¿Por qué EtherCAT se está convirtiendo en el bus de comunicación predominante para los módulos de articulación robótica?

El rápido desarrollo de los robots humanoides, los robots colaborativos y los equipos de automatización de alta precisión está impulsando los módulos de articulación robótica inteligente integrados hacia la coordinación multieje, el control en tiempo real de alta frecuencia, la interacción flexible de fuerza y el seguimiento de trayectorias de alta precisión.

Los buses de comunicación tradicionales, como RS485 y CANopen, ya no pueden satisfacer plenamente los requisitos de control de las articulaciones inteligentes de próxima generación en cuanto a precisión de sincronización, ancho de banda de comunicación, rendimiento en tiempo real y escalabilidad multieje.

De acuerdo con la arquitectura de comunicación, los modos de control, la asignación PDO, los Distributed Clocks y el marco de resolución de problemas descritos en el manual oficial de la serie TCHL, EtherCAT se ha convertido en una solución de comunicación predominante para los módulos de articulación robótica de alta gama. Su amplia adopción no es simplemente consecuencia de seguir una tendencia del sector, sino que refleja la gran compatibilidad entre los requisitos avanzados de control de los robots modernos y la arquitectura técnica de EtherCAT.

Este artículo examina las razones principales de la amplia adopción de EtherCAT en los módulos de articulación robótica inteligente, tomando como referencia las características técnicas documentadas en el manual de la serie TCHL.

1. Comunicación en tiempo real a nivel de microsegundos para el control de servos de alta frecuencia

Los bucles de realimentación de posición, velocidad, corriente y par de las articulaciones robóticas exigen tiempos de ciclo de comunicación y rendimiento en tiempo real extremadamente rigurosos.

El manual del módulo de articulación TCHL admite explícitamente varios modos de control de alta precisión en tiempo real, entre ellos:

• Modo de posición síncrona cíclica (CSP)

• Modo de velocidad síncrona cíclica (CSV)

• Modo de par síncrono cíclico (CST)

Estos modos de control dependen de una latencia de comunicación extremadamente baja y de ciclos de sincronización estables.

La comunicación serie tradicional y RS485 suelen utilizar un mecanismo de sondeo, lo que puede provocar una latencia mayor y más fluctuaciones. Aunque CANopen admite la comunicación síncrona, su ciclo de comunicación suele estar en el orden de los milisegundos y puede alargarse considerablemente a medida que se conectan más ejes.

En cambio, EtherCAT utiliza un mecanismo de procesamiento basado en hardware. Sus dispositivos esclavos procesan los datos directamente mediante unidades de gestión de memoria de bus de campo (FMMU), sin que el procesador tenga que interpretar cada mensaje por software. Esta arquitectura permite ciclos de comunicación y fluctuaciones de sincronización del orden de los microsegundos.

Según los parámetros documentados en el manual del módulo TCHL, EtherCAT admite ciclos de sincronización estables de 1 ms, 2 ms y 3 ms. Estos ciclos son adecuados para el control en bucle cerrado de servos de alta frecuencia, el muestreo del par y las actualizaciones dinámicas de trayectoria, y proporcionan una base para el control de movimiento de alta precisión.

2. Los Distributed Clocks permiten una sincronización multieje de alta precisión

Los brazos robóticos con múltiples grados de libertad y los robots humanoides contienen varias articulaciones interconectadas. La realimentación de posición, la realimentación de velocidad y los datos de los sensores de par de distintas articulaciones deben compartir una referencia temporal unificada para garantizar la precisión de los cálculos dinámicos, la compensación de inercia, la detección de colisiones y los algoritmos de control de fuerza.

El manual del módulo de articulación TCHL presenta específicamente la configuración de los Distributed Clocks (DC) de EtherCAT, una de las principales ventajas que distinguen a EtherCAT de los buses de comunicación tradicionales.

Cómo sincronizan varias articulaciones los Distributed Clocks de EtherCAT

El mecanismo DC de EtherCAT proporciona un reloj de hardware unificado para todos los módulos de articulación de la red. De este modo, el muestreo de los encoders y del par, así como las actualizaciones de los comandos de control de distintos ejes, pueden sincronizarse con gran precisión, minimizando las discrepancias temporales entre ejes a nivel de hardware.

