ロボット通信プロトコル: なぜ EtherCAT と CAN が未来なのか

2024年に EtherCAT Technology Group (ETG) が発表した統計によると、EtherCAT は世界の産業用ロボット通信プロトコル市場の 39.2% を獲得し、年間成長率は 12.7% に達しており、他の競合プロトコルを大きく上回っています。その優位性は主要なアプリケーションシナリオで特に顕著です。ヒューマノイドロボットにおける多関節のリアルタイム協調制御から、自動運転におけるマルチセンサ融合、さらに Industry 4.0 における人と機械の協働に至るまで、EtherCAT はインテリジェントシステムが物理世界とどのように相互作用するかを再定義しています。

EtherCAT がますます注目を集めている理由とは？

EtherCAT はロボット関節向けの主流な通信方式の 1 つであり、産業用ロボットやヒューマノイドロボットの関節制御で広く使用されています。KUKA や FANUC などの主要ロボットメーカーは、溶接、搬送、塗装などの複雑なタスクを支える制御バスとして EtherCAT を広範に採用しています。

EtherCAT は、厳格なリアルタイム性が求められるアプリケーションに特に適しています。ロボットの関節制御では通常、電流、速度、位置という 3 つのネストされたループが含まれ、信号取得 → 演算 → 出力 という高速な閉ループプロセスが必要です。

EtherCAT はまた、ロボット向けの全身統一通信アーキテクチャもサポートします。一部のシステムでは CAN と組み合わせて使用されており、例えば上半身に EtherCAT、下半身に CAN を用いる構成があります。

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) は、2003年に Beckhoff Automation (ドイツ) によって初めて導入されました。当時、産業分野では高速、高効率、低コストの通信ソリューションが急務となっていました。EtherCAT は産業オートメーションにおける従来の Ethernet の限界を克服するために登場し、急速に広く注目を集めました。その最も顕著な特徴の 1 つは極めて高いデータ伝送速度であり、ナノ秒レベルの同期精度を実現できることです。

EtherCAT は、従来のフィールドバスと同様に、物理層、データリンク層、アプリケーション層の 3 つのプロトコル層のみを使用します。しかし、PROFINET や EtherNet/IP などの他のリアルタイム Ethernet プロトコルと比較すると、EtherCAT のプロトコルスタックははるかに簡素化されています。これにより、非常に短いサイクル内で超高速のデータ交換が可能となり、ロボットのリアルタイム制御要件を十分に満たし、迅速なコマンド応答と高精度なモーション制御を実現します。

その Distributed Clock (DC) 技術は、ネットワーク上のすべてのデバイスの高精度な同期を保証し、ロボットの関節が完全に協調して動作できるようにするとともに、タイミングのずれによる動作誤差を回避します。

「Processing on the Fly」: EtherCAT の中核的な競争優位性

On-the-Fly / Processing on the Fly は、しばしば EtherCAT の技術的な堀と見なされています。エンジニアによれば、この機能は現在 EtherCAT に固有のものであり、IP ベースの通信に依存しません。これは EtherCAT の卓越した性能を可能にする中核設計であり、スレーブデバイスがフレーム全体を保存することなく、フレームの通過中に直接データを読み書きできるようにし、マイクロ秒レベルのリアルタイム通信を実現します。

保存転送メカニズムに依存する従来の Ethernet プロトコルとは異なり、EtherCAT スレーブはフレーム伝送中に直接データを処理します。ノードごとの処理遅延は 1 μs まで低減できます。主要な技術実装には以下が含まれます。

分散クロック同期: マスター–スレーブ間のクロックオフセット補償アルゴリズムを使用し、ネットワーク全体で 100 ns を上回る精度の同期を実現し、強化された IEEE 1588 規格に準拠します。

最適化されたフレーム構造: 超コンパクトな 8-byte フレームヘッダーにより、データペイロード効率は最大 98% に達し (PROFINET の約 60% と比較)、帯域幅利用率を大幅に向上させます。

性能と安全性の両面から見て、EtherCAT は極めて強力です。しかし、その支配的地位を支えるもう 1 つの大きな理由は、そのオープン性にあります。

エンジニアの視点から見ると、EtherCAT は CAN ほど使いやすいとは言えないかもしれませんが、モーション制御集約型のアプリケーションにおいては、EtherCAT は最高のコストパフォーマンスを提供します。

