KR20180121776A - 로봇을 위한 데이터 통신 버스 - Google Patents

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KR20180121776A
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루도비치 스말
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소프트뱅크 로보틱스 유럽
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Abstract

하나 이상의 수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치를 포함하는 데이터 통신 버슬르 포함하는 시스템이 개시되는데, 수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치는 상이한 통신 속도로 동시에 데이터 프레임들을 통신하도록 적응되고 구성된다. 본 발명의 개선예는 복수의 통신 속력/속도 요구사항과 관련된 하나 이상의 이기종 슬레이브 장치와 상호연결된 하나 이상의 마스터 장치의 사용, 미리정의된 펌웨어 프로그램의 사용, 센서 및/또는 작동기의 사용, 하나 이상의 고속이고 양방향인 직렬변환기/병렬변환기 회로의 사용 및 저전압 차동 시그널링 증폭기의 사용을 기술한다.

Description

로봇을 위한 데이터 통신 버스
본 특허는 디지털 데이터 프로세싱의 분야에 관한 것이고, 좀 더 구체적으로 로봇 내의 데이터 통신의 시스템과 방법에 관한 것이다.
현재의 로봇 시스템에서, 동일한 통신 버스를 공유하는 주변 장치는 동일한 통신 속도로 데이터를 교환해야 한다. 상이한 통신 속도를 갖기 위해서는, 상이한 버스가 요구된다.
로봇에서 복수의 통신 버스를 실행하는 것은 비쌀 수 있고, 복잡하고 불안정한 시스템을 야기할 수도 있다.
기존의 접근법은 로봇(산업용 로봇이나 친구 로봇)에서의 사용에 한계를 가진다.
이더넷과 같은 어떤 구성은 표준화되지만, 특정 클래스의 상호접속된 주변기기나 장치에 대해서만 작동된다. 또한, 이더넷은 일반적으로, 다양한 통신 속도에 적용되는 메카니즘을 제공하지 않는다. PHY를 사용하는 것은 로우 엔드 또는 상품 장치에 대해 작동할 수 없다. CAN/flexRay와 같은 접근법은 대역폭에서의 한계와 관련되어서, 이들 솔루션은 가령 비디오 사용에 적합하지 않게 된다.
EtherCAT과 같은 접근법은 로봇에서의 사용에 장단점이 있다. EtherCAT - (Ethernet for Control Automation Technology)은 이더넷-기반의 "필드버스(fieldbus)" 시스템이다. 필드버스는, IEC 61158으로 표준화된 실시간 분산된 제어에 사용되는 산업용 컴퓨터 네트워크 프로토콜의 패밀리의 이름이다. 복잡하고 자동화된 산업용 시스템은 대개, 분산된 제어 시스템, 즉, 제어 시스템의 조직화된 계층을 필요로 한다. 제어 체인의 일부는 PLC를 부품에 링크하는 필드버스인데, 상기 부품은 센서, 작동기, 전기 모터, 콘솔광, 스위치, 밸브 및 접촉기와 같은 실제로 작동한다. 어떤 상황에서, 이러한 EtherCAT 접근법은 한계를 가진다.
하나 이상의 수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치를 포함하는 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템이 개시되는데, 수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치는 상이한 통신 속도로 동시에 데이터 프레임들을 통신하도록 적응되고 구성된다. 본 발명의 개선예는 복수의 통신 속력/속도 요구사항과 관련된 하나 이상의 이기종 슬레이브 장치와 상호연결된 하나 이상의 마스터 장치의 사용, 미리정의된 펌웨어 프로그램의 사용, 센서 및/또는 작동기의 사용, 하나 이상의 고속이고 양방향인 직렬변환기/병렬변환기 회로의 사용 및 저전압 차동 시그널링 증폭기의 사용을 기술한다.
수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치(CPLD)를 포함하는 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템이 개시되는데, 상기 수정된 CPLD는 상이한 통신 속도로 동시에 데이터 프레임들을 통신하도록 적응된다.
개선예에서, 시스템은 복수의 통신 속도/속력 요구사항과 관련된 하나 이상의 이기종 슬레이브 장치(heterogeneous slave device)와 상호연결된 적어도 하나의 마스터 장치를 더 포함한다.
개선예에서, 마스터 장치는 복수의 미리정의된 펌웨어 프로그램을 저장하도록 구성되고, 하나 이상의 슬레이브 장치는 적어도 하나의 펌웨어 프로그램을 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리를 포함한다.
개선예에서, 마스터 장치는 슬레이브 장치들의 각각의 펌웨어(또는 펌웨어 프로그램들)을 플래시(flash)함에 의해 하나 이상의 슬레이브 장치를 제어하도록 구성된다.
