EtherCAT主站协议栈EC-Master在ROS（机器人操作系统）中的应用

引言

机器人操作系统（ROS）是一个开源框架和软件库集合，专门用于简化机器人应用的开发。尽管名称中含“操作系统”，但ROS并非像Windows或Linux那样的真正操作系统，而是通常被称为元操作系统或中间件层。它通常运行在宿主操作系统之上（主要是Linux，macOS和Windows也受支持）。

 

ROS基于模块化架构，使用所谓的“节点”，这些节点代表独立的可执行程序或组件（例如传感器或电机控制、算法）。节点之间通过标准化的发布-订阅消息系统（称为“主题”）进行通信，这使得处理过程可以轻松分布——甚至跨多台计算机。

 

ROS作为一个标准化平台和软件开发工具包（SDK），用于开发和控制复杂的机器人系统。其被广泛应用于人形机器人的开发和控制，主要用于运动规划和步态控制（行走）、环境感知的传感系统以及人机交互（HRI）。

一、在ROS中控制EtherCAT从站

ROS通过多层次标准化架构实现硬件控制，该架构隐藏了直接硬件通信的复杂性，使得高层控制算法能够通用化。要集成EtherCAT从站，需要一个EtherCAT主站软件（EtherCAT协议栈）。该软件负责管理和控制所有从站，并通过两个内存区域将过程数据（输入和输出变量）提供给应用层。

 

此外，主站软件还提供以下功能：参数传输（通过 EtherCAT的CAN应用协议）和固件传输（通过EtherCAT的文件访问），其他必要的功能包括：在所有层级（物理层和应用层）检测和定位故障，并向应用层提供详细信息。

acontis的EC-Master还支持高级功能，例如动态插拔从站，且无需停止或重启网络或应用。这些“热插拔”操作也适用于采用分布式时钟技术的从站，以实现高度同步的操作。

 

EC-Master同样适用于需满足功能安全要求的应用场景。安全逻辑既可以集中在主站中实现，也可以分布在某个从站中，安全参与者之间的通信采用FSoE（FailSafe over EtherCAT）协议实现。

二、Variant A：EtherCAT主站作为ROS 2节点 ——“EcMasterRos2Node”

acontis的EcMasterRos2Node将EtherCAT主站协议栈EC-Master实现为一个独立的ROS节点。EtherCAT网络参数化通过标准化的EtherCAT网络信息（ENI）文件完成，并支持市场上所有的EtherCAT从站，包括安全的FSoE设备。

 

在初始化EtherCAT网络后，所有输入和输出数据对应的ROS主题会自动生成，这使得其他ROS节点能够方便地访问所有循环的EtherCAT过程数据。

此外，EcMasterRos2Node还提供ROS服务，用于检查从站和整个网络的状态，相关的EC-Master API已经作为ROS Actions提供。例如，可以通过“CAN 应用协议over EtherCAT”协议将任意参数传输到从站。

 

EcMasterRos2Node目前仍在开发中，预计将在2026年第一季度发布。

三、Variant B：EtherCAT主站作为ros2_control的硬件接口

ros2_control控制框架是ROS逻辑与硬件接口之间的桥梁。ros2_control提供驱动和接口，用于标准化对各种传感器（如摄像头和激光雷达）以及执行器（如电机和机械臂）的控制。硬件的管理由资源管理器通过特定的硬件接口类完成。这个硬件抽象层对于数据传输、硬件生命周期和错误处理至关重要。硬件接口的配置通过URDF（统一机器人描述格式）文件完成， 标签描述了硬件接口插件及其接口。

EC-Master作为类型为System的硬件组件连接，并提供ENI（EtherCAT网络信息）文件中定义的所有输入和输出变量，从站的输入变量通过 提供，输出变量通过 提供。

 

EC-Master的硬件接口描述可以通过EC-Engineer工具结合ENI文件方便地生成。这种方式非常高效，并确保一致性。

 

EcMasterRos2HwInterface目前仍在开发中，预计将在2026年第一季度发布。