簡單來說，機器人內部總線是一種連接機器人各個部件的通信線路，能夠在不同的硬件組件之間傳遞數據和控制信號。通過這條 “信息高速公路”，機器人的大腦(控制器)可以向各個執(zhí)行機構(如電機、傳感器等)發(fā)送指令，同時也能接收來自這些部件的反饋信息，從而實現機器人的精確控制和穩(wěn)定運行。

　　如圖所示，在復雜的機器人系統(tǒng)中，需要支持多個通信接口，并且可能會混合使用不同接口。上圖顯示了一個分散式機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有多條通信接口路徑，每條路徑的規(guī)格都不相同。

　　總線的作用

　　數據傳輸：確保機器人各部件之間能夠快速、準確地交換數據。比如，傳感器采集到的環(huán)境信息(如距離、溫度、光線等)，需要通過內部總線及時傳輸給控制器，以便機器人做出相應的決策。

　　同步與協(xié)調：協(xié)調不同部件的工作節(jié)奏。在機器人執(zhí)行復雜任務時，多個關節(jié)的電機需要協(xié)同工作，內部總線就能夠保證各個電機按照預定的順序和速度運轉，實現機器人動作的流暢性和精準性。

　　控制信號傳遞：將控制器發(fā)出的控制指令傳達給各個執(zhí)行部件，使機器人能夠按照預設的程序完成各種動作，如行走、抓取、搬運等。

　　隨著設計人員不斷探尋新的方法來實現更短的周期時間和更高的吞吐量，從而滿足大數據要求，使帶寬更寬的系統(tǒng)以超高效率工作，并更大限度地縮短停機時間，他們也希望通過重復使用現有布線基礎設施來更大限度地減少對升級的影響。大多數系統(tǒng)還采用高級功能，例如更智能的診斷、更高的安全規(guī)格以及更快、更好的實時特性來進行電機控制。

　　控制系統(tǒng)通信是運動控制器和其他各個部件的信息傳輸，如傳感器的數據需要傳給控制器，控制器的指令需要傳給執(zhí)行器等。目前主要的控制總線有串口總線RS232/RS485、CAN、EtherCAT、PROFINET、POWERLINK、PROFIBUS、SERCOS、Ethernet、Modbus、CC-Link、MECHATROLINK等等?？紤]到足式機器人控制系統(tǒng)的帶寬、穩(wěn)定性與性價比等因素，目前足式機器人主要采用串口RS232/RS485、CAN、EtherCAT這三類總線。

　　總線、協(xié)議和接口

　　需要了解總線，先了解這三個不同概念：總線、協(xié)議和接口。

　　總線：主要功能是提供數據傳輸的物理通道，實現設備之間的電氣連接和信號傳輸。它決定了數據傳輸的帶寬、速度和方向等物理特性。

　　協(xié)議：側重于規(guī)范數據傳輸的邏輯規(guī)則，確保數據能夠準確、可靠地在設備之間進行交換。協(xié)議定義了數據的格式、傳輸的流程和錯誤處理的方法等。

　　接口：結合了物理和邏輯兩方面的特性。物理上，接口表現為各種插頭、插座;邏輯上，它規(guī)定了數據傳輸的格式和電氣特性等規(guī)則。

　　其中，總線提供數據傳輸通道，協(xié)議規(guī)范數據傳輸流程，接口進行信號轉換與適配。

　　常見的機器人內部總線類型

　　CAN 總線：即控制器局域網(Controller Area Network)，它具有高可靠性、抗干擾能力強、成本較低等優(yōu)點。CAN總線由德國博世在 20 世紀 80 年代初為汽車電子控制系統(tǒng)開發(fā)。當時，汽車中電子設備不斷增加，傳統(tǒng)布線方式難以滿足需求，CAN 總線應運而生，它以多主通信、高可靠性和實時性強等特點有效解決了這一問題，最初成功應用于奔馳汽車。隨著時間推移，1991 年博世公司發(fā)布 CAN 2.0 協(xié)議規(guī)范，將其分為 CAN 2.0A(標準幀)和 CAN 2.0B(擴展幀)，進一步提升了數據傳輸能力和靈活性。國際標準化組織也在 1993 年將其確定為國際標準 ISO 11898。之后，CAN FD(CAN with Flexible Data Rate)協(xié)議出現，大幅提高了數據傳輸速率，滿足了日益增長的大數據量傳輸需求。

