科幻小说中，几代人都以各种方式将机器人融入社会，从使我们的生活更轻松、更美好的有益的良性仆人，到试图灭绝我们的严酷、没有灵魂的霸主。在所有情况下，故事开始于机器人取代人完成琐碎的、重复的和危险的任务，随着人工智能的出现，它们甚至超过了受过严格训练的人类。

从小小的地板清洁工到送货机器人和无人机，在使用中并不罕见。社会已经准备好将它们融入我们的生活，特别是当它们变得自主、会话、甚至有自我意识的时候。

几十年来，汽车制造厂、化工厂和工厂的工作机器人已经取代了许多人，并显示出成本效益和更高的生产力和准确性，因为制造业和工业应用一直是机器人进步的驱动力。

虽然购买、编程和将制造机器人投入工作的初始投资仍然很高，但它们为制造公司带来了许多好处。

随着人们强调将制造业带回国内的愿望，竞争压力意味着只有机器人才能以低成本保持高生产力。它们可以一天工作24小时，没有休息。他们不休假或放假。它们不请病假（但它们也会时常发生故障）。

关键是，雇用机器人的制造公司不必支付社会保险、失业、工伤赔偿、医疗保险、退休费等。

随着固定位置和功能的机器人被移动的、自主的、多功能的学习型机器所取代，能力、安全和成本敏感度变得更加重要。机器人设计者现在面临着关于架构机器人和机器人工作环境的选择。

一个五公斤重的机器人里装有十公斤的芯片

传感器是任何机器人设计中的关键。它们为机器提供有关外部世界的信息。虽然老一代的固定机器人不需要导航，感知障碍物，知道自己在哪里，并找到备用路线，但新的机器人需要。因此，许多类型的传感器必须被实施、监测、优先考虑、解释，并用于确定行动。今天设计师面临的问题是如何分配传感器，同时保持合理的尺寸和重量。是不是所有的东西都放在机器人里面？还是机器人从一个设施、无线控制器或云端获得感官数据和指令？

你让机器人做的事情越多，它就需要越大。机器人越重，需要的电池电量就越多。这限制了运行时间、速度和性能，并且由于在充电或更换电池时需要停止使用而增加成本。

空间是有限的，而重量是敌人。因此，你在环境中放置的智能越多，需要嵌入到机器人中的就越少。更小，更快，更多的运行时间，更低的成本。双赢，对吗？嗯，只是到目前为止。

即使有了智能环境，智能和传感器也必须被嵌入到每个机器人中。容错意味着在发生通信故障时，安全不会受到影响。因此，使用轻量级的机载传感器，如传感器、视频摄像头、温度和电池电压传感器等，是可行的。甚至今天可用的二维激光雷达技术也可以集成到一个低成本、高效率的机器人中。

像接近或电源问题这样的故障安全传感器应被优先考虑。例如，机器人可能不知道它被一个障碍物固定住了，但驱动电机上的电流传感器可以迅速检测到故障，并立即移除电机驱动的电源。中央设施计算机或云控制器不能快速反应，以防止可能发生的火灾。

在工厂或工业环境中，无线通信可能是一个挑战。制造车间是一个电子噪音环境。如果发生错误和重试，机器人可能无法及时得到所需的信号以保护安全。这也可能意味着无线链路传输更高的功率以获得可靠的通信。

分布式串行架构。拓扑结构和优点

串行通信是在局部或广大地区进行分布式通信的理想选择。系统和设施的设计者和管理者对可以轻松实现的串行网络的技术和类型有多种选择和选项。

以太网是一种可以使用的串行网络技术。它可以使用Cat5和/或Cat6风格的多绞线在一根电缆中进行布线。每个点对点的以太网连接需要八根线，这增加了成本并降低了可靠性。以太网确实提供了快速的通信速率和运行几百英尺的能力，并可用作区域内串行网络的集线器。尽管如此，它对噪音或静电放电（ESD）的免疫力并不特别强，所以它不是机器位置的一个好选择。此外，以太网网络上的每个节点需要更多的处理器资源和带宽。相比之下，可以使用成本较低的通用异步接收/发送器（UART）构架的异步包构架的串行数据链。

基于UART的串行链路也许是最直接和最可靠的。无线串行链路即使在最高的电磁干扰（EMI）噪声和最恶劣的ESD环境中也是坚固可靠的。还有各种驱动器和接收器，可以走几百甚至几千英尺，保持一定范围的数据速率。

从结构上看，分布式串行传感器阵列可以由中央位置控制和监测，分布式，或远程访问。这些并不相互排斥。例如，中央计算机可以一直运行，而后备系统监测并在主系统出现故障时启动。

串行网络中也有点对点的灵活性。最简单和最可靠的结构是点对点直接（图1A）。这是最快速、最直接的链接。硬件和/或软件握手可以保证可靠的数据传输。

可以配置一串菊花链设备，一个数据链路与许多分布式传感器或执行器进行通信（图1B）。数据通过每个节点，并通过作为直通缓冲器的线路接收器和驱动器返回到启动点。每个节点可以单独寻址，也可以同时访问，例如 "紧急关机 "命令的情况。

