CN112571421B - 机器人关节执行器、关节执行器模组及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人关节执行器、执行器模组及机器人，该执行器包括：电机、电机控制处理器、网络通信处理器及以太网交换机芯片；以太网交换机芯片与网络通信处理器连接，并连接第一网口和第二网口，第一网口用于连接组网设备或第二执行器，第二网口用于连接第三执行器；网络通信处理器用于基于以太网TCP/IP协议进行通信；电机控制处理器连接网络通信处理器，基于来自网络通信处理器的信号产生电机驱动控制信号；第一网口与第二网口的信号接收端经由同步信号线连接，同步信号线还连接至网络通信处理器的同步信号输入端，第一网口经由网络连接线接收外部控制设备的网络信号和同步信号，同步信号经同步信号线传输至网络通信处理器的同步信号输入端。

Description

机器人关节执行器、关节执行器模组及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人关节执行器、关节执行器模组及机器人。

背景技术

目前机器人技术发展迅速，机器人的应用已经渗透到社会的各个领域，同时对机器人的小型化要求、通信带宽要求、操控灵活性要求和关节操作同步性要求等也日益提高。目前的机器人多为多自由度操控的多关节机器人，机器人关节采用CAN总线、RS485总线或EtherCAT总线实现与机器人外部控制设备的通信。

图1为采用CAN总线在运动控制中应用的电路结构示意图。参见图1，所有节点(电机)通过两根平行的总线连接在一起，两条电线组成一条双绞线，并接有120Ω的特性阻抗。CAN总线通信方式主要存在以下缺点：(1)最高传输速度低，只有1Mbps，通常情况下在机器人应用场合难以达到1Mbps，且线缆长度具有严格限制；(2)数据帧的负载只有8个字节，一次传输的数据量太少，难以满足机器人日益复杂的运动控制和自动化场合；(3)数据帧只有11bit的地址，寻址空间少，难以进行大规模组网；(4)总线方式通信，导致任意节点的加入都要考虑对总线阻抗的匹配问题；另外只能构成线性网络，无法实现环形，星型等更复杂的网络结构；(5)总线方式导致若网络中出现一个节点发生短路等故障，整个总线全部宕机；(6)总线的通信方式导致和网络中任意节点的通信过程中，整个网络处于占用状态，通信效率低；因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端，却会使用广播的形式，发送给线路上的所有节点；(7)采用半双工的通信方式，导致发送数据的时候无法接收数据。总的来说，CAN总线通信方式可靠性较差，通信带宽低，带机量低，拓扑结构单一，使用成本高。

对于，RS485总线通信方式，其物理层与CAN总线通信方式一致，同样存在CAN总线通信方式的缺陷，而且还缺乏CAN总线通信方式的网络管理功能。此外，由于CAN总线或RS485总线为串行通信方式，外部控制设备每次只能发送控制指令到一个机器人关节，对于多自由度的多关节机器人，难以实现对多个关节的同步操纵。另外，每个机器人关节都需要通过一路连接线与外部控制设备连接才能实现CAN总线或485总线通信，所以，多个机器人关节会带有大量连接线，既增大了体积，又不利于灵活操作。

对于EtherCAT(以太网控制自动化技术)通信方式，其是一个基于100Mbps以太网物理层的工业以太网技术，利用标准的IEEE 802.3以太网帧传递。由于EtherCAT只利用了标准以太网的物理层，因此EtherCAT总线拓扑单一，所有的主站和从站均需要特殊的芯片或网络设备，因此成本高，无法使用通用网络设备，如交换机，路由器，无法连入互联网，没有TCP/IP的概念，导致开发人员需要学习很多相应的技术知识导致使用成本高。

如何满足目前对机器人日益增高的要求，提供一种高带宽、成本低、适配性高的机器人构件，是一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机器人一体化执行器、执行器模组及机器人，以解决现有技术中存在的一项或多项缺陷。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种机器人关节执行器，该执行器包括：电机控制处理器、网络通信处理器以及以太网交换机芯片；

所述以太网交换机芯片与所述网络通信处理器连接，并连接第一网口和第二网口，所述第一网口用于连接第二机器人关节执行器或经由组网设备连接外部控制设备，所述第二网口用于连接第三机器人关节执行器；