개선예에서, 마스터 장치는 휘발성 메모리 버퍼, 유효 클록 정보로의 액세스, 마이크로프로세서(μP)나 마이크로제어기(μC)에 상호연결을 위한 인터페이스 및 휘발성 메모리 버퍼 내의 리드 및/또는 라이트 동작을 결정하기 위한 토큰을 수집하도록 구성된 하드웨어 회로를 포함한다.
개선예에서, 마스터 장치는 통신 인터페이스(이더넷, EtherCAT)와 플래시 메모리를 가진 마이크로프로세서를 적어도 포함한다. 개선예에서, 마스터 장치는 다른 주변 구성을 포함한다.
개선예에서, 시스템은 하나 이상의 센서 및/또는 하나 이상의 작동기를 더 포함한다.
개선예에서, 수정된 CPLD는 내장형 논리부와 LVDS를 가진 고속이고 양방향인 직렬변환기/병렬변환기를 포함한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법과 시스템은, 상기 장치의 향상 능력을 요하지 않으면서, 상이한 대역폭 요구사항과 관련된 주변부들의 공존을 가능하게 하거나 용이하게 한다.
바람직하게는, 본 발명은 이러한 특수 이더넷 프로토콜에 따라 통신하는 이더넷 네트워크 및/또는 장치와 연결될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 데이터 통신 버스는 동일한 네트워크 내의 이기종 장치의 공존을 가능하게 한다. 기존 통신 버스("필드버스")의 대부분은 동기식 버스이다. 이러한 버스는 또 다른 세대의 장치와 인터페이스할 수 없다(또는, 데이토 통신 속도는 모든 상호연결된 장치들에 의해 공유된 가장 작은 공통 디노미네이터에 정렬되어야 함). 본 발명의 양태에서, 본 발명에 따른 데이터 통신 버스는 장치의 상이한 클래스의 상호운용성을 가능하게 한다.
바람직하게는, 본 발명은 동일한 토폴로지 네트워크 상의 상이한 이기종 장치(가령, 저속 장치와 동시에 상호작용하는 고속 장치들)들의 상호작용을 가능하게 하여서, 글로벌 로봇 시스템을 최적화시키고, 구조적 비용을 줄일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 버스는 복잡성이 제어되는 전용 하드웨어 회로를 사용한다. 이러한 데이터 통신 버스는 ASIC 회로나 프로그램가능한 부품에 용이하게 집적될 수 있다.
본 발명의 실시예는 유사한 참조번호는 유사한 요소를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 예시로서 이제 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇의 네트워크 토폴로지를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 로봇의 네트워크 토폴로지를 나타낸다.
도 3은 본 방법의 실시예에 따른 일부 양태를 상세히 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 라우터의 예시적인 실시예를 상세히 나타낸다.
특정한 실시예를 잘 이해하기 위해, 다음 정의가 제공된다.
본 발명에 따른 시스템 내에서 교환된 데이터는 "네트워크 패킷" (패킷-스위칭된 네트워크에 의해 운반되는 데이터의 포맷된 단위) 또는 "데이터 프레임" 또는 신호 또는 "비트 스트림"(가령, 전통적인 점대점(point-to-point) 텔레통신 링크)일 수 있다.
컴퓨팅에서, 용어 "대역폭" (네트워크 대역폭 또는 데이터 대역폭 또는 디지털 대역폭)은 사용가능한 비트-속도 또는 일반적으로 초당 비트로 표현되는 소비된 정보 용량을 나타낸다.
신호 프로세싱, 무선 통신, 모뎀 데이터 전송, 디지털 통신의 분야에서, 용어 "대역폭"은 헤르츠로 측정된 아날로그 신호 대역폭을 말하는데 사용되고, 신호 전력에서 잘 형성된 손상 레벨을 충족하면서, 가장 낮은 회득가능한 주파수와 가장 높은 획득가능한 주파수 간의 주파수 범위를 말한다. 하틀리 범칙에 따라, 물리적 통신 링크의 디지털 데이터 속도 제한 또는 채널 용량은 헤르츠로 대역폭에 비례한다.
본 발명에 따른 버스, 이하에서는 소위 "μQi"는 특정한 데이터 통신 버스이다.
컴퓨터 구조에서, "버스"는, 컴퓨터 내부의 부품들 사이에, 또는 컴퓨터들 사이에서 데이터를 전송하는 통신 시스템을 말한다. 이러한 표현은 통신 프로토콜을 포함하는 모든 관련 하드웨어 구성(유선, 광섬유 등) 및 소프트웨어를 커버한다.