如果设备被配置成一个循环，那么可以取消直通驱动器，所有数据都返回到启动点。对于一个串联或环路结构的网络，数据速率通常被设置为一个单一的波特率。如果使用几个多端口串行控制台控制器，也可以采用树形配置（图1C）。如果来自主机的数据速率足够快，可以提供所有低级别的数据，这允许在串行域中建立多个传感器或传感器区域。如果不是这样，以太网连接可以作为最上层的控制台服务器使用。如果传感器区被定义为一个局部的区域，这可能是一个有帮助的架构。

图 1：(A) 点对点直接连接。(B) 链接设备的环路或菊花链。(C) 树配置。

除了远程分配传感器和执行器外，分布式节点还可以包括用于安全控制的专用射频链路或RFID扫描仪，以便在机器人通过特定的关键位置时向其读取和写入数据。任何时候，只要安全冗余可以在几乎没有额外成本的情况下被设计出来，利用这种安全冗余是明智的。

串行链路层协议的类型

我们大多数人都熟悉的一个老古董是RS-232。这种单端物理层方案使用不归零（NRZ）信号协议，将逻辑零表示为正电压，逻辑一表示为负电压。信号线永远不会停留在地面上。因此，RS-232是相对稳定的，能很好地拒绝噪音和脉冲故障。由于未连接的电线不会显示电压，所以故障检测更容易。

虽然RS-232可以穿越几百英尺，但RS-422可以穿越几千英尺。RS-422为每个信号使用一对差分线。这使得它对嘈杂的工厂环境中可能存在的共模噪声免疫。它需要两倍的电线数量，而且不像RS-232那样常见，后者用于过去的大多数计算机外围设备和调制解调器。

RS-485也是一种差分媒介，但也是一种共享媒介。所有RS-485设备都连接到同一物理线对。这意味着RS-485设备只能在半双工模式下运行，而RS-232和RS-422可以在全双工模式下运行。所有RS-485设备通常具有相同的通信特性，如波特率、奇偶性和停止位。

在适当的情况下，RS-485也可以跨越几千英尺，通常用于工厂和工业环境。在所有情况下，半导体制造商都为所有这些提供了具有成本效益、设计良好、有竞争力的线路驱动器和接收器，并内置了ESD和噪声保护。

注意，UART框架的异步数据包格式，如RS-232、RS-422和RS-485，也被用于汽车领域的控制器区域网络（CAN）和OBDII控制和传感器总线中。

较早但流行的Midi接口也使用基于UART的数据包协议。这些信号技术被很好地理解，并得到工具和开发固件的支持。它们是工业环境中分布式传感器和执行器的理想选择，特别是如果可以使用多端口服务器的话。

媒体服务器解决方案

多端口控制台提供通过IP（如以太网和TCP/IP接入点）访问的多个独立串行端口。有8个或16个端口的RS-232配置，这些端口可以通过适当的接口作为RS-485或RS-422使用。

两个10/100/1000以太网端口可以支持单个串口高达921.6Kbits/sec的数据速率的总带宽，并允许连接到本地计算机资源以及远程和分布式全球计算机和基于云的服务。

标准的1U机架安装配置可以轻松地集成到几乎任何设施中。此外，每个串口保护方案都有内置的15KV ESD保护。这些控制台服务器作为TCP/IP网络和PLC、数控机床、衡器、扫描仪以及几乎任何类型的基于传感器的系统之间的理想接口。许多可以被原始设备制造商（OEM）轻松使用的传感器系统都支持这些串行标准，而控制台服务器允许单独连接到这些传感器。请注意，每个人都可以有自己的波特率、奇偶校验和停止位配置，简化了设置和使用，并最大限度地提高了带宽，因为最慢的设备不会限制更快的设备。

通过Windows工具、网络浏览器、Telenet和各种控制台进行控制，使操作员和程序员能够轻松地进行设置、操作和监控。像SNMP MIB-II这样的网络管理工具也允许操作和监控的标准工具集。后部安装的布线保持了实施的清洁和可维护性，便于扩展或更新。可以利用内置的以太网连接实现各种拓扑结构，创建一个简单、低成本、有效的分布式传感器阵列。

工厂和分布式机器人传感器实例

例如，我们可以把一个中央计算机系统想象成主站，它通过以太网交换机连接到串行控制台服务器。这为每个区域提供了高速带宽，其中控制台控制器充当了与各个传感器的互连。

在图2中，一个拓扑结构的例子是通过更高速的以太网交换机使用冗余的控制链路来路由到本地化的区域。每个局部区域可以利用串行控制台服务器的优势，与我们的机器人将经过的每个传感器、射频链路或执行器建立直接连接链接。

即使主控制器出现故障，也可以建立一个远程或冗余链接作为备份、看门狗或故障保护。这可以是一个本地的冗余控制器，也可以是一个远程或基于云的监测和控制。

图 2：示例拓扑

结论

在机器人的环境中结合嵌入式和分布式传感器，可以是实现工厂或工业环境的最安全和最可靠的方式，将自动化提升到新的水平。可以设置区域，并对冗余的安全机制进行监控，以确保所有系统的正常运行。

串行端口仍然是分配传感器和执行器的最具成本效益的方式。

几乎每个微控制器都有基于UART的通信，OEM和设计的传感器可以很容易地集成到这种类型的网络。这也使得机器人可以被精简，不那么复杂，因为它们的许多职责可以被卸载到一个更智能的设施上。