所述网络通信处理器用于基于以太网TCP/IP协议经由以太网交换机芯片与所述外部控制设备进行通信，接收所述外部控制设备的控制信号；

所述电机控制处理器连接所述网络通信处理器，用于基于来自所述网络通信处理器的信号产生电机驱动控制信号；

所述第一网口的信号接收端与所述第二网口的信号接收端经由同步信号线连接，所述同步信号线还连接至所述网络通信处理器的同步信号输入端，所述第一网口经由网络连接线接收来自所述外部控制设备的网络信号和同步信号，所述同步信号经所述同步信号线传输至所述网络通信处理器的同步信号输入端。

在一些实施例中，所述第一网口和所述第二网口包括网络变压器：所述第一网口的初级绕组的预定连接点与所述第二网口对应的初级绕组的预定连接点经由同步信号线连接。

在一些实施例中，所述第一网口的接收端初级绕组的预定连接点与所述第二网口的接收端初级绕组的预定连接点经由第一同步信号线连接，所述接收端初级绕组的预定连接点为所述接收端初级绕组的任意一端部上的连接点或中间抽头位置；所述第一网口的发送端初级绕组的预定连接点与所述第二网口的发送端初级绕组的预定连接点经由第二同步信号线连接，所述发送端初级绕组的预定连接点为所述发送端初级绕组的任意一端上的连接点或中间抽头位置；所述同步信号输入端包括第一同步信号输入端和第二同步信号输入端，所述第一同步信号线和所述第二同步信号线上的同步信号分别输入至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端和第二同步信号输入端。

所述网络通信处理器包括差分转单端电路，所述第一同步信号输入端和第二同步信号输入端为所述差分转单端电路的第一输入端和第二输入端。

在一些实施例中，所述机器人关节执行器还包括：以太网物理层电路，其连接所述网络通信处理器和所述以太网交换机芯片；电机驱动电路，其连接电源和所述电机控制处理器，用于基于所述电机驱动控制信号来驱动所述电机。

在一些实施例中，所述机器人关节执行器还包括：电机；以及编码器，其连接所述电机控制处理器和电机，用于检测电机转速和转动角度并将检测结果传输给所述电机控制处理器。

在一些实施例中，所述电机为扁平化无刷电机，所述编码器为单圈或多圈编码器；所述机器人关节执行器还包括：减速器，其连接所述电机。

在一些实施例中，所述机器人关节执行器还包括：Wi-Fi射频通信单元，该射频通信单元连接所述网络通信处理器。

在一些实施例中，所述机器人关节执行器还包括：第一电源接口和/或第二电源接口，用于为所述电机驱动电路和/或外部设备提供电力。

在一些实施例中，在所述第一网口用于连接外部控制设备的情况下，所述第一网口经由外部组网设备连接外部控制设备，所述组网设备为不对所述外部控制设备和所述网络通信处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备；所述外部组网设备包括交换机或路由器。

在一些实施例中，所述机器人关节执行器为一体化执行器。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种机器人关节执行器模组，所述关节执行器模组包括多个如前所述的机器人关节执行器，各个机器人关节执行器与相邻的机器人关节执行器之间通过所述第一网口和/或所述第二网口连接。

根据本发明的另一方面，还提供一种机器人，所述机器人包括至少一组如前所述的机器人关节执行器模组，每组机器人关节执行器模组经由交换机与外部控制设备连接。

根据本发明的另一方面，还提供了一种用于机器人关节的以太网双网口同步系统，该系统包括：

网络通信处理器，用于基于以太网TCP/IP协议进行通信；

与所述网络通信处理器连接的以太网交换机芯片；以及

与所述以太网交换机芯片连接的第一网口和第二网口；

所述第一网口的信号接收端与所述第二网口的信号接收端经由同步信号线连接，所述同步信号线还连接至所述网络通信处理器的同步信号输入端，所述第一网口经由网络连接线接收来自外部控制设备的网络信号和同步信号，所述同步信号经所述同步信号线传输至所述网络通信处理器的同步信号输入端。

