引言

機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）是一個(gè)開源框架和軟件庫(kù)集合，專門用于簡(jiǎn)化機(jī)器人應(yīng)用的開發(fā)。盡管名稱中含“操作系統(tǒng)”，但ROS并非像Windows或Linux那樣的真正操作系統(tǒng)，而是通常被稱為元操作系統(tǒng)或中間件層。它通常運(yùn)行在宿主操作系統(tǒng)之上（主要是Linux，macOS和Windows也受支持）。

ROS基于模塊化架構(gòu)，使用所謂的“節(jié)點(diǎn)”，這些節(jié)點(diǎn)代表獨(dú)立的可執(zhí)行程序或組件（例如傳感器或電機(jī)控制、算法）。節(jié)點(diǎn)之間通過標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)布-訂閱消息系統(tǒng)（稱為“主題”）進(jìn)行通信，這使得處理過程可以輕松分布——甚至跨多臺(tái)計(jì)算機(jī)。

ROS作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)和軟件開發(fā)工具包（SDK），用于開發(fā)和控制復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。其被廣泛應(yīng)用于人形機(jī)器人的開發(fā)和控制，主要用于運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和步態(tài)控制（行走）、環(huán)境感知的傳感系統(tǒng)以及人機(jī)交互（HRI）。

一、在ROS中控制EtherCAT從站

ROS通過多層次標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)硬件控制，該架構(gòu)隱藏了直接硬件通信的復(fù)雜性，使得高層控制算法能夠通用化。要集成EtherCAT從站，需要一個(gè)EtherCAT主站軟件（EtherCAT協(xié)議棧）。該軟件負(fù)責(zé)管理和控制所有從站，并通過兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域?qū)⑦^程數(shù)據(jù)（輸入和輸出變量）提供給應(yīng)用層。

此外，主站軟件還提供以下功能：參數(shù)傳輸（通過 EtherCAT的CAN應(yīng)用協(xié)議）和固件傳輸（通過EtherCAT的文件訪問），其他必要的功能包括：在所有層級(jí)（物理層和應(yīng)用層）檢測(cè)和定位故障，并向應(yīng)用層提供詳細(xì)信息。

acontis的EC-Master還支持高級(jí)功能，例如動(dòng)態(tài)插拔從站，且無需停止或重啟網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用。這些“熱插拔”操作也適用于采用分布式時(shí)鐘技術(shù)的從站，以實(shí)現(xiàn)高度同步的操作。

EC-Master同樣適用于需滿足功能安全要求的應(yīng)用場(chǎng)景。安全邏輯既可以集中在主站中實(shí)現(xiàn)，也可以分布在某個(gè)從站中，安全參與者之間的通信采用FSoE（FailSafe over EtherCAT）協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

二、Variant A：EtherCAT主站作為ROS 2節(jié)點(diǎn) ——“EcMasterRos2Node”

acontis的EcMasterRos2Node將EtherCAT主站協(xié)議棧EC-Master實(shí)現(xiàn)為一個(gè)獨(dú)立的ROS節(jié)點(diǎn)。EtherCAT網(wǎng)絡(luò)參數(shù)化通過標(biāo)準(zhǔn)化的EtherCAT網(wǎng)絡(luò)信息（ENI）文件完成，并支持市場(chǎng)上所有的EtherCAT從站，包括安全的FSoE設(shè)備。

在初始化EtherCAT網(wǎng)絡(luò)后，所有輸入和輸出數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的ROS主題會(huì)自動(dòng)生成，這使得其他ROS節(jié)點(diǎn)能夠方便地訪問所有循環(huán)的EtherCAT過程數(shù)據(jù)。

此外，EcMasterRos2Node還提供ROS服務(wù)，用于檢查從站和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，相關(guān)的EC-Master API已經(jīng)作為ROS Actions提供。例如，可以通過“CAN 應(yīng)用協(xié)議over EtherCAT”協(xié)議將任意參數(shù)傳輸?shù)綇恼尽?/p>

EcMasterRos2Node目前仍在開發(fā)中，預(yù)計(jì)將在2026年第一季度發(fā)布。

三、Variant B：EtherCAT主站作為ros2_control的硬件接口

ros2_control控制框架是ROS邏輯與硬件接口之間的橋梁。ros2_control提供驅(qū)動(dòng)和接口，用于標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)各種傳感器（如攝像頭和激光雷達(dá)）以及執(zhí)行器（如電機(jī)和機(jī)械臂）的控制。硬件的管理由資源管理器通過特定的硬件接口類完成。這個(gè)硬件抽象層對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸、硬件生命周期和錯(cuò)誤處理至關(guān)重要。硬件接口的配置通過URDF（統(tǒng)一機(jī)器人描述格式）文件完成， 標(biāo)簽描述了硬件接口插件及其接口。

EC-Master作為類型為System的硬件組件連接，并提供ENI（EtherCAT網(wǎng)絡(luò)信息）文件中定義的所有輸入和輸出變量，從站的輸入變量通過 提供，輸出變量通過 提供。

EC-Master的硬件接口描述可以通過EC-Engineer工具結(jié)合ENI文件方便地生成。這種方式非常高效，并確保一致性。

EcMasterRos2HwInterface目前仍在開發(fā)中，預(yù)計(jì)將在2026年第一季度發(fā)布。