現在、MCU メーカーは EtherCAT を極めて重要な戦略対象と位置付けています。

2023年12月には早くも、HPMicro は Beckhoff から正式ライセンスを受けた EtherCAT Slave Controller (ESC) を搭載する中国初の高性能 MCU シリーズ HPM6E00 シリーズを発表し、その後、ロボット向けの HPM6E8Y を続けて発表しました。CES 2026 において、HPMicro はロボット関節向けに特化して設計された高性能 MCU、HPM5E3Y を発表しました。これは EtherCAT スレーブコントローラと 2 つの Ethernet PHY トランシーバを統合し、480 MHz で動作する RISC-V コアを搭載し、512 KB RAM と 1 MB Flash を備え、最小 9 × 9 mm の超小型パッケージで提供されるため、スペースに制約のあるロボット関節設計に最適です。HPM5E3Y と HPM6E8Y は、世界で最も完全なロボット関節向け MCU 製品ラインアップを構成しています。

それでも多くの顧客が CAN を選び続ける理由は？

CAN (およびそのモーション制御向けバリアントである CANopen) は、ロボット向けのもう 1 つの主流通信ソリューションであり、特にロボットの下半身や車輪型ロボットの駆動部など、リアルタイム性の要求が比較的低いアプリケーションに適しています。

EtherCAT のコスト低下に伴い、一部の CAN アプリケーションシナリオは圧迫されています。しかし、CAN は四足ロボットやロボット犬など、関節数が少なく制御周波数も低いロボットで依然として広く使用されています。さらに、CAN はヒューマノイドロボットにおいても依然として不可欠です。例えば、Zhiyuan Lingxi X1 は 1 kHz のリアルタイム通信で 100 Mbps EtherCAT を使用し、EtherCAT ゲートウェイがデータを最大 5 Mbps で動作する 3 つの CAN FD チャネルへ転送します。

CAN はマルチセグメントのネットワーク分割をサポートします。40 を超える関節を持つヒューマノイドロボットでは、関節を腕や脚などの四肢ごとに複数の CAN FD セグメントへ分けることで、バス調停によって生じる遅延やパケット損失を低減できます。

もともと車載電子機器向けに設計された CAN は、信頼性と耐ノイズ性を重視しています。これは Carrier Sense Multiple Access with Non-Destructive Arbitration (CSMA/CA) メカニズムを採用しており、バスがアイドル状態のときに複数ノードが送信できるようにします。衝突が発生した場合、高優先度メッセージ (より低い ID 値) は送信を継続し、低優先度メッセージは自動的に後退するため、損失のない調停が保証されます。

このメカニズムにより、分散型の意思決定と高い信頼性が可能となり、CAN はスイッチ信号やセンサデータの伝送に最適です。その結果、車載電子制御ユニット (ECU) 間の通信で広く使用されています。しかし、極めて高いリアルタイム性と周期性が求められる多軸協調モーション制御に適用すると、CAN 固有の限界が明らかになります。

システム選定の観点から見ると、CAN は既存の CAN ベースアーキテクチャを拡張するためによく使用されます。軸数が少ないシステム (例えば 6 軸未満) で、同期性や動的性能への要求がそれほど厳しくない場合、たとえばデスクトップロボットや AGV では、CAN で十分であり、経済的で、過酷な環境における堅牢性でもよく知られています。一方、EtherCAT は高性能または大規模な分散型ロボットシステムにより適しています。ノード単価は高くなる場合があるものの、配線簡素化、リピータ不要、デバッグおよび保守の容易さ、そして全体性能の向上における EtherCAT の利点により、長期的には総保有コストが低くなることが多いです。

I3C プロトコルの急速な発展

I3C は新興のセンサ通信プロトコルであり、多くの企業がロボットの器用なハンドでの採用を積極的に推進しています。これは外部 PHY を不要にし、ハードウェア設計を簡素化します。例えば:

NXP i.MX RT1180 は 2 つの I3C インターフェースを統合しており、複数のサーボノードおよびセンサへの接続を可能にします。

Infineon PSoC Edge は I3C をサポートしています。

Renesas RA8 高性能 MCU シリーズは I3C をサポートしています

Microchip PIC18-Q20 シリーズには高速 I3C モジュールが含まれています。

STMicroelectronics STM32N6, STM32H5, STM32H7, and STM32U3 はすべて I3C をサポートしています。

I3C は、器用なハンドにおけるマルチモータ制御や高密度センサデータ収集 (電子皮膚やトルクセンサなど) に非常に適しており、特にロボットの指のようなスペース制約のある環境で有効です。

現在のところ、器用なハンド向けの主流ソリューションは依然として CAN FD です。エコシステムの未成熟さにより、I3C はまだ広く採用されていません。また、一部のエンジニアは、I3C は耐ノイズ性が弱く、器用なハンドへの大規模展開は難しいとも考えています。

それにもかかわらず、技術は進化を続けています。一部の国内チップメーカーは I3C を研究開発ロードマップに組み込み、市場需要に基づいて量産を推進するとともに、CAN XL などの新興プロトコルにも注視しています。そのため、将来的には通信プロトコルの勢力図がさらに変化する可能性があります。