本发明实施例的机器人关节执行器、执行器模组、机器人和系统，能够利用标准以太网技术实现执行器与外部控制设备以及执行器之间的信息传输，不仅传输速度极大增加，拓扑灵活，而且保证了数据的同步性。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为现有CAN总线在运动控制中应用的电路结构示意图；

图2为本发明一实施例中机器人一体化执行器的结构示意图；

图3为本发明一实施例中机器人一体化执行器的结构示意图；

图4为标准以太网协议的多层结构示意图。

图5示出了本发明一实施例中机器人一体化执行器的部分电路结构示意图；

图6示出了本发明另一实施例中机器人一体化执行器的部分电路结构示意图；

图7为本发明一实施例中多自由度机器人控制系统的结构示意图；

图8为本发明另一实施例中多自由度机器人控制系统的结构示意图；

图9为本发明另一实施例中多自由度机器人控制系统的结构示意图；

图10为本发明一具体实施例中基于一体化执行器模组的人型机器人示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含/具有”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

如果没有特殊说明，本文中的术语“连接”不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。直接连接为两个部件之间不借助中间部件进行连接，间接连接为两个部件之间借助其他部件进行连接。

为了解决现有技术中利用CAN总线、RS485总线的低带宽、拓扑结构单一、使用成本高等的问题以及利用EtherCAT总线带来的无法使用通用网络设备接入互联网以及成本高等的问题，本发明实施例提供了一种基于标准以太网协议的机器人关节执行器、机器人关节执行器模组以及基于机器人关节执行器模组的机器人。基于本发明提供的关节执行器、关节执行器模组以及机器人，可以灵活的构建出各种各样的机器人构型，可实现灵活的对每个关节的驱动控制，不仅拓扑结构多样，带宽高，而且可以使用交换机和/或路由器等接入互联网，普适性强，而且成本低。在优选实施方式中，提供的关节执行器为一体化关节执行器(简称一体化执行器或执行器)。

图2为本发明一实施例中提供的一体化执行器的结构示意图。如图2所示，该一体化执行器包括以下结构：电机170、编码器160和控制板卡，控制板卡包括电机控制处理器(简称电机CPU)140、电机驱动模块150、网络通信处理器(简称网络CPU)130、以太网物理层电路120、以太网交换机芯片110以及与以太网交换机芯片连接的第一网口(网口1)和第二网口(网口2)。

以太网交换机芯片110是一种网络硬件，通过报文交换接收和转发数据到目标设备，它能够在网络上连接不同的设备。以太网交换机芯片110可以是现有的以太网交换机芯片，本发明实施例中，以太网交换机芯片110可以包含3个以上端口，其中一个端口连接以太网物理层电路120，另两个端口分别连接第一网口(网口1)和第二网口(网口2)。以太网交换机芯片110经由以太网物理层电路120与网络通信处理器130连接，并连接第一网口和第二网口，第一网口可用于通过外部组网设备(如交换机或路由器)连接外部控制设备(如主控计算机)，以在外部控制设备和网络CPU130之间进行标准以太网数据传输，第一网口也可连接其他机器人关节执行器。第二网口与第一网口结构相同，可用于通过外部组网设备连接外部控制设备，也可连接其他机器人关节执行器。在实际应用中，在第一网口连接了组网设备(如交换机或路由器)的情况下，第二网口可用于连接其他的机器人关节执行器，或者两个网口都用于连接其他机器人关节执行器，或仅一个网口连接其他机器人关节执行器而另一网口空闲。在本发明另选实施例中，也可以仅设置一个网口，在这种情况下，可能不能同时实现与外部控制装置和其他关节执行器的连接。

以太网物理层电路120可简称以太网PHY模块，用于为标准以太网TCP/IP协议提供物理层的支持。以太网PHY模块120是物理接口收发器，它可以实现OSI模型(开放式系统互联通信参考模型)的物理层。以太网PHY由IEEE-802.3标准定义。

网络通信处理器130用于基于以太网TCP/IP协议经由以太网交换机芯片与组网设备连接，以经由组网设备连接到外部控制装置，与外部控制装置进行通信，接收外部控制设备的控制信号；网络通信处理器还用于基于以太网TCP/IP协议经由以太网交换机芯片与其他关节执行器连接，以在串联连接构成的多自由度关节模组之间通过TCP/IP协议进行控制控制信号的传输。网络通信处理器130是以太网通信处理器，可以利用现有的以太网通信处理器实现，如图4所示，可以实现物理层、链路层、网络层、传输层等功能。

