От команд к суставам: модели передачи информации для управления двигателями и общего движения ИИ‑роботов 

Аннотация

Двигательные возможности ИИ‑роботов зависят от скоординированного управления множеством суставных двигателей центральным контроллером. Ключевым элементом этого процесса планирования является надёжная и детерминированная передача информации между командами управления двигателями и общим планированием движения. В настоящей статье, исходя из структуры потоков информации при управлении движением, анализируется трехуровневая логика передачи «общее планирование движения — распределение команд по суставам — замкнутое исполнение на двигателях». Системно сравниваются пропускная способность, точность синхронизации и адаптивность топологии таких ведущих коммуникационных протоколов, как EtherCAT, CAN FD и TSN. На основе инженерного опыта эксплуатации гуманоидных роботов, четвероногих роботов и совместных манипуляторов описана логика проектирования многоуровневой гибридной шины. В статье дополнительно рассматривается преобразование моделей передачи информации под влиянием беспроводной связи и детерминированных сетей TSN. Отмечается, что передача информации при управлении двигателями ИИ‑роботов эволюционирует от архитектуры «с шиной в центре» к направлению «сети, чувствительные ко времени + краевая интеллектуальная обработка».

I. Введение

Интеллектуальность ИИ‑роботов в конечном итоге реализуется через физическое движение. Будь то двуногая ходьба гуманоидного робота, динамическая стабилизация четвероногого робота или точное отслеживание траектории совместного манипулятора, на низшем уровне всё опирается на одну и ту же задачу передачи информации: как центральный контроллер преобразует высокоуровневое планирование движения в исполняемые команды для двигателей отдельных суставов, а также завершает возврат состояний всех суставов и обновление замкнутого контура в рамках одного цикла управления.

Основное противоречие этой задачи заключается в конфликте между скоординированностью общего движения и требованиями к реальному времени при управлении двигателями. Координированное движение множества осей требует, чтобы все суставы действовали в единой временной базе. Любая задержка команды или отставание обратной связи по состоянию какого‑либо сустава нарушает согласованность движения. При этом каждый суставной двигатель имеет собственные циклы регулирования контура тока, скорости и положения, что предъявляет строгие требования к детерминизму задержек при передаче команд.

Опираясь на указанное противоречие, в настоящей статье анализируются модели передачи информации между управлением двигателями и общим движением ИИ‑роботов по трем направлениям: структура потоков информации, выбор протоколов и инженерная практика.

II. Трехуровневая структура потоков информации при управлении движением

2.1 Канал передачи от планирования траектории до команд на двигатели

Потоки информации при управлении движением ИИ‑роботов, как правило, имеют трехуровневую структуру. Уровень общего планирования движения генерирует целевые траектории для исполнительного органа робота или центра масс. Уровень команд суставов преобразует траектории в декартовом пространстве в команды положения, скорости или крутящего момента для каждого сустава. Уровень исполнения на двигателях реализует замыкание контура тока и формирование ШИМ‑сигналов локально на приводе.

Рассмотрим пример схемы управления суставами робота на базе ROS 2 и шины EtherCAT. Узел ROS 2 на суставном уровне получает данные группы суставов из декартового слоя через механизм подписки или сервер Action, формирует траекторию на основе полинома высокого порядка, после чего передаёт сигналы положения, скорости или крутящего момента спланированные для суставов по шине EtherCAT на серводвигатели. Приводы переключаются в режим циклического управления положением контура, режим скорости или режим крутящего момента в зависимости от типа полученного сигнала, а также ограничивают крутящий момент, ток, скорость и положение через объекты служебных данных.

Ключевой принцип проектирования данной модели передачи: чем ближе к замкнутому контуру управления двигателем, тем выше требования к детерминизму коммуникации и задержкам. Передача данных между центральным контроллером и приводами двигателей должна завершаться в пределах цикла управления, при этом дрожание сигнала необходимо удерживать на уровне микросекунд. В то же время передача между уровнем планирования траектории и уровнем команд суставов предъявляет более высокие требования к пропускной способности, но допускает относительно большие задержки.

