人形機(jī)器人 | 使用單對以太網(wǎng)推動人形機(jī)器人發(fā)展

人形機(jī)器人變得越來越復(fù)雜，也越來越精確，具有更高的自由度 (DOF) 和 AI 驅(qū)動的中央計(jì)算引擎，現(xiàn)在能夠在幾毫秒內(nèi)評估、適應(yīng)和響應(yīng)周圍環(huán)境。設(shè)計(jì)這些先進(jìn)的人形機(jī)器人需要一個 通信系統(tǒng) ，其可支持 在眾多關(guān)節(jié)控件之間進(jìn)行實(shí)時高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級框架內(nèi)進(jìn)行，在噪聲大的工業(yè)環(huán)境中也要保持可靠且穩(wěn)健 。 TI 單對以太網(wǎng) (SPE) PHY 可以解決這些難題并簡化系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)人形機(jī)器人的無縫運(yùn)動執(zhí)行。

使用 SPE 實(shí)現(xiàn)更簡單的系統(tǒng)架構(gòu)

和更輕的重量

為了實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)控件的高更新速率和高帶寬（高達(dá) 1000Mbps），需要一種先進(jìn)的 實(shí)時控制系統(tǒng)架構(gòu) 。通過提供可促進(jìn)多個系統(tǒng)組件之間的數(shù)據(jù)交換的單一高帶寬通信標(biāo)準(zhǔn)， 基于以太網(wǎng)的系統(tǒng)簡化了架構(gòu) 。進(jìn)一步使用 SPE (xBASE-T1) 技術(shù) （如圖 1 所示）和/或 菊花鏈拓?fù)?nbsp;可以減小線束的整體尺寸，在更大程度地減輕機(jī)器人重量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用（ 重量是人形機(jī)器人的一個重要因素，減輕重量可以提高機(jī)動性、能源效率和平衡性能 ）。

圖 1：SPE 接口

使用單對以太網(wǎng) PHY 推動機(jī)器人發(fā)展

TI 的 SPE PHY 產(chǎn)品系列旨在與 TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 實(shí)現(xiàn) 封裝兼容 。單板設(shè)計(jì)允許在未來的開發(fā)中升級功能集或帶寬，而無需改動硬件。這種方法有助于 加快開發(fā)周期并縮短上市時間，從而節(jié)省研發(fā)成本 。

此外， TI SPE 以太網(wǎng) PHY 集成了一套先進(jìn)功能，可 進(jìn)一步降低人形機(jī)器人設(shè)計(jì)的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)性能 。

精確的時間同步

利用精確的 時間同步 ，可以 增強(qiáng)分布式人形機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)之間無縫的確定性協(xié)調(diào) 。TI 的 SPE PHY（1000BASE-T1 DP83TG721S-Q1 和 100BASE-T1 DP83TC817S-Q1）集成了 IEEE 802.1AS ， 可在控制器和 I/O 節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)精確的網(wǎng)絡(luò)范圍時間同步和單一時間參考 。這使得開發(fā)人員能夠?qū)r間戳處理從處理器卸載到 PHY 上，從而實(shí)現(xiàn)低至 1-15ns 的同步精度。

在 SPE PHY 中利用時間戳處理

集成 IEEE 802.1AS 的以太網(wǎng) PHY 可以改善人形機(jī)器人子系統(tǒng)的實(shí)時決策和自適應(yīng)行為 。 時間戳處理 是在生成或接收數(shù)據(jù)或事件時使用精確的時間信息標(biāo)記傳入和傳出數(shù)據(jù)或事件的過程。如圖 2 所示，時間戳處理可以在數(shù)據(jù)路徑上的多個位置實(shí)現(xiàn)： 在以太網(wǎng) PHY 的硬件中、在處理器中 MAC IP 的硬件中或在處理器的軟件中 。 TI 的處理器和以太網(wǎng) PHY 產(chǎn)品系列 可支持全部 3 種類型的時間戳處理。時鐘數(shù)據(jù)的精度和抖動可能會在毫秒到納秒之間變化，具體取決于時間戳與電纜的接近程度。以太網(wǎng) PHY 是最靠近電纜的元件，在其中進(jìn)行的時間戳處理 可以提高同步精度，因?yàn)樗鉀Q了數(shù)據(jù)通過 PHY 時可能會出現(xiàn)的不確定延遲問題 。

圖 2：可能的時間戳處理位置

GPIO 事件捕獲或生成

精確的 GPIO 事件計(jì)時功能 進(jìn)一步 改善了多個電機(jī)控制器之間的同步，并且有利于執(zhí)行需要在子系統(tǒng)之間進(jìn)行檢測和響應(yīng)協(xié)調(diào)的任 務(wù)。 DP83TG721S-Q1 和 DP83TC817S-Q1 都能夠在 PHY 硬件（而不是控制器）中創(chuàng)建時間戳和事件觸發(fā)器。以太網(wǎng) PHY 不但可以使用集成的 IEEE 802.1AS 存儲一天中的時間，而且可以使用它 以納秒級精度 在其 GPIO 引腳上捕獲事件（圖 3）或生成事件（圖 4）。生成的事件可以采用模式形式（例如 25MHz 時鐘實(shí)現(xiàn)），也可以采用特定時間的脈沖形式。

