巨量的通信
---实时通信接口 SERCOS III 支持人形机的运动控制
作者:Daniel Grimm 发布时间:2008/9/24 10:34:55

   能够进行几乎像人类一样的运动,C3PO,这个来自“(美国)星战”世界的机器人,对所有机器人研究人员来说,是一个迄今未曾凌驾的模型。这是难怪:毕竟,这是一个演员被隐藏在机器人的金色外皮之下。但是 30 年之后的今天,研究逐渐地到达其目标。机器人正在学习自主地行走和抓取。这些应当尽可能自然的运动借助于开放的 SERCOS 通信接口得到控制。
   机器人具有大量服务的特点,尤其在发生“星战”传说的宇宙空间。DLR 研究人员 (DLR = Deutsches Luft- und Raum-fahrtzentrum,德国宇航中心) 的目标是开发能够自由飞翔的仿人机器宇航员,它们能够控制、检验并维修宇宙空间的系统,或者独自去探究行星的表面。这仍然是一个幻想。但是用于捕获或者故意摧毁人造卫星的机器人手臂将会很快成为现实。自从2005年1月,DLR 机器人学与机械电子学研究所开发的一个两个关节的手臂,就已经被安装到 ISS 国际宇宙空间站。这个手臂是通过一个闻名于视频游戏的简单的力反馈操纵杆,从地球上无线电操作。“本来,该测试系统被设计成仅仅在宇宙空间中使用一年的,”DLR的宇宙空间机器人学协调人Klaus Landzettel 报告道,“但是今天,该应用系统一直顺利地运行了二年半。”甚至预先进行的各种综合测试,如:放射性的幅射、真空室和极端的振动测试,都没有扰乱任何技术组件上的适当功能。安装在ISS内部的控制器与安装在宇宙站外面的机器人手臂的驱动器之间的通信,是借助于SERCOS技术实现的。

第一个适用于宇宙空间的总线

   位于控制处理机中的 SERCOS PMC 模组是主站,而被整合到机器人臂的这二个关节的电子器件中的 SERCON816 控制器集成电路是从站。为了实现这个,必须要使用传统的铜线,而不用光缆,因为后者在宇宙空间中会变“盲”。在所谓的热真空测试中,从 –60 摄氏度到 +90 摄氏度的循环,都在正在进行的操作期间运行。该应用程序对于时钟率(抖动)和总的数据传送次数,设定了最高的标准。其时钟率应该不少于500赫兹,并且总的数据传输时间应该在500毫秒之下(从机器人臂到ISS的数据传输时间少于20毫秒)。SERCOS是选中的总线,尤其因为它极端瘦的协议以及它极高的数据传输效率。藉由SERCOS,抖动少于1微秒。DLR 的 Georg Plank 说:“SERCOS 是当前唯一一种在其协议内自动实现同步的可用总线。”
未来,机器人手臂将会更加复杂。多轴机器人,如:具有七个关节的,将会用于载波卫星上。这样的机器人的目的在于捕获、修理或摧毁正在宇宙空间中出现故障的卫星。DLR 机器人学和机械电子学研究所在 Oberpfaffenhofen 开发和建造机电一体化机器人关节单元,这是全世界是最现代化的关节。与传统的机器人相反,它们具有转矩控制和冗余的运动学。那意谓着,它们具有七个自由度,正如人类的手臂,这不同于具有六个关节的典型的工业机器人。

 

   研究人员在 DLR 成功地将所有的控制、电源和讯号电子设备都整合到一个手臂中。基于这些高度集成的机器人手臂,该研究所开发并建造了一个仿人躯干,称作“Justin(查斯丁)”,它有二个臂和手,以及一个可以运动的头,总共有43个自由度。三个硬件同步的 SERCOS 环路控制着 Justin(查斯丁)的双臂和躯干,这使用了17个驱动器。通过与 KUKA 机器人制造公司的合作,SERCOS 也用于这些新奇的轻量型机器人手臂中。

 