2.2 Двусторонние ограничения при нисходящей передаче команд и восходящей передаче состояний

Передача информации при управлении двигателями не является односторонней. В рамках одного цикла управления по нисходящему каналу передаются команды положения/скорости/крутящего момента, а по восходящему — обратные сигналы от энкодеров о положении, скорости, токе, температуре и другие параметры состояния. Например, при балансировочном управлении гуманоидным роботом центральный блок управления должен обмениваться данными со всеми локальными контроллерами за время дискретизации порядка 1 мс. Следовательно, коммуникационная система должна обладать низкой задержкой, малыми накладными расходами протокола и высокой пропускной способностью.

Указанные двусторонние ограничения означают, что при выборе коммуникационного протокола необходимо учитывать не только пропускную способность, но и эффективность кадров и детерминизм передачи. Несмотря на повышение скорости передачи сегмента данных до 8 Мбит/с у CAN FD, эффективность кадров остаётся низкой. При нагрузке шины свыше 60 % значительно возрастают задержки и дрожание кадров с низким приоритетом. Механизм «чтения‑записи на лету» протокола EtherCAT обеспечивает обмен данными непосредственно во время передачи кадра, исключая накопление задержек, характерное для схемы «приём‑хранение‑передача».

III. Сравнение производительности ведущих коммуникационных протоколов и логика их выбора

3.1 EtherCAT: предпочтительное решение для коммуникации высокопроизводительных суставов

Значение протокола EtherCAT для коммуникации суставов ИИ‑роботов стремительно растёт. Его основные преимущества проявляются по трём направлениям:

1. Пропускная способность. EtherCAT использует физический уровень стандартного Ethernet с фиксированной скоростью 100 Мбит/с, что в сто раз превышает максимальную скорость протокола CAN (1 Мбит/с). Это позволяет EtherCAT передавать синхронные данные для большего числа суставов без существенного ухудшения производительности при росте нагрузки шины.
2. Точность синхронизации. В EtherCAT реализован механизм распределённых часов, благодаря которому расхождение часов всех ведомых устройств удерживается на уровне микросекунд и даже долей микросекунды. Для гуманоидных роботов и совместных манипуляторов, требующих точной синхронизации множества осей, данная возможность недоступна для CAN: в CAN отсутствуют распределённые часы, поэтому точная синхронизация осей достигается за счёт компенсации на уровне программного обеспечения, что сопряжено со значительными сложностями при практической реализации.
3. Реальное время. Механизм «обработки во время передачи» обеспечивает значительно меньшие задержки по сравнению с традиционной схемой «приём‑хранение‑передача». В режимах CSP/CSV/CST протокол EtherCAT поддерживает циклы коммуникации до 4 кГц. Стабильная частота 4 кГц сохраняется даже при подключении более сорока приводов двигателей.

К недостаткам EtherCAT относятся необходимость использования специализированных микросхем ведомых узлов ESC, что увеличивает стоимость компонентов системы, а также лицензионные требования компании Beckhoff (при разработке программного обеспечения лицензия предоставляется бесплатно). При этом отечественные производители, например компания Chuangyao Technology, выпускают микросхемы ведомых узлов EtherCAT с официальной лицензией Beckhoff. Данные чипы проходят тестирование у производителей гуманоидных роботов, постепенно снижая входные барьеры для применения протокола.

3.2 CAN FD: практичное решение для серийно выпускаемых суставных модулей

Несмотря на превосходство EtherCAT по производительности, CAN FD остаётся стандартным коммуникационным интерфейсом большинства серийно выпускаемых суставных модулей в Китае. Данный факт отражает инженерный компромисс между достаточностью производительности и контролируемостью затрат.