En cambio, CANopen y RS485 suelen depender de señales de sincronización de difusión basadas en software, en lugar de utilizar el mismo tipo de sincronización mediante reloj de hardware. Esto puede dar lugar a mayores fluctuaciones de sincronización y discrepancias temporales.

Durante el movimiento coordinado multieje, estos errores temporales pueden contribuir a desajustes de trayectoria, oscilaciones en el control de fuerza y un aumento de los errores dinámicos de seguimiento.

En los sistemas robóticos que requieren movimientos coordinados de varias articulaciones, una sincronización precisa es esencial para mantener la exactitud del movimiento y la estabilidad del control.

3. El protocolo estandarizado CiA 402 mejora la compatibilidad y la interoperabilidad

El diccionario de objetos, la máquina de estados y las definiciones de los modos de control del manual del módulo TCHL reflejan la arquitectura de comunicación EtherCAT habitual en las articulaciones robóticas: CoE (CANopen over EtherCAT), compatible con el perfil de dispositivos de accionamiento y control de movimiento CiA 402.

CiA 402 es un estándar ampliamente establecido para dispositivos servoindustriales. Define transiciones de estado de accionamiento, palabras de control, palabras de estado, modos de funcionamiento y objetos de datos estandarizados.

El diccionario de objetos estandarizado simplifica la integración

En esta arquitectura, los datos esenciales de control y realimentación —incluidos la posición objetivo, la velocidad objetivo, el par objetivo, la posición real, el par real y los códigos de error— se definen mediante índices estandarizados del diccionario de objetos.

Algunos ejemplos son:

• 0x6040: palabra de control (Controlword)

• 0x607A: posición objetivo (Target Position)

• 0x6071: par objetivo (Target Torque)

• 0x303A: realimentación del sensor de par (Torque Sensor Feedback)

Los protocolos de comunicación estandarizados mejoran la compatibilidad y la intercambiabilidad de los módulos de articulación de distintos fabricantes. Al integrar distintos dispositivos, cambiar los modos de control, poner en marcha los equipos o migrar programas, los desarrolladores pueden reducir la necesidad de adaptarse a protocolos de comunicación propietarios.

Para los fabricantes de módulos de articulación, desarrollar productos basados en un estándar establecido también ayuda a reducir la complejidad del desarrollo y los costes de prueba y error. Esta estandarización es otro factor importante que contribuye a la adopción de módulos de articulación basados en EtherCAT.

4. La transmisión PDO de alto ancho de banda admite datos de sensores multidimensionales

Los módulos de articulación integrados de próxima generación ya no son simples unidades de ejecución de movimiento. Son sistemas de detección inteligentes que pueden integrar encoders dobles, sensores de par en el lado de salida, supervisión de temperatura, detección de fallos y adquisición de vibraciones.

En comparación con los sistemas servo tradicionales, las articulaciones inteligentes deben transmitir muchos más datos en tiempo real, incluidos posición, velocidad, par, temperatura, códigos de fallo y valores de compensación de desfase.

Asignación flexible de RxPDO y TxPDO

Según la sección sobre asignación PDO del manual TCHL, EtherCAT admite varios grupos de asignaciones RxPDO y TxPDO personalizables. Esto permite que el controlador transmita comandos al módulo de articulación y reciba información de estado multidimensional dentro de un solo ciclo de comunicación.

EtherCAT utiliza una capa física basada en Ethernet con ancho de banda suficiente para transportar grandes volúmenes de datos durante ciclos de sincronización de alta frecuencia. Esto ayuda a evitar la congestión de la comunicación y la necesidad de reducir la frecuencia de muestreo cuando se transmiten simultáneamente varias señales de sensores.

Los buses de comunicación tradicionales tienen un ancho de banda más limitado. Al gestionar varias tareas de adquisición de datos, pueden requerir frecuencias de muestreo más bajas, lo que podría comprometer la precisión del control de fuerza y la velocidad de respuesta dinámica.

Por ello, son menos adecuados para aplicaciones avanzadas de articulaciones inteligentes equipadas con sensores de par y otras funciones de detección integradas.

5. La topología en cadena simplifica el cableado y la ampliación multieje

Los robots humanoides y los brazos robóticos de seis ejes suelen contener entre 6 y 16 módulos de articulación. El espacio interno es reducido, lo que dificulta el tendido de cables y la integración del sistema.

