人形机器人的发展正在迅速取得进展。无论是用于制造、物流、客户服务、危险任务还是家务，人形机器人有可能通过提高效率和保护人类生命来造福社会。随着人形机器人的开发呈指数级增长，工程师正在梳理人形机器人通信系统的技术挑战和关键设计决策。三个技术挑战包括需要更高的数据吞吐量、更低的延迟及更薄更轻的电缆。以太网全面解决了当今人形机器人数据通信面临的挑战，因此设计人员正在继续采用以太网作为机器人通信的支柱。
通信挑战：
带宽、延迟、布线及传统协议局限
如今，设计人员拥有的带宽不足以促进人形机器人中的数据通信。人形机器人要像人类一样移动和响应环境，需要具备什么？简而言之就是更快的数据传输。为了感知和响应周围的世界，人形机器人必须促进主控制器和感知传感器、触觉传感器、执行器、编码器和扭矩传感器之间的快速数据通信。感知传感器、通信雷达、激光雷达或摄像头的数据带宽从 Kbps 增加到 10Mbps ，在某些情况下甚至达到 1000Mbps 。电机控制的带宽从 Kbps 增加到10Mbps，在某些情况下达 100Mbps 。因此，对更高数据吞吐量的需求不断增长，以使人形机器人能够移动并执行处理和响应。
人形机器人设计人员逐步意识到，需尽可能缩减系统传输延迟。延迟会影响人形机器人能否快速可靠地响应。例如，人形机器人执行运载易碎物体或抬起重物等任务所需的延迟非常小。这些任务要求机器人立即校准压力、力和扭矩，以便快速响应。
人形机器人的小型化、轻量化设计已成为一项首要优先事项。电气元件和电缆数量多会导致拥塞，尤其是人形机器人的四肢。电缆数量越多，整体重量就越重，消耗的电量就越多。因此，对小型和轻型布线设计的需求非常突出。
虽然 4/20mA、HART、CAN 和 RS485 作为工业应用的可靠通信协议已有 40 多年的历史，但它们的带宽无法满足当今机器人的通信需求。表2-1 列出了机器人系统中通常使用的 PHY 类型的标准数据速率和电缆长度。
表2-1 物理通信接口特性
两种使用2-4线对的标准以太网和使用1线对的单线对以太网，都支持 1000Mbps 并为人形机器人通信提供更高的吞吐量。
图2-1 显示了 IEEE 以太网标准的特征。
图2-1 IEEE 以太网标准
以太网解决方案：
高带宽、低延迟、轻量化及TI产品
在人形机器人中进行高精度电机控制通信时，可能需要 100Mbps 带宽。DP83826A 等采用 100Mbps 标准以太网 PHY，可满足高带宽电机控制要求并支持 EtherCAT ，这是一种专为实时确定性电机控制而设计的通用工业通信协议。对于空间受限区域，设计人员必须在不影响与传动器、编码器、扭矩传感器及感知传感器的可靠通信的情况下，尽可能地减少布线。一种新兴设计通过在 1000Mbps 单线对以太网上运行时间敏感型网络，更大限度地减少了布线并更大限度地提高了数据吞吐量。使用 DP83TG721-Q1 等 1000Mbps 单线对以太网 PHY 可提供足够的带宽和 TSN 支持 (802.1AS) 以优化延迟。
除了高带宽的优势之外，以太网还被用作人形机器人的主要通信协议，以便通过 EtherCAT、Profinet 等工业以太网协议，或通过实施可能使用 TSN 标准的专有通信协议，更大限度地减小延迟，提升以太网协议的实时性能。采用强大的 100Mbps EtherCAT PHY，例如 TI 的 DP83826A，可实现快速、实时的自动化控制。当设计人员需要减少布线并使用单线对以太网时，可使用 TSN 通过以太网实现实时确定性通信。德州仪器 (TI) 推出了集成 802.1AS 功能的单线对以太网 PHY（例如用于 100Mbps 应用的 DP83TC815-Q1 和用于 1000Mbps 应用的 DP83TG721-Q1），可减少布线并提供本地时间戳和同步，以降低系统延迟。
虽然基于标准以太网 PHY 的工业以太网过去一直用于确定性实时应用，但单线对以太网越来越有吸引力，可用于将人形机器人内部电缆的尺寸和重量降低75% 。如表2-1 所示，虽然标准以太网要求两个线对用于 100Mbps ，四个线对用于 GbE，但单线对以太网只需要一对用于 100Mbps 和千兆位以太网通信。缩减尺寸和重量是人形机器人研发的核心要点，减轻重量可提高机动性、能效和平衡性。例如，使用单线对以太网（例如 TI 用于 100Mbps 的DP83TC81x，用于 1000Mbps 的 DP83TC72x，或用于 10Mbps 多点应用的 DP83TD5x5）可更大限度地减少电缆数量，并减轻使用单个线对实现通信所需的重量。除了单线对以太网的重量和尺寸减小外，设计人员还可以使用 TI 超小尺寸以太网 PHY DP83TC813 进一步优化空间。
图 2-2 人形机器人通信
结语
以太网全面解决了当今人形机器人数据通信面临的挑战，因此设计人员正在继续采用以太网作为机器人通信的主干。以太网可满足对更高数据吞吐量和更低延迟的需求，并使用更小线规、更轻重量的电缆。
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