电机控制处理器140连接网络通信处理器130，用于基于来自网络通信处理器130的信号产生电机驱动控制信号，产生的电机驱动控制信号用于控制电机驱动电路。电机驱动电路由此基于电机驱动控制信号来驱动电机的转动。更具体地，电机控制处理器140可以发送指令至电机驱动模块150，转换成电机驱动信号，然后利用电机驱动信号驱动电机170。

编码器160连接电机控制处理器140和电机170，用于检测电机转速和转动角度并将检测结果传输(反馈)给电机控制处理器140，电机控制处理器140可以根据反馈做出相应控制。

在本发明另一些实施例中，如图2所示，一体化关节执行器还可包括：Wi-Fi射频通信模块180。Wi-Fi射频通信模块180与网络通信处理器130连接，用于使得网络通信处理器经由Wi-Fi通信实现无线数据收发。其中，该Wi-Fi射频通信模块180可以基于现有的Wi-Fi模块实现。Wi-Fi射频通信模块180可支持TCP/IP协议，并可完全遵循802.11b/g/n Wi-Fi的MAC协议栈。利用Wi-Fi射频通信模块可以实现执行器的控制设备与外界进行无线通信，比如可以实现不同机器人关节执行器之间的无线通信，从而可以减少机器人关节之间的连接线。

本发明实施例中，如上网络通信处理器130、以太网物理层PHY模块120、Wi-Fi射频通信模块180可集成于一个网络通信芯片中，该网络通信芯片可以基于FPGA(现场可编程门阵列)、ASIC(专用集成电路)等技术实现。

在本发明另一些实施例中，如图3所示，一体化关节执行器还可包括减速器190，该减速器优选为低减速比减速器，如扁平化低减速比减速器(如减速比可为小于1:36)。此外，在本发明实施例中，电机170优选为扁平化无刷电机，用于实现大扭矩，能够尽量降低执行器的体积。此外，编码器160优选为旋转编码器，如单圈或多圈旋转编码器，但本发明并不限于此，还可以是其他类型的编码器，如磁编码器，电感编码器等等。一体化执行器的控制板卡接收到外部控制装置的控制指令后可控制扁平无刷电机，然后减速器将电机的扭矩放大后输出给负载，通过低减速比高效率减速器配合扁平化高扭矩密度无刷电机实现本体感受执行器技术思路，使得可以采用简单机械结构实现力控和力感知。

本发明另选实施方式中，也可以不带减速器，而采用电机直驱方式。

在本发明实施例中，关节执行其可包括两个电源接口，第一电源接口(如图2中的电源口1)和第二电源接口(如图2中的电源口2)，第一电源接口和第二电源接口连接电机驱动电路150。作为示例，一个电源接口可连接电源，另一个电源接口可连接与该执行器串接的另一执行器的电源接口，用于向该另一执行器供电；作为另一示例，两个电源接口可分别连接与该执行器串接的其他两个执行器的电源接口，用于从上游执行器接收电力，并向下游执行供电，由此可以防止从外部电源接线分别向不同执行器供电，大大简化了机器人执行器模组的连线复杂度和规模。

基于如上的一体化执行器，由于网络通信处理器是基于标准以太网的TCP/IP协议来向电机控制处理器提供控制信号，因此可以提供高带宽，因此大大提高了信号传输速率，比起现有的CAN总线或RS485总线通信方式，信号传输速度可以提高上百倍甚至几百倍。本发明采用TCP/IP协议的以太网通讯，可以实现低延时，高并发，高带宽的通信优势，并且对市面上的网络设备兼容性好，开发成本低。

基于如上的一体化执行器结构，本发明还可以将多个一体化执行器串联在一起形成一体化关节执行器模组，从而构造出包括一体化关节执行器模组的机器人，如图7所示。参照图7，机器人可以包括多个机器人关节执行器，通过在执行器中设置以太网交换机芯片、两个网口、以太网PHY模块、网络通信处理器等，各个机器人关节执行器与相邻的机器人关节执行器之间通过第一网口和/或第二网口连接，并利用以太网TCP/IP协议进行指令传输，由此可以实现机器人关节执行器之间，机器人关节执行其模组与组网设备之间以及组网设备和外部控制设备之间的局域网连接。组网设备和外部控制设备之间可以是有线连接或无线连接。此外，组网设备可以通过广域网连接至因特网，从而接入互联网。

