电机)提供动力来源，驱动手指关节运动；传动系统(齿轮、连杆、腱绳等)将驱动系统的动力高效传递到手指关节，并调节输出的力、速度和行程；传感系统(各类传感器)实时监测手指状态(位置、力、触觉等)，反馈给控制系统以实现闭环调节。

▲灵巧手手指结构示意图（来源：因时机器人）

根据驱动系统可分(fēn)为(wèi)液(yè)压(yā)驱(qū)动(dòng)、电(diàn)机(jī)驱(qū)动(dòng)、气(qì)压(yā)驱(qū)动(dòng)、形(xíng)状(zhuàng)记(jì)忆(yì)合(hé)金(jīn)驱(qū)动(dòng)四(sì)类(lèi)。电机驱动是目前多指灵巧手的主要驱动(dòng)方(fāng)式(shì)。电(diàn)机驱动具有驱动力大，控制精度高、响应快、模块化设计、易于更换维护等优点。特斯拉(lā)optimus、优(yōu)必(bì)选(xuǎn)人(rén)形(xíng)机(jī)器(qì)人(rén)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)等(děng)都(dōu)选(xuǎn)择(zé)了(le)电(diàn)机(jī)驱(qū)动(dòng)方(fāng)式(shì)。

灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)目(mù)前主要应用(yòng)在(zài)航空航天、医疗、智能制造等领域。如执行航天飞行器的舱外任务、仿生假肢和远程手术、拼装流水线上小尺寸零件等。随着近年来人形机器人技术的突飞猛进，人形机器人用灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)有(yǒu)望(wàng)成(chéng)为(wèi)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)未(wèi)来的主流应用领域。根据Statista预测，全球机器人灵巧手2021年市场规模约为11.6亿美元。随着工业自动化、航空航天、医疗保健等行业对灵巧手需求的不断增加与技术进步对灵巧手的降本效应，灵巧手市场规模有望不断增加。根据Statista的预测数据，全球机器人灵巧手市场规模将由2021年的11.6亿美元增长至2030年的30.35 亿美元，2022-2030年间CAGR为10.9%。同时，全球机器人灵巧手市场容量将由2021年的50.75万只增长到2030年的141.21 万只，2022-2030 年间CAGR为11.7%。

2灵巧手(shǒu)的(de)主要(yào)通(tōng)信(xìn)类(lèi)型(xíng)

机(jī)器(qì)人(rén)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)是(shì)多(duō)自(zì)由(yóu)度(dù)、多(duō)传(chuán)感(gǎn)器(qì)，且(qiě)需(xū)要(yào)快(kuài)速(sù)、实(shí)时(shí)通(tōng)讯(xùn)的(de)机(jī)器(qì)人(rén)控(kòng)制(zhì)系(xì)统，具有稳定、可靠、高速与实时通讯的机器人灵巧手是保证其实现在线操作的关键因素。目前全球典型的灵巧手常用的两类通讯方式，一类是基于国际通用通讯协议开发的灵巧手，比如串口通讯、USB接口通讯、CAN总线通讯、Ethernet通讯和 EtherCAT通讯等；另一类则是由用户自定义通讯协议的灵巧手，比如PPSeCo等。灵巧手的通讯设计主要考虑如下4个问题：通讯的速度、通讯的距离、通讯的节点数、能否易于实现复杂的灵巧手控制算法。通讯速度即是灵巧手实际需要的通讯传输速度，通讯的距离般指主控端到灵巧手的连线距离，节点数是指一个主控端可以控制灵巧手的个数。而对于第4点源于灵巧手不仅要保证高速、稳定、可靠的通讯，而且由于灵巧手控制算法的复杂性，更应当基于通讯协议设计出便于实现复杂控制算法的控制平台，从而将灵巧手的控制器算法应用到具体的操作中。

▲灵巧手通讯总线比较从对比表可以看出，EtherCAT 总线是目前最适合人形机器人灵巧手的实时以太网通讯总线，基于EtherCAT的灵巧手可以达到设计的期望性能指标。

3基于 EtherCAT 设计的灵巧手系统

典型EtherCAT实时通讯的灵巧手手掌板电路主要包括微处理器、EtherCAT 从站通信模块、手指通讯电路模块、处理器扩展内存模块以及电源转换模块等。微处理器电路模块是灵巧手手掌板总的处理器单元；EtherCAT从站通信电路模块用于实(shí)现(xiàn)EtherCAT协议必须的硬件电路模块；手指电路模块是灵巧手手指通讯自定义单元；电压转(zhuǎn)换(huàn)电路模块将 PCB 输入的电压转换成 3.3V、2.5V或1.2V等电压，对整板 PCB 供电；扩展内存SRAM，针对 EtherCAT 协议对大内存的需求，进行微处理器内存扩展。