У CAN FD скорость сегмента арбитража составляет от 500 кбит/с до 1 Мбит/с, а сегмента данных — от 8 Мбит/с до 10 Мбит/с. Полезная нагрузка одного кадра увеличена с 8 до 64 байт. Современные микроконтроллеры семейств STM32, GD32 и другие имеют встроенные контроллеры CAN FD; для работы достаточно подключить внешний приёмопередатчик. Сформирована развитая экосистема разработки: доступны стеки протоколов CANopen/DS402, инструменты для работы с верхним уровнем PEAK, IXXAT и т. д. Одна шина позволяет управлять от 8 до 15 суставных узлов, что подходит для суставов пальцев и легконагруженных суставов в системах с чувствительностью к стоимости.

Также чётко прослеживаются ограничения CAN FD: отсутствие распределённых часов, синхронизация множества осей достигается программной компенсацией; ограничения скорости шины при использовании длинных кабелей и большого числа узлов; рост задержек и дрожания кадров низкого приоритета при нагрузке шины свыше 60–70 %. Поэтому CAN FD целесообразно применять в приложениях, не предъявляющих экстремальных требований к точности синхронизации, либо использовать как вспомогательную сеть мониторинга в высокопроизводительных системах.

3.3 Гибридные архитектуры в реальной инженерной практике

Истинное инженерное решение реализуется в виде многоуровневой гибридной архитектуры шин. В типичном гуманоидном роботе магистральная сеть на базе EtherCAT соединяет высокоточные силовые суставы бёдер, коленей, лодыжек. Концевые суставы (пальцы, запястья) подключаются по CAN FD, а интерфейсы энкодеров внутри суставов используют шины SPI или I2C.

Логика такого многоуровневого проектирования заключается в распределении коммуникационных ресурсов в соответствии с требованиями управления. Для ключевых суставов с высокими требованиями к точности синхронизации и пропускной способности используется EtherCAT, для чувствительных к стоимости концевых суставов — CAN FD, а для чиповой связи на коротких расстояниях — SPI. Микросхемы ведомых узлов EtherCAT могут проектироваться с одновременной поддержкой EtherCAT и CAN. При подключении обеих шин управление приоритетно осуществляется по EtherCAT, а CAN переключается в режим мониторинга и передаёт только данные о частоте вращения двигателя, температуре, токе, кодах неисправностей и другие параметры состояния.

Другой вариант гибридной архитектуры демонстрирует распределённая система управления четвероногим роботом. Промышленный компьютер подключается к двум чипам DSP по интерфейсу RS‑485. Каждый чип DSP управляет тремя приводами двигателей одной ноги через две шины CAN, таким образом четыре шины CAN обеспечивают управление четырьмя ногами. Данная архитектура «централизованное управление + распределённое исполнение» за счёт пакетной обработки и пересылки сообщений CAN на DSP позволяет сочетать гибкость управления и надёжность коммуникации при ограниченной пропускной способности.

IV. Передовые тенденции: детерминированные сети и беспроводная связь

4.1 Преобразование коммуникационных архитектур роботов под влиянием TSN

Сети, чувствительные ко времени (TSN), становятся новой перспективной архитектурой внутренней коммуникации роботов. Один из патентов на краевую систему управления роботом с поддержкой TSN демонстрирует её интеграционные возможности. Суставные приводные модули подключаются к коммутатору TSN по EtherCAT, модули привода колёс — к другому коммутатору TSN по CANopen. Модули датчиков и беспроводные модули подключаются по Ethernet. Несколько коммутаторов TSN образуют кольцевую или линейную топологию, обеспечивая совместную работу устройств с разными протоколами в рамках единой детерминированной сети.

Основная ценность TSN заключается в обеспечении временного детерминизма для разнородных потоков данных. В традиционных архитектурах при совместном использовании одной физической среды потоками команд управления движением, данными датчиков и информацией мониторинга сложно гарантировать отсутствие помех со стороны других потоков для задержек передачи команд управления движением. Благодаря механизмам временного формирования трафика и вытеснения кадров TSN распределяет детерминированные окна передачи для потоков данных разных приоритетов в рамках одной сети. Это позволяет упростить архитектуру и одновременно удовлетворять требованиям реального времени при управлении движением.

