人形機器人 | 使用單對以太網推動人形機器人發(fā)展

人形機器人變得越來越復雜，也越來越精確，具有更高的自由度 (DOF) 和 AI 驅動的中央計算引擎，現在能夠在幾毫秒內評估、適應和響應周圍環(huán)境。設計這些先進的人形機器人需要一個 通信系統(tǒng) ，其可支持 在眾多關節(jié)控件之間進行實時高帶寬數據傳輸，并且全部都在空間受限的輕量級框架內進行，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 (SPE) PHY 可以解決這些難題并簡化系統(tǒng)架構，以實現人形機器人的無縫運動執(zhí)行。

使用 SPE 實現更簡單的系統(tǒng)架構

和更輕的重量

為了實現關節(jié)控件的高更新速率和高帶寬（高達 1000Mbps），需要一種先進的 實時控制系統(tǒng)架構 。通過提供可促進多個系統(tǒng)組件之間的數據交換的單一高帶寬通信標準， 基于以太網的系統(tǒng)簡化了架構 。進一步使用 SPE (xBASE-T1) 技術 （如圖 1 所示）和/或 菊花鏈拓撲 可以減小線束的整體尺寸，在更大程度地減輕機器人重量方面發(fā)揮著至關重要的作用（ 重量是人形機器人的一個重要因素，減輕重量可以提高機動性、能源效率和平衡性能 ）。

圖 1：SPE 接口

使用單對以太網 PHY 推動機器人發(fā)展

TI 的 SPE PHY 產品系列旨在與 TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 PHY 實現 封裝兼容 。單板設計允許在未來的開發(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 PHY 集成了一套先進功能，可 進一步降低人形機器人設計的復雜性并提高系統(tǒng)性能 。

精確的時間同步

利用精確的 時間同步 ，可以 增強分布式人形機器人系統(tǒng)，實現關節(jié)之間無縫的確定性協調 。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)點之間實現精確的網絡范圍時間同步和單一時間參考 。這使得開發(fā)人員能夠將時間戳處理從處理器卸載到 PHY 上，從而實現低至 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 PHY 可以改善人形機器人子系統(tǒng)的實時決策和自適應行為 。 時間戳處理 是在生成或接收數據或事件時使用精確的時間信息標記傳入和傳出數據或事件的過程。如圖 2 所示，時間戳處理可以在數據路徑上的多個位置實現： 在以太網 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 PHY 產品系列 可支持全部 3 種類型的時間戳處理。時鐘數據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 PHY 是最靠近電纜的元件，在其中進行的時間戳處理 可以提高同步精度，因為它解決了數據通過 PHY 時可能會出現的不確定延遲問題 。

圖 2：可能的時間戳處理位置

GPIO 事件捕獲或生成

精確的 GPIO 事件計時功能 進一步 改善了多個電機控制器之間的同步，并且有利于執(zhí)行需要在子系統(tǒng)之間進行檢測和響應協調的任 務。 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 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 時鐘實現），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、傳動器和電力電子器件，所有這些都可能會產生干擾。因此，管理 電磁兼容性 (EMC) 至關重要，因為 電磁干擾 (EMI) 可能會破壞機器人內部的傳感器讀數和控制信號。TI 的 100BASE-T1 和 1000BASE-T1 以太網 PHY 設計為符合 OPEN Alliance EMI/EMC 標準， 可在汽車市場提供成熟的穩(wěn)健性 ，現在，在機器人應用中至關重要 。通過使用 電隔離 的穩(wěn)健架構來應對噪聲（如圖 5 所示），使得 TI 器件能夠符合 EMI/EMC 的工業(yè) IEC 和 CISPR 標準。有關更多詳細信息，請參閱 單對以太網的 EMC/EMI 合規(guī)性設計 應用手冊。

圖 5：電耦合概念

電纜診斷

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

SQI 通過評估 信號強度、噪聲水平和傳輸錯誤 來監(jiān)控鏈路質量，以提供連接健康狀況的實時狀態(tài)。在人形機器人等封閉系統(tǒng)中， SQI 可以及早檢測信號衰減或不穩(wěn)定情況，以便進行主動維護，或者確定網絡的哪個部分出現問題 。任何給定時間的 SQI 值都存儲在寄存器中，可通過簡單的計算與 信噪比 (SNR) 相關聯。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 PHY 之間沒有有效鏈路時，通常會運行 TDR 測試來查找根本原因。

圖 8：TDR 概念

在人形機器人中使用時， 這些強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行時間 。

系統(tǒng)實現

TI 的 應用特定 MCU (ASM) （例如 C2000 系列和基于 Arm 的 MCU 產品系列）與多種實時以太網通信協議兼容，也可以用于標準以太網技術。此外，TI 開發(fā)的 SORTE 協議 可以實現 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施 SPE 的應用 。有關更多詳細信息，請參閱 支持 PRU-ICSS 的簡單開放實時以太網 (SORTE) 器件 參考設計。設計 功能安全型以太網 PHY 并與第三方合作認證 MCU 軟件棧，可確保滿足機器人系統(tǒng)內部的功能安全要求。

在人形機器人中，SPE 用于 點對點或菊花鏈配置 ，以連接用于在各種子系統(tǒng)之間協調運動的電機控制器。通常采用 基于網關的架構 來管理多個控制器和電機子系統(tǒng)。借助 ASM + DP83TC812S-Q1 (100BASE-T1 SPE PHY) 評估模塊， TI 展示了多節(jié)點實時系統(tǒng)如何實現 60ns 抖動性能，從而實現確定性且可預測的系統(tǒng)行為 。有關測試設置的更多信息，請聯系 TI。

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

總結

SPE 技術 在推動人形機器人發(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時通信、精確的時間同步和 EMI/EMC 噪聲穩(wěn)健性 等關鍵設計難題 ，為未來的可擴展性鋪平道路。通過集成 IEEE 802.1AS 和 GPIO 事件觸發(fā)器 等功能，單對以太網可實現 最準確的系統(tǒng)反應和響應 ?；谶@些功能，TI 高度集成的 MCU 產品系列 經過優(yōu)化，可與 TI 以太網 PHY 驅動器無縫配合使用，提供兼容性并簡化系統(tǒng)開發(fā)，以滿足現代人形機器人的高性能需求。