本发明还可以基于多组一体化关节执行器模组来构造出具有丰富网络拓扑的机器人。此时，机器人可包括多组机器人关节执行器模组，每组机器人关节执行器模组经由组网设备(如交换机或路由器)与外部控制设备连接。如图8所示，两组一体化关节执行器模组均通过组网设备与主控计算机连接，从而可以通过主控计算机实现对两组一体化关节执行器模组的分别控制。图7中虽然仅示出了2组一体化关节执行器模组，但本发明并不限于此，还可以布置更多组一体化关节执行器模组来构造机器人。如图10所示，利用多组一体化关节执行器模组，可以灵活地构造人形机器人的造型，由于一体化执行器的模块化的思路，也可以组合成任意一种构型，通过增加关节或减少关节而构造成各种各样的拓扑构型。

此外，如图9所示，还可以基于各一体化执行器的Wi-Fi射频构建出无线网络下多自由度的机器人，即便在没有有线以太网链接的情况下，也照样可以通过接入点AP构建的无线通信网络实现对电机的控制。通过有线或无线以太网网络通信，控制计算机将控制指令或者数据请求指令分别发送到每一个一体化执行器。

在本发明实施例中，包括机器人关节执行器模组的机器人机构可以包括一个或多个用于执行器的控制设备，在包含多个用于执行器的控制设备的情况下，组网设备可以与其中一个(如第一个)用于执行器的控制设备连接，其余用于执行器的控制设备可以与邻近的用于执行器的控制设备连接。如此一来，执行器的控制设备和组网设备可以构成多种不同拓扑结构，例如，线性、星型等。

另外，在本发明实施例中，基于如上的一体化执行器结构，在将多个一体化执行器串联在一起形成一体化关节执行器模组的情况下，由于控制数据会从一个一体化执行器的一个网口输入，经该执行器的以太网交换机后再经由另外一个网口传输至向另一一体化执行器进行传输，而信号经以太网交换机要消耗时间，因此使得各个一体化执行器的控制信号的同步性相对较差。在本发明实施例中，为了解决该问题，进一步提出了一种同步控制机制。

在该同步控制机制中，第一网口的信号接收端与第二网口的信号接收端经由同步信号线连接，同步信号线还连接至网络通信处理器的同步信号输入端。第一网口不仅可经由网络连接线接收来自外部控制设备的网络信号，还可经由网络连接线接收来自外部控制设备在网线上施加的同步信号，在接收到同步信号时，同步信号可经所述同步信号线直接传输至网络通信处理器的同步信号输入端(如图5和图6中的差分转单端的两个端口)。这样，由于各个一体化执行器串行连接，而同步信号可以直接通过插入在网口的网线传输至下游一体化执行器的同步信号线而到达下游体化执行器的网络通信处理器，由此可通过同步信号实现各一体化执行器的同步。也即，本发明实施例通过在连接至网口的网线上携带同步信号并且使得同步信号不经过交换机内部而直接经同步信号线输送至网络CPU，无需额外的配线，仅经由网线就可以实现各执行器信号的同步。各执行器的网络CPU可基于同步信号同步实现对各关节的电机的控制。

图5和图6分别示出了本发明实施例中主控计算机分别与一个一体化执行器和两个一体化执行器连接时的同步相关电路结构示意图。如图5和图6所示，第一网口和第二网口均包括网络变压器，通过将第一网口的初级绕组的中心抽头与第二网口对应的初级绕组的中心抽头经由同步信号线连接实现了第一网口和第二网口初级绕组部分的短路连接。同时，第一网口的初级绕组的中心抽头与第二网口对应的初级绕组的中心抽头还经同步信号线直接连接到网络通信处理器(也称为网络CPU，图5和图6中的主控CPU)130，这样在各机器人关节执行器彼此连接的情况下，来自控制计算机的同步信号可以同步到达各个执行器的网络CPU。