4.2 Дополнительная роль беспроводной связи

Беспроводная связь на данном этапе находится на стадии исследований и выполняет вспомогательные функции при управлении движением роботов. Существуют решения для автономных суставных модулей на основе низкоэнергетического Bluetooth (BLE), направленные на отказ от кабелей между приводом двигателя и основным процессором для мобильных роботов с короткими расстояниями передачи. В исследованиях беспроводных локальных сетей для манипуляторов центральный контроллер передаёт команды управления и принимает данные состояния через ретрансляционные узлы, что позволило снизить величину перерегулирования приблизительно в 15 раз.

Тем не менее основное ограничение беспроводной связи для замкнутого контура управления двигателями — недостаточный детерминизм. Управление движением требует циклов от 1 до 10 мс при дрожании менее 1 мкс, но изменчивость состояния беспроводного канала и чувствительность к помехам не позволяют стабильно удовлетворять этим требованиям. Реальная область применения беспроводной связи — это вспомогательные каналы для отладки, мониторинга состояния, передачи нереал‑таймовых команд, либо выполнения низкопропускных задач управления в модульных суставах, где критически важна минимизация массы кабелей.

V. Заключение

Модели передачи информации между управлением двигателями и общим движением ИИ‑роботов по сути представляют собой поиск инженерного оптимального решения в компромиссе между точностью синхронизации, пропускной способностью, стоимостью и гибкостью топологии. EtherCAT с микросекундной синхронизацией и пропускной способностью 100 Мбит/с является предпочтительным решением для высокопроизводительных суставов. CAN FD за счёт развитой экосистемы и низкой стоимости доминирует в серийно выпускаемых суставных модулях. Многоуровневая гибридная архитектура по принципу «ключевые узлы — EtherCAT, концевые суставы — CAN, чиповые соединения — SPI» обеспечивает баланс производительности и стоимости в рамках одного робота.

Данная ситуация трансформируется под влиянием двух факторов. С одной стороны, TSN расширяет область действия детерминированных сетей от уровня отдельных шин до уровня всей системы, позволяя устройствам с разными протоколами функционировать в единой временной системе, что упрощает архитектуру и повышает общий детерминизм. С другой стороны, внедрение краевого интеллектуального переносит часть задач планирования движения и принятия управляющих решений непосредственно на приводы суставов, уменьшая объём данных, передаваемых по сети, и снимая нагрузку с каналов связи.

В перспективе, по мере роста требований к количеству суставов и точности их координации у гуманоидных роботов, выбор коммуникационного протокола перестанет быть независимым инженерным решением. Он станет переменной проектирования, тесно связанной с архитектурой микросхем, алгоритмами управления и топологией системы. Понимание этой взаимосвязи является необходимым условием для построения высокопроизводительных систем управления движением ИИ‑роботов.

Список литературы

[1] Xinchacha. Глубокий анализ коммуникационных решений суставных модулей: более пяти коммуникационных протоколов, более двадцати микросхем, 2026.

[2] Компания Chuangyao Technology представляет низкопотребляющие микросхемы для коммуникации при управлении движением роботов // Sohu, 2026.

[3] Способ управления суставным уровнем робота на основе фреймворка ROS 2 и шины EtherCAT: патент Китая CN111267098A.

[4] Распределённая система управления электрическим четвероногим роботом: патент Китая CN111497964A.

[5] Краевая система управления роботом с поддержкой технологии сетей, чувствительных ко времени TSN: патент Китая CN116985149B.

[6] EtherCAT vs. CAN для гармонических приводов: техническое сравнение // Honpine, 2025.

[7] Проблемы коммуникации для гармонических роторных приводов: можно ли совместно использовать EtherCAT и CAN // Honpine, 2025.

[8] Система коммуникации робота Johnnie // Технический университет Мюнхена (TUM).

[9] Беспроводные сети, чувствительные ко времени: патент Китая CN113615239B.

[10] Экспериментальное исследование системы коммуникации на основе Bluetooth для управления движением робота // IECON 2019.

[11] Метод ретрансляции по беспроводной локальной сети с низкой задержкой для системы управления двигателями в конструкции робота‑манипулятора // IEEE, 2025.

[12] Конструкция робота: патент Китая CN112809676A.