본 발명에 따른 버스는, 저속 장치와 고속 장치, 이기종 장치들과 양방향 통신을 가능하게 한다.
이러한 데이터 통신 버스로, 데이터 통신 속도는 주어진 장치의 대역폭이나 통신 속도로 구성될 수 있다. 이러한 특성은 중요한 대역폭을 요구하는 하이-엔드 슬레이브 장치와 고속으로 통신할 수 없는 로우-엔드 슬레이브 장치의 동일 시스템에서 공존할 수 있도록 한다.
특히, 버스는 하나 이상의 마스터 장치(또는 노드)를 하나 이상의 슬레이브 장치(또는 노드)에 비동기식으로 상호연결할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 버스는 이더넷 프로토콜에 구성된 게이트웨이를 포함한다. 그러므로, 버스는 이러한 프로토콜을 지원하는 임의의 장치에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 호환성 특징은 경제적이다.
버스는 하나 이상의 마스터 장치와 하나 이상의 슬레이브 장치와 통신한다.
가령, 마스터 장치는 슬레이브 장치와 통신하는 마이크로프로세서를 포함한다. 이러한 실시예에서, 마스터 장치는 이더넷 인터페이스를 포함한다.
일 실시예에서, 마스터 장치는 슬레이브 장치의 대역폭 요구사항(특히, 상기 슬레이브 장치들의 각각과 관련된 통신 속력 속도)에 대한 필수적이고 충분한 정보를 포함할 수 있다. 구성요소의 네트워크 토폴로지와 특성이 알려져서, 마스터 장치는 네트워크와 관련된 슬레이브 장치와 동기식으로 통신할 수 있다.
여러 마스터 노드는 동일한 버스를 공유할 수 있으나, 각각의 슬레이브 장치는 오직 하나의 마스터 장치와 상호작용할 수 있다. 마스터 장치는, 주어진 슬레이브 장치와 데이터를 교환하는데 자주 사용되는 통신이 그 용량을 초과하지 않도록 보장한다. 데이터 통신 주파수는 버스와 관련된 가장 빠른 슬레이브 장치에 대해 선택된 최대 속도에 비례한다.
본 발명에 따른 데이터 통신 버스는 적어도 두 개의 기능과 관련된다. 조절된 시스템(즉, 로봇)의 장치 부분의 하드웨어 회로 또는 상이한 마더보드를 열거하도록(즉, 특성을 계수하고 더욱 특징화하거나 결정함) 구성된다. 또한, 상이한 통신 속도로 데이터를 교환하도록 구성된다. 특히, 백본(backbone)이 다른 속도 인자로 작동하더라도, 버스는 각각의 장치에 의해 추천되거나 허용된 통신 속도로 자동적으로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 로봇 내의 네트워크 구조를 나타낸다.
도면은 직렬 스킴으로 배열된 예시적인 장치(101, 102, 103)를 나타낸다. 슬레이브 장치는 직렬 방식으로 상호연결되고, 버스는 상기 슬레이브 장치의 입력으로서 및 출력으로서 슬레이브 장치에 연결된다.
각각의 장치는 ("비트스트림") 또는 "프레임" 통신되는 전파된 신호나 데이터를 분석할 수 있고, 또 다른 분석에 의존하여, 수신된 데이터(또는 데이터의 일부)가 전파된 다운스트림이어야 하는지를 결정할 수 있다. 적용가능하다면, 비트스트림이나 그의 일부는 다음의 이웃 또는 노드로 전송될 수 있다.
게다가, 경로를 따라 각가의 장치는 비트스트림이나 신호를 수정할 수 있다. 예를 들어, 이러한 특징 때문에, 상이한 장치들의 구조화된 어드레싱이 버스에 대해 수행될 수 있다. 예를 들어, 장치(1)가 네트워크 어드레스와 관련되지 않는 한, 그 장치는 임의의 정보나 메시지를 포워드하지 않고, 이러한 어드레스가 획득되자마자, 그 장치는 정보(즉, 통과될 비트스트림)의 통신에 권한을 줄 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 버스를 사용하여, 로봇 내의 하드웨어 회로의 맵핑을 나타낸다.
단계적으로, 장치 다음의 장치, 피어 다음의 피어, 고유한 어드레스는 글로벌 시스템의 각각의 장치 일부의 각각의 마더보드에 할당될 수 있다. 그러므로, 모든 하드웨어 회로나 로봇의 일부의 정밀하고 정확한 맵핑이 결정될 수 있다.
로봇의 상이한 부분들을 열거하는 단계 이후에, 각각의 장치는 통신 버스에 대해 고유 어드레스와 관련된다.
