来自英国领先的机器人公司 Shadow 机器人采用 EtherCAT 解决了很多问题，并实现了一个功能强大、开放的方案、用于实施真正创新的应用。
英国 Shadow Robot 公司拥有很多高端产品，包括 Dexterous 机器手，这是一台拟人操作机器手，带有 20 个自由度，机器手采用了 129 个传感器来提供细节遥测，从而生成操作控制系统或提供细节的外部环境情况。
同每个关节的位置感一样， 该机器手带有对每个执行器的力感、指尖触感、温度和电机电流，以及电压感。所有从 100Hz 到 1kHz 的数据通过一个高带宽的 EtherCAT 接口对用户开放。该机器手提供给用户独特的功能：包括接近人手的功能并可以作为替代人手的电子操作工具使用，也可以被集成到机器人的系统中。
EtherCAT 的实施使我们改变了机器人的设计、研发和性能，这也正是S h a d ow 公司为最新的正在积极商业化的 RoNex 方案所寻找的技术。RoNeX 是一个基于 EtherCAT 芯片组的“机器人神经系统”，能提供高速、低延迟的模块化方法将执行器、传感器及 I2C 和 SPI 总线连接到 ROS(机器人操作系统)软件控制系统。同时，RoNeX 将现代计算机应用到了传感器执行器领域。
图1：Dexterous 机器手集成了多达 129 个传感器。
Shadow 公司总经理 Rich Walker 阐述了板上元器件的历史：“在 10 到15 年前，我们决定采用分布式电子器件，并需要一种可以支持我们设想的那种性能的通信系统。最初我们的设计采用了 CANbus，这种技术使用简单，可扩展且实现了我们需要的分布式架构。然而，它仍有缺点。在CANbus 达到其性能极限时，对布局和时间非常敏感。当速度达到极限时， 就开始遇到与 PC 连接的问题，并且需要在分布各处的硬件中嵌入控制软件，导致了长时间的循环周期等各种问题。”
“我们需要一个更快、更可靠稳定的网络架构”，Walker 解释说，“这种需求引导我们走向 EtherCAT。美国的一家机器人领导企业 Willow Garage采用 EtherCAT 开发了开放的机器人操作系统 ROS，我们希望自己的设备也与其兼容。我们在 ROS 的研究也导向EtherCAT，如他们所说，这是一个历史必然。”
他继续说道：“因为 EtherCAT 的通信是在两个芯片中的，因此建立这种通信非常简单。更快的速度、时间确定性、可扩展且拓扑选择无限都非常符合我们的需求。这成为一个很棒的方案。我们可以从主站控制它，它提供了更好的性能和至关重要的时间确定性通信。数据的有效使用率也超过了CANbus，因此可以连接更多的节点且性能不受限。我们开始研发新的硬件并将 Dextrous 机器手改用 EtherCAT 通信;随即就看到了在速度和控制方面的改善。”
Shadow 公司也参与很多研发项目，其中包括 STIFF-FLOP(坚固、可控、灵活且可学习的外科手术操作器)。由伦敦大学国王学院牵头，作为欧洲第七个框架项目，有 12 个合作伙伴参与，研究将机器人应用到医疗过程中。“在该项目中，我们的角色是集成工作，”Walker 告诉我们，“12 个合作伙伴的输出将被一个适宜的控制方案集成在一起。我们从第一天起设计项目时就考虑了集成功能，因此在研发最初就设计一种可以集成硬件和软件的方法。在面对各种不同的且有效的互联，数量众多的 IO时，我们需要考虑可扩展性、通信和速度。简而言之，我们需要一个通用的机器人架构。”
“Willow Garage 已经研发了 ROS且将引入了一个非常好的机器人架构，”他详尽阐述道，“他们还为软件建立了一个分布式设施，并创建了对所有兼容性软件系统的穹顶，系统可以在 Ubuntu(Linux 的一个版本)上运行。在这个项目中，我们研发了一个 EtherCAT 方案，所有的硬件可以集成到 ROS 中。”
“我们意识到需要一个方案可以使底层的设备与 ROS 通信，”Walker 解释说，“虽应建立一个底层系统，但实施并不容易。ROS 的底层需要很长时间与硬件通信。因此我们做的就是发现问题并解决它。我们曾设计一个 EtherCAT 系统，可以将所有的硬件分布式布局同时全部插入到 ROS 系统中。该方案采用在 EtherCAT 中的例行配置功能寻找每一个硬件——基本上是 EtherCAT 帮我们和合作伙伴完成了所有的硬件工作。”
基于 EtherCAT 的 RoNeX 模式的例行配置功能就如同一个即插即用的 USB 鼠标。“你的 PC 识别了鼠标及其基本功能，但是还需点击鼠标。RoNeX 识别组件为一个电机，提供基本的功能，并允许用户稍后调整其他参数。”
图2：RoNeX 组板集成了 RJ45 接头。
RoNeX 采用一个标准的 Beckhoff(德国倍福)EtherCAT 芯片，可链接任何需要 IO 的微处理器系统。“该架构足够灵活，我们可以采用同样的模块为机器人设计创建多个不同的 IO 节点。这些模块包括直线电机、步进电机、精确的模拟量和数字量 IO，或者是用户需求的放置在执行器端的专用组合。”
“通过 E t h e r CAT 实现的分布式元器件方案在 EMI 方面也更有优势，”Walker 耐心解释道，“这是因为更少的布线工作。当告诉那些使用了 ROS 的用户我们基于 RoNeX 和EtherCAT 所做的工作时，他们通常问‘我们何时可以使用?’我们还开发了可以轻松使用在无电子组件的人工方案;机械工程师确实可以采用 RoNeX 作为项目开发最初始阶段的辅助。”
Shadow 公司是技术前沿的最好代表，他们需要与机器人方案提供的功能所匹配的网络性能。采用 EtherCAT研发 RoNeX，Shadow 公司成功研发了一套简化设计和研发工作的系统，同时提供了令人难以置信的操作性能。EtherCAT 的数据利用率、确定性及灵活的拓扑，加之其可提供很多工业标准控制器的接口，使其成为高速、高精度，面向未来的应用方案。
关于 Shadow 机器人
公司创立于 1987 年并组建于 1997年，Shadow 机器人公司专注于研发前沿机器人。此后该公司的 20 名研发和生产工程师为其带来欣欣向荣的商机，公司在伦敦、布雷斯特及上海设立分支机构并在全球销售。公司也是技术实现者，开发新的理念并为客户或研究院所实现其理念，同时还提供商业创立和支持服务。
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