EtherCAT admite una topología en cadena que permite conectar secuencialmente varios módulos de articulación a través de sus interfaces de red. Esto simplifica el cableado de red y reduce la necesidad de tender líneas de comunicación independientes desde cada articulación hasta el controlador.

Conexiones IN/OUT flexibles para la integración robótica

La disposición de las interfaces EtherCAT IN/OUT y el método de conexión en cadena permiten instalar módulos en varias etapas y tender cables a través de estructuras huecas.

Esto resulta especialmente adecuado para las disposiciones mecánicas compactas de las articulaciones robóticas, donde el espacio para el cableado es limitado.

En comparación con las limitaciones de nodos y las restricciones de expansión de las redes CANopen, así como con la menor eficiencia de sondeo de las redes RS485, EtherCAT ofrece una gran escalabilidad multieje. La incorporación de más ejes no necesariamente provoca un aumento significativo del tiempo de ciclo de comunicación, por lo que es muy adecuado para el control coordinado de varias articulaciones robóticas.

6. El diagnóstico integral de fallos mejora la fiabilidad y el mantenimiento del sistema

Las indicaciones para la resolución de problemas de EtherCAT y el sistema de alarmas descritos en el manual del módulo TCHL demuestran las amplias capacidades del bus para la gestión de estados y el diagnóstico de fallos.

EtherCAT define cuatro estados principales de comunicación:

Init: inicialización

Pre-Operational: preoperativo

Safe-Operational: operación segura

Operational: operación completa

Estos estados ayudan a los desarrolladores a identificar problemas de comunicación relacionados con la inicialización de dispositivos, la asignación PDO, la sincronización y la desconexión de la red o la pérdida de tramas.

El sistema también puede notificar en tiempo real información sobre fallos, como errores de seguimiento, desviaciones de sincronización y anomalías en la recepción PDO.

Esto permite a los desarrolladores identificar y resolver problemas de comunicación con mayor eficiencia, reduciendo el tiempo de puesta en marcha y la complejidad del mantenimiento posventa. Sus amplias capacidades de diagnóstico hacen que EtherCAT sea adecuado para sistemas de automatización industrial y equipos robóticos que requieren un funcionamiento estable a largo plazo.

7. Un ecosistema EtherCAT consolidado reduce los costes de desarrollo e integración

EtherCAT ha desarrollado un ecosistema consolidado que abarca una amplia variedad de aplicaciones industriales. Hay disponibles varias soluciones de controladores maestros ampliamente utilizadas, entre ellas Beckhoff TwinCAT, SOEM, IgH y plataformas basadas en Linux en tiempo real.

Estas soluciones son compatibles con distintas plataformas de hardware, como PLC, PC industriales y controladores integrados.

Además, existen herramientas profesionales para la puesta en marcha, la captura de paquetes y la configuración de parámetros. Los desarrolladores pueden supervisar los ciclos de sincronización, los desfases DC, los datos PDO y los estados del bus, lo que simplifica el desarrollo del sistema y la resolución de problemas.

Para los fabricantes de equipos, EtherCAT ofrece un alto grado de estandarización, gran portabilidad y una amplia disponibilidad de personal cualificado. En comparación con los buses de comunicación propietarios, puede ayudar a reducir los costes de desarrollo, puesta en marcha, formación y sustitución, por lo que resulta más adecuado para la producción a gran escala y la implementación comercial.

Conclusión: por qué EtherCAT se está convirtiendo en la opción predominante para la comunicación de articulaciones robóticas

La amplia adopción de EtherCAT se debe fundamentalmente a que los buses de comunicación tradicionales de baja velocidad no pueden satisfacer plenamente los requisitos de control avanzados de las articulaciones robóticas inteligentes.

Con comunicación en tiempo real basada en hardware a nivel de microsegundos, sincronización de Distributed Clocks de alta precisión, protocolos servo estandarizados CiA 402, transmisión de datos PDO de alto ancho de banda, redes multieje simplificadas y diagnóstico integral de fallos, EtherCAT es muy adecuado para módulos de articulación integrados de próxima generación con detección de par, coordinación multieje, control de fuerza flexible y seguimiento de trayectorias de alta precisión.

A medida que siguen desarrollándose los robots humanoides, los robots colaborativos y los equipos de automatización de alta gama, EtherCAT se ha convertido en una solución de comunicación predominante para los módulos de articulación robótica.