なぜEtherCATはロボット関節モジュールの主流通信バスになりつつあるのでしょうか？

ヒューマノイドロボット、協働ロボット、高精度自動化設備の急速な発展に伴い、知能型ロボット関節一体型モジュールには、多軸協調、高周波リアルタイム制御、柔軟な力制御、高精度な軌跡追従が求められています。

RS485やCANopenなどの従来の通信バスでは、同期精度、通信帯域幅、リアルタイム性能、多軸拡張性の面で、次世代の知能型関節が求める制御要件を十分に満たせなくなっています。

公式のTCHLシリーズ関節モジュールのマニュアルに記載された通信アーキテクチャ、制御モード、PDOマッピング、Distributed Clocks、トラブルシューティングの枠組みに基づき、EtherCATは高性能ロボット関節モジュールの主流通信ソリューションとなっています。その普及は、単に業界のトレンドに追随した結果ではありません。現代のロボットが求める高度な制御要件とEtherCATの技術アーキテクチャとの高い親和性を反映したものです。

本記事では、TCHLシリーズのマニュアルに記載された技術的特長を踏まえ、知能型ロボット関節モジュールでEtherCATが広く採用されている主な理由を解説します。

1. 高周波サーボ制御を支えるマイクロ秒レベルのリアルタイム通信

ロボット関節の位置、速度、電流、トルクのフィードバックループでは、通信周期とリアルタイム性能に極めて高い水準が求められます。

TCHL関節モジュールのマニュアルでは、以下のような高精度リアルタイム制御モードに対応しています。

• Cyclic Synchronous Position Mode (CSP)

• Cyclic Synchronous Velocity Mode (CSV)

• Cyclic Synchronous Torque Mode (CST)

これらの制御モードには、極めて低い通信遅延と安定した同期周期が必要です。

従来のシリアル通信やRS485は一般にポーリング方式を採用しているため、遅延が大きくなり、ジッターも増加する可能性があります。CANopenは同期通信に対応していますが、通信周期は通常ミリ秒単位であり、接続する軸が増えるにつれて大幅に長くなることがあります。

これに対してEtherCATは、ハードウェアベースの処理方式を採用しています。スレーブデバイスは、プロセッサが各メッセージをソフトウェアで解釈することなく、ハードウェアのFieldbus Memory Management Unit (FMMU)を介してデータを直接処理します。このアーキテクチャにより、マイクロ秒レベルの通信周期と同期ジッターを実現できます。

TCHLモジュールのマニュアルに記載された仕様によると、EtherCATは1 ms、2 ms、3 msの安定した同期周期に対応しています。これらの周期は、高周波サーボの閉ループ制御、トルクサンプリング、動的な軌跡更新に適しており、高精度なモーション制御の基盤となります。

2. Distributed Clocksによる高精度な多軸同期

多自由度ロボットアームやヒューマノイドロボットは、相互接続された複数の関節で構成されています。異なる関節の位置フィードバック、速度フィードバック、トルクセンサーデータは、動力学計算、慣性補償、衝突検出、力制御アルゴリズムを正確に実行するため、統一された時間基準を共有する必要があります。

TCHL関節モジュールのマニュアルでは、EtherCAT Distributed Clocks (DC)の設定について詳しく説明しています。これは、EtherCATを従来の通信バスと区別する重要な特長の一つです。

EtherCAT Distributed Clocksによる複数関節の同期方法

EtherCATのDC機構は、ネットワーク上のすべての関節モジュールに統一されたハードウェアクロックを提供します。そのため、異なる軸のエンコーダサンプリング、トルクサンプリング、制御指令の更新を高精度に同期させ、ハードウェアレベルで軸間のタイミングのずれを最小限に抑えることができます。

一方、CANopenやRS485は一般に、同種のハードウェアクロック同期ではなく、ソフトウェアベースのブロードキャスト同期信号に依存します。そのため、同期ジッターやタイミングのずれが大きくなる可能性があります。

多軸協調運動では、このようなタイミング誤差が軌跡のずれ、力制御の振動、動的追従誤差の増大につながることがあります。

複数の関節を連携して動作させるロボットシステムでは、運動精度と制御安定性を維持するために、正確な同期が不可欠です。

3. 標準化されたCiA 402プロトコルによる互換性と相互運用性の向上

TCHLモジュールのマニュアルに記載されたオブジェクトディクショナリ、ステートマシン、制御モードの定義には、ロボット関節で一般的に採用されているEtherCAT通信アーキテクチャであるCoE (CANopen over EtherCAT)が反映されています。CoEは、CiA 402ドライブ・モーション制御デバイスプロファイルと互換性があります。

CiA 402は、産業用サーボ機器で広く確立された標準です。ドライブの状態遷移、制御ワード、ステータスワード、動作モード、データオブジェクトを標準化しています。

標準化されたオブジェクトディクショナリによる統合の簡素化

このアーキテクチャでは、目標位置、目標速度、目標トルク、実位置、実トルク、エラーコードなど、制御とフィードバックの中核データが、標準化されたオブジェクトディクショナリのインデックスによって定義されます。

例：

• 0x6040: Controlword

• 0x607A: Target Position

• 0x6071: Target Torque

• 0x303A: Torque Sensor Feedback

通信プロトコルの標準化により、異なるメーカーの関節モジュール間の互換性と交換性が向上します。開発者は、異なるデバイスの統合、制御モードの切り替え、機器の試運転、プログラムの移行に際して、独自の通信プロトコルへの対応を減らすことができます。