圖 3：使用 TI PHY 捕獲 GPIO 事件

圖 4：使用 TI PHY 生成 GPIO 事件

兼具穩(wěn)定性

克服 EMI 和 EMC 難題

人形機(jī)器人是一個空間受限的系統(tǒng)，其中包含多個電子元件、電機(jī)、傳動器和電力電子器件，所有這些都可能會產(chǎn)生干擾。因此，管理 電磁兼容性 (EMC) 至關(guān)重要，因?yàn)?nbsp;電磁干擾 (EMI) 可能會破壞機(jī)器人內(nèi)部的傳感器讀數(shù)和控制信號。TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 以太網(wǎng) PHY 設(shè)計(jì)為符合 OPEN Alliance EMI/EMC 標(biāo)準(zhǔn)， 可在汽車市場提供成熟的穩(wěn)健性 ，現(xiàn)在，在機(jī)器人應(yīng)用中至關(guān)重要 。通過使用 電隔離 的穩(wěn)健架構(gòu)來應(yīng)對噪聲（如圖 5 所示），使得 TI 器件能夠符合 EMI/EMC 的工業(yè) IEC 和 CISPR 標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱 單對以太網(wǎng)的 EMC/EMI 合規(guī)性設(shè)計(jì) 應(yīng)用手冊。

圖 5：電耦合概念

電纜診斷

在封閉的機(jī)器人系統(tǒng)中，由于接觸內(nèi)部元件/組件受到限制， 排除網(wǎng)絡(luò)故障可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù) 。憑借可通過 串行管理接口 (SMI) 訪問的以太網(wǎng) PHY 的 內(nèi)置電纜診斷功能 （如信號質(zhì)量指示器 (SQI) 和時域反射計(jì) (TDR)）， 基于 SPE 的網(wǎng)絡(luò)可以更大限度地減少排除網(wǎng)絡(luò)問題和電纜故障所需的停機(jī)時間 。

SQI 通過評估 信號強(qiáng)度、噪聲水平和傳輸錯誤 來監(jiān)控鏈路質(zhì)量，以提供連接健康狀況的實(shí)時狀態(tài)。在人形機(jī)器人等封閉系統(tǒng)中， SQI 可以及早檢測信號衰減或不穩(wěn)定情況，以便進(jìn)行主動維護(hù)，或者確定網(wǎng)絡(luò)的哪個部分出現(xiàn)問題 。任何給定時間的 SQI 值都存儲在寄存器中，可通過簡單的計(jì)算與 信噪比 (SNR) 相關(guān)聯(lián)。圖 6 顯示了 SQI 值隨噪聲的增加而增加的示例。

圖 6：SQI 示例

TDR 可 識別整個電纜長度范圍內(nèi)的故障（例如短路或開路），以及與 PHY 的距離 。圖 7（Buntz 和 Daimler AG，2017）顯示了可使用 TDR 功能檢測到的不同類型的故障。 這種診斷方法對于精確定位電纜中故障的確切位置非常有用 。

圖 7：電纜中可能出現(xiàn)的故障

如圖 8 所示，TDR 的工作原理是 向電纜中注入高能脈沖并測量反射信號（同相、異相或無脈沖） 。當(dāng) PHY 之間沒有有效鏈路時，通常會運(yùn)行 TDR 測試來查找根本原因。

圖 8：TDR 概念

在人形機(jī)器人中使用時， 這些強(qiáng)大且高效的故障隔離工具可以提高整體系統(tǒng)可靠性并延長正常運(yùn)行時間 。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

TI 的 應(yīng)用特定 MCU (ASM) （例如 C2000 系列和基于 Arm 的 MCU 產(chǎn)品系列）與多種實(shí)時以太網(wǎng)通信協(xié)議兼容，也可以用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)。此外，TI 開發(fā)的 SORTE 協(xié)議 可以實(shí)現(xiàn) 4μs 的周期時間，與基于 Arm 的 MCU 系列兼容， 適用于需要更高吞吐量并實(shí)施 SPE 的應(yīng)用 。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請參閱 支持 PRU-ICSS 的簡單開放實(shí)時以太網(wǎng) (SORTE) 器件 參考設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì) 功能安全型以太網(wǎng) PHY 并與第三方合作認(rèn)證 MCU 軟件棧，可確保滿足機(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)部的功能安全要求。

在人形機(jī)器人中，SPE 用于 點(diǎn)對點(diǎn)或菊花鏈配置 ，以連接用于在各種子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)運(yùn)動的電機(jī)控制器。通常采用 基于網(wǎng)關(guān)的架構(gòu) 來管理多個控制器和電機(jī)子系統(tǒng)。借助 ASM + DP83TC812S-Q1 (100BASE-T1 SPE PHY) 評估模塊， TI 展示了多節(jié)點(diǎn)實(shí)時系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn) 60ns 抖動性能，從而實(shí)現(xiàn)確定性且可預(yù)測的系統(tǒng)行為 。有關(guān)測試設(shè)置的更多信息，請聯(lián)系 TI。

圖 9：特定于應(yīng)用的 MCU 和 100BASE-T1 SPE PHY 評估模塊

總結(jié)

SPE 技術(shù) 在推動人形機(jī)器人發(fā)展方面發(fā)揮著變革性的作用，并通過 解決受限空間中的高帶寬實(shí)時通信、精確的時間同步和 EMI/EMC 噪聲穩(wěn)健性 等關(guān)鍵設(shè)計(jì)難題 ，為未來的可擴(kuò)展性鋪平道路。通過集成 IEEE 802.1AS 和 GPIO 事件觸發(fā)器 等功能，單對以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn) 最準(zhǔn)確的系統(tǒng)反應(yīng)和響應(yīng) 。基于這些功能，TI 高度集成的 MCU 產(chǎn)品系列 經(jīng)過優(yōu)化，可與 TI 以太網(wǎng) PHY 驅(qū)動器無縫配合使用，提供兼容性并簡化系統(tǒng)開發(fā)，以滿足現(xiàn)代人形機(jī)器人的高性能需求。