▲基于EtherCAT 的人形机器人灵巧手系统整体结构

4灵巧手手掌板 EtherCAT 从站系(xì)统(tǒng)

灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)手(shǒu)掌(zhǎng)板(bǎn) EtherCAT 从(cóng)站(zhàn)系(xì)统(tǒng)主要(yào)包(bāo)括(kuò)微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)、外(wài)部(bù)存(cún)储(chǔ)器(qì)、Flash、手(shǒu)指(zhǐ)控(kòng)制(zhì)器(qì)和(hé)EtherCAT从(cóng)站(zhàn)通(tōng)信(xìn)模(mó)块(kuài)组(zǔ)成(chéng)。1）微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)是(shì)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)EtherCAT 从(cóng)站(zhàn)设(shè)计(jì)的(de)核(hé)心(xīn)，也(yě)是(shì)从(cóng)站(zhàn)设(shè)计(jì)的(de)难(nán)点(diǎn)。处(chù)理(lǐ)器(qì)的(de)作(zuò)用(yòng)是(shì)对(duì)EtherCAT从(cóng)站(zhàn)芯(xīn)片(piàn)控(kòng)制(zhì)和(hé)通(tōng)讯(xùn),处(chù)理(lǐ)手(shǒu)指(zhǐ)发(fā)来(lái)的(de)信(xìn)息(xi)，尤(yóu)其(qí)需(xū)要(yào)实(shí)时(shí)地(de)进(jìn)行(xíng) EtherCAT 协(xié)议(yì)层(céng)的(de)处(chù)理(lǐ)。

2）外(wài)部(bù)存(cún)储(chǔ)器(qì)，由(yóu)于(yú) EtherCAT 协(xié)议(yì)层(céng)需(xū)要(yào)占(zhàn)用(yòng)大(dà)量(liàng)的(de)内(nèi)存(cún)，仅(jǐn)凭(píng)借控制器片内部的RAM，会造成内存空间不足的状态，因此需要外部扩展存储器。

3）Flash用来存储控制器的配置信息，保证掉电后不会丢失程序，上电时程序可以自动加载到 微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)中(zhōng)。

4）手指控制器（电机驱动模块）能够使灵巧手手指得到实时控制，并实时接收手指的反馈信息(xi)。

▲基于 EtherCAT 的灵巧手从站系统结构EtherCAT从站通信模块包括EtherCAT从站控制器芯片（ESC）、时钟单元、EEPROM以及以太网芯片和变压器等辅助电路单元，其中ESC是从站设计的核心。

1）ESC从站芯片负责与处理器通讯，实时的读取用户层和由EtherCAT主站传输来的数据。

2）时钟单元，对从站芯片和处理器提供工作必备的时钟。

3）EEPROM存储灵巧手从站的通讯配置信息。由于ESC从站芯片需要对工作方式配置，比如 PDI的工作方式配置、通讯的地(de)址(zhǐ)配(pèi)置(zhì)，以(yǐ)及(jí)传(chuán)输(shū)时(shí)用(yòng)到(dào)的(de)数(shù)据(jù)结(jié)构(gòu)配(pèi)置(zhì)等(děng)，这(zhè)些(xiē)灵(líng)巧(qiǎo)手(shǒu)实(shí)际(jì)应(yīng)用(yòng)需(xū)要(yào)的(de)具(jù)体(tǐ)的(de)EtherCAT从(cóng)站(zhàn)通(tōng)讯(xùn)方(fāng)式(shì)，都(dōu)是(shì)凭(píng)借(jiè)配(pèi)置(zhì)XML文件(jiàn)来(lái)实现，而对应的灵巧手EtherCAT 工作方式的描述文件，将会在 EEPROM 中保存。