　　除了汽車，在工業(yè)應用場景中，CAN 總線表現也十分出色。在工業(yè)自動化領域，它用于連接可編程邏輯控制器(PLC)、傳感器和執(zhí)行器等設備，實現設備間的實時數據通信和協(xié)同工作，如自動化生產線中的機器人控制、物料輸送系統(tǒng)等。在電力系統(tǒng)中，CAN 總線被用于監(jiān)測和控制電力設備，像變電站的開關狀態(tài)監(jiān)測、電力參數采集等，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。在電梯控制系統(tǒng)里，CAN 總線可連接電梯的各個部件，如轎廂控制器、門機控制器、樓層傳感器等，實現高效可靠的運行控制和故障診斷。此外，在智能建筑領域，CAN 總線可用于連接照明系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等設備，實現智能化的集中管理和控制。總而言之，CAN總線非常適合連接各個關節(jié)的電機驅動器和傳感器，確保機器人的穩(wěn)定運行。

　　EtherCAT 總線：以太網控制自動化技術(Ethernet for Control Automation Technology)，是一種基于以太網的現場總線系統(tǒng)。EtherCAT(Ethernet for Control Automation Technology)總線由德國倍福自動化有限公司在 2003 年首次提出，它是一種基于以太網的現場總線技術。誕生之初，工業(yè)界急需一種高速、高效且低成本的通信解決方案，EtherCAT 應運而生，憑借其突破傳統(tǒng)以太網在工業(yè)自動化應用局限的特點，迅速獲得關注。它的最大特點是數據傳輸速度極快，能夠實現納秒級的同步精度。EtherCAT僅使用了物理層、鏈路層、應用層三層協(xié)議，與多數傳統(tǒng)的現場總線相同，但相比于其它實時以太網協(xié)議，如PROFINET、EtherNet/IP等，其協(xié)議棧更加精簡。因此它具備超高速的數據傳輸能力，能夠在極短時間內完成大量數據的交換，滿足機器人實時控制需求，使機器人可以快速響應指令，實現高精度的運動控制。其分布式時鐘技術可確保網絡中所有設備的時鐘精確同步，讓機器人各關節(jié)動作協(xié)調一致，避免因時間偏差導致的運動誤差。

　　在對實時性要求極高的機器人應用中，如協(xié)作機器人和高速分揀機器人，EtherCAT 總線能夠讓機器人快速響應外部信號，實現更加靈活和精準的操作。一個最直觀的證明就是新加坡樟宜機場的“雨之舞”，基于高性能，高實時性，拓撲結構的靈活性等特點，EtherCAT 技術完美解決了來自 1216 根伺服軸實時同步帶來的挑戰(zhàn)。

　　串行總線：串行總線類型有很多，其中RS - 485總線也許是機器人中最廣泛的應用，它采用差分傳輸方式，具有較強的抗干擾能力，傳輸距離較遠，成本相對較低。在一些對通信速度要求不高，但對成本和可靠性有一定要求的簡單機器人系統(tǒng)中，比如一些小型的教育機器人或簡單的服務機器人。RS - 485 本身并沒有嚴格定義通信協(xié)議，在實際應用中，需要配合特定的通信協(xié)議來實現數據的有序傳輸和設備之間的協(xié)調工作。常見的基于 RS - 485 總線的通信協(xié)議有 Modbus RTU協(xié)議，它定義了數據幀的格式、通信規(guī)則、功能碼等內容，使得不同廠家生產的設備能夠在 RS - 485 總線上進行互操作。此外，用戶也可以根據自己的需求自定義通信協(xié)議。

　　總結

　　隨著機器人的發(fā)展，也許會有更專業(yè)的針對機器人的協(xié)議誕生，或者其他行業(yè)或工業(yè)的某些標準總線經過修改切入機器人體系中，比如CAN或者Ethercat等的歷史演進。

　　另外，考慮到線纜的復雜性，SPE(單對以太網)可能會在機器人領域取得較大進展，取代現有的雙對以太網，從而節(jié)約線束、簡化布線并增強可靠性。