更具体地，每一网口的网络变压器电路均包括信号发送绕组结构和信号接收绕组结构，对应的初级绕组可称为发送端初级绕组和接收端初级绕组。为了实现同步，如图5和图6所示，第一网口的接收端初级绕组的预定连接点(如中心抽头)与第二网口的接收端初级绕组的预定连接点(如中心抽头处)经由第一同步信号线连接，第一网口的发送端初级绕组的预定连接点(如中心抽头)与第二网口的发送端初级绕组的预定连接点(如中心抽头)经由第二同步信号线连接。对应地，网络CPU的同步信号输入端可包括第一同步信号输入端和第二同步信号输入端，来自网口接收端初级绕组的同步信号和来自网口发送端初级绕组的同步信号分别经第一同步信号线和第二同步信号线分别输入至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端和第二同步信号输入端。图5和图6中，第一网口和第二网口的接收端初级绕组的中心抽头和发送端初级绕组的中心抽头分别对应引脚2和7，第一网口的引脚2和第二网口的引脚2经由同步信号线短路连接，第一网口的引脚7和第二网口的引脚7短路连接，来自引脚2和引脚7的信号再经由同步信号线输入至网络CPU的同步信号输入端从而可实现信号同步。本发明并不限于图5和图6中所示出的分别网口接收端的初级绕组的中心抽头处和网口发送端的初级绕组的中心抽头处引出同步信号线的信号同步方式，在本发明另一实施方式中，还可以从网口接收端的初级绕组的其他预定连接点和网口发送端的初级绕组的其他预定连接点处引出同步信号线。网口发送端初级绕组的预定连接点可以为发送端初级绕组的任意一端上的连接点或该初级绕组上的其他位置的连接点。网口接收端初级绕组的预定连接点可以为接收端初级绕组的任意一端上的连接点或该初级绕组上的其他位置的连接点。

在本发明一实施例中，网络CPU包括差分转单端电路，此时第一同步信号输入端和第二同步信号输入端为差分转单端电路的第一输入端和第二输入端，也即与引脚2连接的第一同步信号线和与引脚7连接的第二同步信号线分别将同步信号输入至网络CPU的差分转单端电路的第一输入端和第二输入端。

相应地可以看到，只要控制计算机的网口的网络变压器的接收端初级绕组的中心抽头和发送端初级绕组的中心抽头分别能分别接收控制计算机的同步信号，同步信号便可以经由控制计算机的网口以电磁波传输速度传输至各关节执行器的各个网口，各执行器的主控CPU基于同步信号进行指令发送控制，从而可以实现控制的同步。图5和图6中，同步信号可经差分线驱动器输出至引脚2和7。

如上虽然是以一体化关节执行器为例对本发明进行了表述，但本发明并不限于一体化执行器，控制板卡也可以与电机和编码器分离设置。

相应地，本发明还提供过来一种用于机器人关节的以太网双网口同步系统，该系统包括：

网络通信处理器，用于基于以太网TCP/IP协议进行通信；

与所述网络通信处理器连接的以太网交换机芯片；以及

与所述以太网交换机芯片连接的第一网口和第二网口；

所述第一网口的信号接收端与所述第二网口的信号接收端经由同步信号线连接，所述同步信号线还连接至所述网络通信处理器的同步信号输入端，所述第一网口经由网络连接线接收来自外部控制设备的网络信号和同步信号，所述同步信号经所述同步信号线传输至所述网络通信处理器的同步信号输入端。

更具体地，所述第一网口和所述第二网口包括网络变压器：所述第一网口的初级绕组的中心抽头与所述第二网口对应的初级绕组的中心抽头经由同步信号线连接。

例如，第一网口的接收端初级绕组的中心抽头与第二网口的接收端初级绕组的中心抽头经由第一同步信号线连接；第一网口的发送端初级绕组的中心抽头与第二网口的发送端初级绕组的中心抽头经由第二同步信号线连接；同步信号输入端包括第一输入端和第二输入端，第一同步信号线连接和第二同步信号线连接分别输入至第一输入端和第二输入端。