   但是单一的手臂是不够的:我们的目标是一个完全像人的机器人。两足动物的运动是一个特别难以解决的问题。慕尼黑科技大学(TUM)的应用机械的研究人员都知道这一点。自从那上世纪八十年代中期,他们就致力于仿真、控制和实现步行机器人。今天,他们确信 LOLA 将会跑起来。 LOLA 是由 TUM 研究人员开发的仿人步行机器人的名字。这个机器人应该非常接近人类的步态特点和速度。其运动由实时以太网接口 SERCOS III 来控制。与它的前辈 Johnnie (它已经通过使用视觉环境检测以及在线路径规划等功能,成功地跑过了有障碍物的情况) 相反,LOLA 目前处于一个决定性的进一步发展阶段中。额外的冗余自由度,使得 LOLA 能够展现更加自然和更加灵活的步态特点。而高级驱动和传感技术的使用,有助于提高性能。为了能够像一个成人一样快速地行走,LOLA 具有一个自己发展的控制器,它能够预先规划出多步,并且竟然能够随时变更速度。

22个驱动器之间的直接通信
   在 LOLA 内,总共有22个由 TUM 开发的特别驱动器相互同步。这些驱动器通过来自SERCOS 专家 AUTOMATA 公司的硬件和软件组件相互通信。“作为一个实时接口,SERCOS 满足所有的要求,并且还提供一些超出要求的特别功能,” TUM的信息技术专家Sebastian Lohmeier 如是说。AUTOMATA 公司的 Christoph Melzer 肯定了这个
   表述,并且宣布:“其定时性结构、高带宽和高效率的协议,对于运动控制是特别地决定性的功能。这些驱动器按照 SERCOS III,通过点对点通信交换实时数据。换句话说,该接口允许各个从站在一个通信周期内直接进行数据交换。这最小化了传输比率和响应时间 – 这是一个只有 SERCOS III 才能达到的目标。”

 

    未来,机器人应该能够快速行走,并且能够掌控每件事情。为了达到这个目标,打算将机电一体化手整合到系统内。“但是这将需要另外的五到十年,”TUM 研究所经理Ulbrich 教授/博士说。DLR 的 Gerd  Hirzinger 教授致力于设计复杂的 手爪。有朝一日,这些手将被整合到 DLR 机器人手臂上,允许它们在宇宙空间坚固地夹持。但是除了航空航天工业之外,许多其它应用领域也要求机器人能够尽可能像人类一样地运动。例如:它们可以从事简单劳动,或者是在对人类有着很大风险的隔离病房等处协助人类。在工业生产中,它们将会开辟新的可能性。在服务和娱乐领域中,也可能有不同的应用。 医疗修复构造领域,是当今已经利用了研究人员的发现的一个领域。
   从自然界学习,特别是从人体的运动中学习,能为技术提供极大潜力。而且 SERCOS III 能够对运动控制做出一个重要的贡献。机器人肢体的运动越复杂、越尖端, 越需要较多的驱动器。而且该实时接口为智能通信提供
–  不管在地球上还是在宇宙空间,不管是今天还是未来 . . .

信息框:

   SERCOS 数字接口对于实时性、性能和无噪声传输等方面有许多优越性,并提供了很宽的产品和制造商范围。基于现有的 SERCOS 接口标准 (IEC/EN 61491),第三代标准 SERCOS III 是从一个专用的驱动接口到一个通用实时以太网解决方案的一个进一步的发展。这个新的标准对于集中式和分散式驱动设计都适用。 网络节点的同步直接基于所收到的实时数据。除此之外,SERCOS III 还提供了从站之间的点到点通信,并支持多个运动控制器之间的数据交换和同步。由于它的特别安全设计,该接口也可以用于 IEC 61508 SIL3 级别的应用。
   SERCOS International 用户组织负责 SERCOS 通信接口标准的分配、认证、技术上的进一步开发和标准化。该组织在全球有 60 多个成员公司,并在北美和亚洲有分支机构。