마스터 장치는, 장치가 작동하는 통신 속도를 발견하기 위한 요청을 각각의 슬레이브 장치로 전송할 수 있다. 일 실시예에서, 통신 속도는 슬레이브 장치에 의해 요구된다. 일 실시예에서, 통신 속도 범위가 표시될 수 있다(가령, 측정 오차, 공차, 서브-최적의 조건 등).
발견 사이클의 종점에서, 마스터 장치는 네트워크 토폴로지와 네트워크의 각각의 부분의 요구사항을 알게 된다. 그 결과, 통신 속도의 수는 제한되지 않고, 마스터 장치는 로봇 내의 데이터를 통신하는데 동시에 사용될 한 세트의 이산 통신 속도를 결정할 수 있다.
도 2에 도시된 예시에서, 마스터 장치(201)는 라우터(202)를 통해 슬레이브 장치(211, 212, 213 및 214)를 발견한다. 본 발명에 따른 라우터(202)는 OSI 층 2 (네트워크) 라우터이다. 데이터 링크 층은 네트워크 개체들 간에 데이터를 전송하기 위한 기능적이고 절차적인 수단을 제공한다. 물리적 층에서 발생할 수 있는 오류를 검출하고 교정할 수도 있다.
도 3은 로봇 내에서 실행되는 장치의 가능한 구조의 예시를 나타낸다.
일부 실시예에서, 본 발명에 따른 시스템은 하나 이상의 직렬변환기/병렬변환기(서데스(SerDes))를 사용할 수 있다.
직렬변환기/병렬변환기(서데스)는 제한된 입력/출력에 대해 보상하기 위해, 고속 통신에서 사용되는 한쌍의 기능 블록이다. 이들 블록은 직렬 데이터와 병령 인터엣스 간에 각 방향으로 데이터를 전환한다. 용어 "서데스"는 일반적으로, 다양한 기술과 응용예에서 사용되는 인터페이스를 말한다. 서데스의 주요 사용은 I/O 핀과 상호연결의 수를 최소화하기 위해, 단일/차동 라인에 걸쳐 데이터 전송을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 서데스 회로는 기존에 있고 비싸지 않은 기성 장치로부터 수정될 수 있어서, 필드버스 사용을 가능하게 할 수 있다. 일부 기존 시스템(가령, 카메라, 디스플레이)은 통신 임무를 수행하기 위해 저전압 차동 버스를 실제로 사용한다.
본 발명에 따른 "서데스"는 i) 내장형 논리부, ii) LVDS 증폭기, 및 iii)선택적인 EMI(전자기적 간섭) 필터를 포함하고, 이들에 a) 고속 서데스 b) 입출력 인터페이스가 제공된다.
저전압 차동 시그널링 또는 TIA/EIA-644으로도 알려져 있는 LVDS는 차동적이고 직렬 통신 프로토콜의 전기 특성을 명시하는 기술 표준이다. LVDS는 저전력에서 작동하고, 비싸지 않은 트위스트-쌍 구리 케이블을 사용하여 매우 고속으로 운영될 수 있다.
본 발명에 따라 수정된 서데스는 클록 정보를 전송하는데 사용된다.
바람직하게는, 진짜 또는 신뢰할만한 필드 버스가 획득될 수 있고, 이는 a) 양방향이고, b) 전자기적 교란에 영향을 받지 않으며, c) 신뢰할만한 동기식/비동기식 버스이고, d) 비싸지 않다.
도 3에 도시된 바와 같이, 예시적인 슬레이브 장치(211, 212, 213, 214)는 차동 버스(LVDS 또는 BLVDS)에 따라, 가령, 필드 버스와 통신하기 위한 (즉, 신호 또는 비트스트림) 서데스 트랜시버(300)를 포함한다. 각각의 슬레이브 장치는 유효 클록 정보를 수신한다. 각각의 슬레이브 장치는, 가령, 직렬 또는 병렬 연결에 따라, 마이크로프로세서(μP) 또는 마이크로제어기(μC)와 상호연결하기 위한 인터페이스(330)를 포함한다. 각각의 슬레이브 장치는 메모리(320) 내의 리드 동작 및/또는 라이트 동작을 결정하기 위한 토큰을 디코드하기 위해 하드웨어 회로(310)를 포함한다.