関節モジュールメーカーにとって、確立された標準に基づいて製品を開発することは、開発の複雑さや試行錯誤のコストの低減にも役立ちます。この標準化も、EtherCATベースの関節モジュールの普及を支える重要な要因です。

4. 高帯域幅のPDO伝送による多次元センサーデータへの対応

次世代の関節一体型モジュールは、もはや単なる動作実行ユニットではありません。デュアルエンコーダ、出力側トルクセンサー、温度監視、故障検出、振動計測などを統合する知能型センシングシステムです。

従来のサーボシステムと比べて、知能型関節では位置、速度、トルク、温度、故障コード、オフセット補償値など、より多くのリアルタイムデータを伝送する必要があります。

柔軟なRxPDOおよびTxPDOマッピング

TCHLマニュアルのPDOマッピングに関する記載によると、EtherCATは複数グループのカスタマイズ可能なRxPDOおよびTxPDOマッピングに対応しています。これにより、コントローラーは1回の通信周期内に関節モジュールへ指令を送信し、多次元の状態フィードバックを受信できます。

EtherCATは十分な帯域幅を持つイーサネットベースの物理層を採用し、高周波の同期周期内に大量のデータを伝送できます。複数のセンサー信号を同時に送信する場合でも、通信の混雑やサンプリング周波数の引き下げを回避しやすくなります。

従来の通信バスは帯域幅がより限られています。複数のデータ収集タスクを処理する際には、サンプリング周波数を下げる必要が生じ、力制御精度や動的応答速度が損なわれる可能性があります。

このため、トルクセンサーなどの統合センシング機能を備えた高度な知能型関節アプリケーションには適しにくくなります。

5. デイジーチェーントポロジーによる多軸配線と拡張の簡素化

ヒューマノイドロボットや6軸ロボットアームには、通常6～16個の関節モジュールが搭載されています。内部スペースが限られているため、ケーブルの配線やシステム統合は容易ではありません。

EtherCATはデイジーチェーントポロジーに対応しており、ネットワークインターフェースを介して複数の関節モジュールを順次接続できます。これによりネットワーク配線が簡素化され、各関節からコントローラーまで個別に通信線を引く必要性が低減します。

ロボットへの統合に適した柔軟なIN/OUT接続

EtherCATのIN/OUTインターフェース構成とデイジーチェーン接続方式は、モジュールを多段に設置する場合や、中空構造内にケーブルを配線する場合に適しています。

配線スペースが限られるロボット関節のコンパクトな機械レイアウトに、特に適した方式です。

CANopenネットワークのノード数制限や拡張上の制約、RS485ネットワークの低いポーリング効率と比べると、EtherCATは優れた多軸拡張性を備えています。軸を追加しても通信周期が大幅に長くなるとは限らず、複数のロボット関節の協調制御に適しています。

6. 包括的な故障診断によるシステム信頼性と保守性の向上

TCHLモジュールのマニュアルに記載されたEtherCATのトラブルシューティング手順とアラームシステムは、バスが包括的な状態管理と故障診断機能を備えていることを示しています。

EtherCATには、主に以下の4つの通信状態があります。

Init：初期化

Pre-Operational：運転前

Safe-Operational：安全運転

Operational：運転状態

これらの状態を利用することで、デバイスの初期化、PDOマッピング、同期、ネットワーク切断、フレーム消失に関連する通信の問題を特定しやすくなります。

また、追従誤差、同期偏差、PDO受信異常などの故障情報をリアルタイムに通知できます。

これにより、開発者は通信上の問題をより効率的に特定・解決でき、試運転時間とアフターサービスにおける保守の複雑さを軽減できます。包括的な診断機能を備えるEtherCATは、長期にわたる安定稼働が求められる産業オートメーションシステムやロボット機器に適しています。

7. 成熟したEtherCATエコシステムによる開発・統合コストの削減

EtherCATは幅広い産業用途をカバーする成熟したエコシステムを形成しています。Beckhoff TwinCAT、SOEM、IgH、リアルタイムLinuxベースのプラットフォームなど、複数の主要なマスターコントローラーソリューションが利用できます。

これらのソリューションは、PLC、産業用PC、組み込みコントローラーなど、さまざまなハードウェアプラットフォームに対応しています。

さらに、試運転、パケットキャプチャ、パラメーター設定用の専門ツールも利用できます。開発者は同期周期、DCオフセット、PDOデータ、バス状態を監視できるため、システム開発やトラブルシューティングをより容易に行えます。

機器メーカーにとって、EtherCATは高い標準化、優れた移植性、充実した人材基盤を備えています。独自仕様の通信バスと比べて、開発、試運転、トレーニング、交換にかかるコストの削減に役立ち、大量生産や商用展開にも適しています。

まとめ：EtherCATがロボット関節通信の主流になりつつある理由

EtherCATが広く採用されている根本的な理由は、従来の低速通信バスでは知能型ロボット関節に求められる高度な制御要件を十分に満たせないことにあります。

ハードウェアベースのマイクロ秒レベルのリアルタイム通信、高精度なDistributed Clock同期、標準化されたCiA 402サーボプロトコル、高帯域幅のPDOデータ伝送、簡素化された多軸ネットワーク構成、包括的な故障診断を備えるEtherCATは、トルクセンシング、多軸協調、柔軟な力制御、高精度な軌跡追従を特徴とする次世代の関節一体型モジュールに適しています。

ヒューマノイドロボット、協働ロボット、高性能自動化設備の発展に伴い、EtherCATはロボット関節モジュール向けの主要な主流通信ソリューションとなっています。