在一实施例中，所述系统还包括：以太网物理层电路，其连接所述网络通信处理器和所述以太网交换机芯片，用于为以太网TCP/IP协议提供物理层的支持。

综上所述，本发明实施例的用于执行器的控制设备、执行器、机器人手臂、机器人关节控制系统及机器人，通过利用以太网交换机芯片、以太网物理层PHY模块等能够实现用于执行器的控制设备和外部控制设备之间的以太网数据传输，与现有的CAN总线或RS485总线传输方式相比，传输速度极大增加，而且以此能够实现快速以太网及更快以太网的数据传输，比现有EtherCAT总线所采用的标准以太网传输速度也有极大提高，为进行柔性力控提供了可行的通信条件。另外，通过使本实施例的用于执行器的控制设备能够通过不对外部控制设备和电机控制处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备与外部控制设备进行数据交互，避免了常规组网设备的丢包机制会对控制数据进行丢包而导致执行器失控的问题。

更进一步地，本发明实施例的关节执行器还可通过与不对传输数据主动丢包的外部组网设备的配合来减少或避免数据丢包，更具体地，在关节执行器的第一网口要连接外部控制设备的情况下，可通过外部组网设备连接外部控制设备，其中，外部组网设备为不对外部控制设备和网络通信处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备。

更具体地，外部组网设备用于优先传送或保证控制数据的优先级。外部组网设备可以是交换机、改进的路由器、改进的QoS(Quality of service)等。其中，交换机是一种多端口的网桥，可以在数据链路层使用MAC地址转发数据。外部控制设备可以是各种能够给执行器发送控制指令数据的设备，如主控计算机等。

在外部组网设备为改进的路由器的情况下，该改进的路由器包括优先任务过滤模块，所述优先任务过滤模块可以用于在用于执行器的控制设备返回至控制设备的数据包的任务优先级小于非执行器相关数据的任务优先级的情况下，过滤掉所述非执行器相关数据。增加过滤模块的硬路由可以连接不同的网段，因此可以用于连接互联网等，并且可以主动控制数据的优先级，使得数据的流向完全可控。

外部组网设备为交换机的情况下，利用交换机可以使该交换机连接的外部控制设备和执行器组成局域网，由于不具有路由器的自动识别数据包发送和到达地址的功能，所以不会对外部控制设备和执行器之间的传输数据进行主动丢包。另外，利用执行器中以太网交换芯片的存储转发机制，可以实现外部控制设备一次通信发送给不同执行器相同或不同数据。如此一来，该实施例的机器人关节控制系统不会出现控制数据频繁丢包的问题。

图7-图9均示出了一体化执行器模组经由外部组网设备(交换机或路由器)与外部控制设备连接的示例。关节执行器通过与不对传输数据主动丢包的外部组网设备的配合来减少或避免数据丢包。

本发明实施例中，利用不对外部控制设备和网络通信处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备实现执行器控制设备和外部控制设备之间组网，可以解决因控制数据丢包导致无法使执行器接入互联网的问题，可以大大提高执行器在机器人应用领域的应用场景可应用可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种机器人关节执行器，其特征在于，该执行器包括：电机控制处理器、网络通信处理器以及以太网交换机芯片；

所述以太网交换机芯片与所述网络通信处理器连接，并连接第一网口和第二网口，所述第一网口用于连接第二机器人关节执行器或外部控制设备，所述第二网口用于连接第三机器人关节执行器；

所述网络通信处理器用于基于以太网TCP/IP协议经由以太网交换机芯片与外部控制设备进行通信，接收来自外部控制设备的控制信号；

所述电机控制处理器连接所述网络通信处理器，用于基于来自所述网络通信处理器的信号产生电机驱动控制信号；

所述第一网口的信号接收端与所述第二网口的信号接收端经由第一同步信号线连接，所述第一同步信号线还连接至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端，所述第一网口经由网络连接线接收来自所述外部控制设备的网络信号和同步信号，所述同步信号经所述第一同步信号线传输至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端；

所述第一网口的信号发送端与所述第二网口的信号发送端经由第二同步信号线连接，所述第二同步信号线还连接至所述网络通信处理器的第二同步信号输入端，所述第二同步信号线上的同步信号输入至所述第二同步信号输入端。

2.如权利要求1所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述第一网口和所述第二网口包括网络变压器：