4）以太网芯片PHY保证从站工作需要的以太网物理层的接口需求。

5）变压器保证以太网芯片满足 IEEE802.3和 ANSIX3.263 标准的需求。

5码灵半导体灵巧手 EtherCAT系统解决方案

码灵半导体推出的CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片可应用于灵巧手手掌板 EtherCAT 从(cóng)站系统，用于实现实时性好、通讯速度快，同时又能够易于复杂算法实现的控制平台。CF110x系列最多可以提供3个数据收发端口，支持 100 Mbit/s的全双工通信，使从站能(néng)够(gòu)灵(líng)活(huó)的(de)实(shí)现(xiàn)各(gè)种(zhǒng)拓(tà)扑(pū)结(jié)构(gòu)。内(nèi)置(zhì)8个(gè)FMMU单(dān)元(yuán)，具(jù)有(yǒu)FMMU逻(luó)辑(ji)地(de)址(zhǐ)映(yìng)射(shè)功(gōng)能(néng)；内(nèi)置(zhì)8个(gè)SM通(tōng)道(dào)，方(fāng)便(biàn)对(duì)芯(xīn)片(piàn)内(nèi)存(cún)区(qū)域组(zǔ)织(zhī)管(guǎn)理(lǐ)；支(zhī)持(chí) 4KB寄(jì)存(cún)器(qì)空间、8KB过(guò)程(chéng)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)空(kōng)间(jiān)；支(zhī)持(chí)64位(wèi)分(fēn)布(bù)时(shí)钟(zhōng)，为(wèi)微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)提(tí)供(gōng)高(gāo)精(jīng)度(dù)的(de)中(zhōng)断(duàn)信(xìn)号(hào)。CF110x系(xì)列(liè)支(zhī)持(chí)众(zhòng)多(duō)的(de)PDI引(yǐn)脚(jiǎo)，可(kě)以(yǐ)在(zài)没(méi)有(yǒu)应(yīng)用(yòng)层(céng)微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)的(de)情(qíng)况(kuàng)下(xià)直(zhí)接(jiē)驱(qū)动(dòng)32路数字IO信号，也可以使用外部微(wēi)处(chù)理器访问，构建复杂的EtherCAT从站。由于灵巧手位于整个系统的末端(duān)，因(yīn)此(cǐ)保留一路 PHY 即可满足设计需求。采用码灵半导体CF1106系列芯片作为 ESC，只需在外部添加一个变压器即可实现通讯功能。

▲码灵半导体CF110x系列芯片结构框图

▲码灵半导体CF110x系列芯片实物图

CF110x系列在灵巧手 EtherCAT系统中的应用优势特点：产品获得德国倍福公司（Beckhoff）官方正式授权，已通过ETG官方的一致性测试认证，符合EtherCAT通(tōng)信(xìn)协(xié)议(yì)标(biāo)准(zhǔn)；内(nèi)置(zhì)8个(gè)现(xiàn)场(chǎng)总(zǒng)线(xiàn)内(nèi)存(cún)管(guǎn)理(lǐ)单(dān)元(yuán)（FMMU）、8个(gè)同(tóng)步(bù)管(guǎn)理(lǐ)器(qì)（SM），产(chǎn)品(pǐn)支(zhī)持(chí)三(sān)种(zhǒng)数(shù)据(jù)接(jiē)口(kǒu)（PDI）-数(shù)字(zì)I/O，SPI和(hé)8/16 位(wèi)uC接(jiē)口(kǒu)；内(nèi)置(zhì)64位(wèi)分(fēn)布(bù)式(shì)时(shí)钟(zhōng)（DC），可(kě)实(shí)现(xiàn)EtherCAT从(cóng)站(zhàn)的(de)高(gāo)精(jīng)度(dù)同(tóng)步(bù)（<< 1μs）；可(kě)选(xuǎn)择(zé)性(xìng)集成(chéng)32位(wèi)ARM Cortex-M3内(nèi)核(hé)微(wēi)控制器（MCU）或2个电流型PHY（兼容100BASE-TX），具有抗干扰能力强、信号完整性高和稳定性好的优点；多种封装形式可选，支持QFN64L(9x9mm)、QFN88L(10x10mm)、QFN100L(12x12mm)封装。EtherCAT 作为一种国际通用的工业以太网实时通讯协议，因此基于 EtherCAT 通讯技(jì)术(shù)设(shè)计(jì)的(de)人(rén)形(xíng)机(jī)器人灵巧手，可以与世界上不同机构基于EtherCAT设计的产品相结合，从而得到进一步的推广和应用。

码灵半导体针对CF110x系列实现的灵巧手 EtherCAT系统应用提供灵活便捷、简单易用的丰富软硬件开发工具，以及资深团队的技术支持，方便工程师开发及进行移植测试等，助力客户项目快速实现升级迭代。码灵半导体CF110x系列EtherCAT从站控制器芯片工作温度范围为-40℃~85℃，并提供多种封装，目前已投入量产供货并开放送样。