본 발명에 따른 버스는 수정된 복합 프로그램가능한 논리 장치(CPLD)이고, 이는 프로그램가능한 논리 장치이다. 특히, CPLD는 비휘발성 컨피규레이션 메모리(CPLD는 시스템 스타트-업에서 즉시 기능할 수 있음) 및 복수의 사용가능한 논리 게이트를 포함한다. 비휘발성의 특징은 CPLD (제어 능력을 갖지 않은 다른 장치에게 제어 능력을 전달하기 전의 기능)를 수행하도록 할 수 있다. "부트 로더"는 일반적으로 파워-온 셀프-테스트의 완료 이후에, 소프트웨어 프로그램을 로딩하는 컴퓨터 프로그램을 말한다. 부트 로더는 일반적으로, 퍼시스턴트 메모리(persistent memory)로부터 주 메모리내로 로딩된다. 현재 경우에, 비휘발성 메모리는 CPLD 장치가, 파워-온 셀프-테스트가 끝나자마자, 준비될 수 있도록 한다. 필드 버스는 필드버스에 연결된 μP/μC의 상태에 무관하게 통신하도록 준비되고, 특히 마이크로제어기(μC) 또는 마이크로프로세서(μP)이 기능하기 위해, 이들의 자원을 사용하지 않는다.
도 4는 본 발명에 따른 라우터(202)의 실시예를 상세히 나타낸다.
라우터(202)는 OSI 층 2 라우터이다. 이러한 라우터(202)의 예시가 도시된다(도 4의 라우터(2021)). 본 발명에 따른 시스템은 복수의 슬레이브 장치, 복수의 마스터 장치 및 복수의 라우터를 포함할 수 있다. 또한, 라우터(2021)는 메모리 블록(420), 라우터 논리부(430) 및 슬레이브 버스 라우터(440)(슬레이브 버스(470)와의 인터페이스(441, 442, 443)와의)를 포함할 수 있고, 각각의 인터페이스는 (본 예시에서 461, 462, 463 및 464)인 서데스를 사용할 수 있다.
개시된 방법은 전체적으로 하드웨어 실시예(가령, FPGA), 전체적으로 소프트웨어 실시예 또는 하드웨어 요소와 소프트웨어 요소를 모두 포함하는 실시예의 형태를 취할 수 있다. 소프트웨어 실시예는 펌웨어, 레지던트 소프트웨어, 마이크로코드 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 본 발명은 컴퓨터 또는 명령어 실행 시스템과 함께, 또는 이에 의한 사용을 위해, 프로그램 코드를 제공하는 컴퓨터-사용가능한 매체 또는 컴퓨터-판독가능한 매체로부터 접근가능한 컴퓨터 프로그램 제품의 형태를 취할 수 있다. 컴퓨터-사용가능 또는 컴퓨터-판독가능은, 명령어 실행 시스템, 장비 또는 장치와 함께, 또는 이에 의한 사용을 위해, 프로그램을 포함, 저장, 통신, 전파 또는 전송할 수 있는 임의의 장비일 수 있다. 매체는 전자적, 자기적, 광학적, 전자기적, 적외선 또는 반도체 시스템(또는 장비 또는 장치) 또는 전파 매체일 수 있다.

Claims (8)

  1. 복합 프로그램가능한 논리 장치를 포함하는 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템에 있어서, 상기 복합 프로그램가능한 논리 장치는 상이한 통신 속도로 동시에 데이터 프레임들을 통신하도록 구성되는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 복수의 통신 속도/속력 요구사항과 관련된 하나 이상의 이기종 슬레이브 장치(heterogeneous slave device)와 상호연결된 적어도 하나의 마스터 장치를 더 포함하는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 마스터 장치는 복수의 미리정의된 펌웨어 프로그램을 저장하도록 구성되고, 하나 이상의 슬레이브 장치는 적어도 하나의 펌웨어 프로그램을 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리를 포함하는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 마스터 장치는 슬레이브 장치들의 각각의 펌웨어 프로그램들을 플래시(flash)함에 의해 하나 이상의 슬레이브 장치를 제어하도록 구성되는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치는 휘발성 메모리 버퍼, 유효 클록 정보로의 액세스, 마이크로프로세서나 마이크로제어기에 상호연결을 위한 인터페이스 및 휘발성 메모리 버퍼 내의 리드 및/또는 라이트 동작을 결정하기 위한 토큰을 수집하도록 구성된 하드웨어 회로를 포함하는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 마스터 장치는 통신 인터페이스와 플래시 메모리를 가진 마이크로프로세서를 적어도 포함하는,
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 센서 및/또는 하나 이상의 작동기를 더 포함하는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 프로그램가능한 논리 장치는, 내장형 논리부와 저전압 차동 시그널링 증폭기를 가진 고속이고 양방향인 직렬변환기/병렬변환기를 포함하는, 데이터 통신 버스를 포함하는 시스템.
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