所述第一网口的初级绕组的预定连接点与所述第二网口对应的初级绕组的预定连接点由同步信号线连接。

3.如权利要求2所述的机器人关节执行器，其特征在于，

所述第一网口的接收端初级绕组的预定连接点与所述第二网口的接收端初级绕组的预定连接点经由第一同步信号线连接，所述接收端初级绕组的预定连接点为所述接收端初级绕组的任意一端部上的连接点或中间抽头位置；

所述第一网口的发送端初级绕组的预定连接点与所述第二网口的发送端初级绕组的预定连接点经由第二同步信号线连接，所述发送端初级绕组的预定连接点为所述发送端初级绕组的任意一端上的连接点或中间抽头位置。

4.如权利要求3所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述网络通信处理器包括差分转单端电路，所述第一同步信号输入端和第二同步信号输入端为所述差分转单端电路的第一输入端和第二输入端。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述机器人关节执行器还包括：

以太网物理层电路，其连接所述网络通信处理器和所述以太网交换机芯片；

电机驱动电路，其连接电源和所述电机控制处理器，用于基于所述电机驱动控制信号来驱动电机。

6.如权利要求5所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述机器人关节执行器还包括：

电机；以及

编码器，其连接所述电机控制处理器和所述电机，用于检测电机转速和转动角度并将检测结果传输给所述电机控制处理器。

7.如权利要求6所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述电机为扁平化无刷电机，所述编码器为单圈或多圈编码器；

所述机器人关节执行器还包括：减速器，其连接所述电机。

8.如权利要求1所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述机器人关节执行器还包括：

Wi-Fi射频通信单元，该射频通信单元连接所述网络通信处理器。

9.如权利要求1所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述机器人关节执行器还包括：

第一电源接口和/或第二电源接口，用于为所述电机驱动电路和/或外部设备提供电力。

10.如权利要求1所述的机器人关节执行器，其特征在于，在所述第一网口用于连接外部控制设备的情况下，所述第一网口经由外部组网设备连接外部控制设备，所述组网设备为不对所述外部控制设备和所述网络通信处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备；所述外部组网设备包括交换机或路由器。

11.如权利要求1所述的机器人关节执行器，其特征在于，所述机器人关节执行器为一体化执行器。

12.一种机器人关节执行器模组，其特征在于，所述关节执行器模组包括多个如权利要求1-11中任意一项所述的机器人关节执行器，各个机器人关节执行器与相邻的机器人关节执行器之间通过所述第一网口和/或所述第二网口连接。

13.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括至少一组如权利要求12所述的机器人关节执行器模组，每组机器人关节执行器模组经由交换机或路由器与外部控制设备连接。

14.一种用于机器人关节的以太网双网口同步系统，其特征在于，所述系统包括：

网络通信处理器，用于基于以太网TCP/IP协议进行通信；

与所述网络通信处理器连接的以太网交换机芯片；以及

与所述以太网交换机芯片连接的第一网口和第二网口；

所述第一网口的信号接收端与所述第二网口的信号接收端经由第一同步信号线连接，所述第一同步信号线还连接至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端，所述第一网口经由网络连接线接收来自外部控制设备的网络信号和同步信号，所述同步信号经所述第一同步信号线传输至所述网络通信处理器的第一同步信号输入端；

所述第一网口的信号发送端与所述第二网口的信号发送端经由第二同步信号线连接，所述第二同步信号线还连接至所述网络通信处理器的第二同步信号输入端，所述第二同步信号线上的同步信号输入至所述第二同步信号输入端。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述第一网口和所述第二网口包括网络变压器：

所述第一网口的初级绕组的中心抽头与所述第二网口对应的初级绕组的中心抽头经由同步信号线连接。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，

所述第一网口的接收端初级绕组的中心抽头与所述第二网口的接收端初级绕组的中心抽头经由第一同步信号线连接；

所述第一网口的发送端初级绕组的中心抽头与所述第二网口的发送端初级绕组的中心抽头经由第二同步信号线连接。

17.如权利要求14-16中任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

以太网物理层电路，其连接所述网络通信处理器和所述以太网交换机芯片，用于为以太网TCP/IP协议提供物理层的支持。

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