CN220193152U - EtherCAT从站控制板和手术机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种EtherCAT从站控制板和手术机器人。EtherCAT从站控制板包括：主控模块、从站模块、存储模块和接口模块。所述从站模块分别连接所述主控模块和所述存储模块；所述主控模块连接所述接口模块，所述接口模块用于连接设置有采控电路的底板，所述主控模块通过所述接口模块与所述采控电路通信。本实用新型实施例可以使得EtherCAT从站控制板可实现与多种采控电路的连接和通信，提高EtherCAT从站的通用性。

Description

EtherCAT从站控制板和手术机器人

技术领域

本实用新型涉及自动化控制技术领域，尤其涉及一种EtherCAT从站控制板和手术机器人。

背景技术

EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统。EtherCAT具有现场布线简单、高精度设备同步、可选线缆冗余和功能性安全协议等优势，被广泛应用于医疗以及精密机械加工等行业，例如作为手术机器人中的控制系统。EtherCAT采用主从通信环境，EtherCAT从站作为EtherCAT主站与外围采控电路之间的通信平台。现有的EtherCAT从站通常采用控制芯片与采控电路直接连接，受限于控制芯片有限的接口形式，EtherCAT从站的通用性较差，难以满足各类采控电路的通信需求，影响EtherCAT的功能完整性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种EtherCAT从站控制板和手术机器人，以使EtherCAT从站控制板满足多种采控电路的连接和通信需求，提高EtherCAT从站的通用性。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种EtherCAT从站控制板，包括：主控模块、从站模块、存储模块和接口模块；

所述从站模块分别连接所述主控模块和所述存储模块；

所述主控模块连接所述接口模块，所述接口模块用于连接设置有采控电路的底板，所述主控模块通过所述接口模块与所述采控电路通信。

可选地，所述主控模块包括STM32控制器，所述主控模块通过所述STM32控制器的FMSC接口连接所述从站模块。

可选地，所述从站模块包括AX58100芯片。

可选地，所述EtherCAT从站控制板，还包括：基板，用于承载所述主控模块、所述从站模块、所述存储模块和所述接口模块；

其中，所述主控模块、所述从站模块和所述存储模块均设置于所述基板的正面；所述接口模块设置于所述基板的背面。

可选地，所述EtherCAT从站控制板，还包括：接口缓冲模块，设置于所述基板的正面；

所述接口缓冲模块分别连接所述主控模块与所述接口模块。

可选地，所述EtherCAT从站控制板，还包括：复位模块，设置于所述基板的正面，连接所述主控模块。

可选地，所述基板包括自上而下依次排列的第一区域、第二区域和第三区域；

所述存储模块和所述接口缓冲模块均设置于所述第一区域；所述主控模块、所述从站模块和所述接口模块均设置于所述第二区域；所述复位模块设置于所述第三区域。

可选地，所述存储模块和所述接口缓冲模块在所述第一区域自左至右依次排布；

所述从站模块、所述主控模块和所述接口模块在所述第二区域自左至右依次排布。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种手术机器人，包括：中控机和机械臂；所述中控机中设置有EtherCAT主站控制板，所述机械臂中设置有如本实用新型任意实施例所提供的EtherCAT从站控制板以及与所述EtherCAT从站控制板对应的底板；

其中，所述EtherCAT主站控制板连接所述EtherCAT从站控制板中的从站模块，所述底板连接所述EtherCAT从站控制板中的接口模块。

可选地，所述机械臂中设置有多个EtherCAT从站控制板；

多个所述EtherCAT从站控制板依次级联；其中，第一级EtherCAT从站控制板中的从站模块连接所述EtherCAT主站控制板，其他级EtherCAT从站控制板中的从站模块连接前一级EtherCAT从站控制板中的从站模块；

或者，各所述EtherCAT从站控制板的从站模块均连接所述EtherCAT主站控制板。

本实用新型实施例提供的EtherCAT从站控制板中，设置有主控模块、从站模块、存储模块和接口模块。其中，主控模块、从站模块和存储模块用于实现EtherCAT从站控制板的主要数据处理和控制功能；本实用新型实施例通过在EtherCAT从站控制板中设置接口模块，可以提供主控模块与采控电路之间的通用接口，在底板的外设接口与接口模块采用通用的连接方式的基础上，可以灵活方便的实现EtherCAT从站控制板与各类底板的连接，以使EtherCAT从站控制板支持主控模块与各类采控电路之间的通信，从而提高EtherCAT从站控制板的通用性，并减小EtherCAT系统的设计难度和开发周期。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的立体结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的正面结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的背面结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的一种手术机器人的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本实用新型实施例提供了一种EtherCAT从站控制板，可灵活应用于各类自动控制产品中，例如手术机器人。图1是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的结构示意图。参见图1，该EtherCAT从站控制板10包括：主控模块110、从站模块120、存储模块130和接口模块140。其中，从站模块120分别连接主控模块110和存储模块130。主控模块110连接接口模块140，接口模块140用于连接设置有采控电路210的底板20，主控模块110通过接口模块140与采控电路210通信。示例性地，可认为EtherCAT从站控制板10及其连接的底板20共同构成完整的EtherCAT从站，EtherCAT从站控制板10用于根据其接收的采控指令控制采控电路210执行相应的操作，并反馈相应的状态信息。示例性地，采控电路210可以是编码器、电机、力传感器或数字量IO等具备采集和/或受控运行功能的电路。

其中，主控模块110主要用于执行EtherCAT从站控制板10中的数据处理，以及信号的输入输出处理，以实现EtherCAT从站控制板10的采控功能。具体地，主控模块110可以根据数据采集指令采集采控电路210的状态信息，并经由从站模块120上传至EtherCAT主站，实现数据采集功能；或者根据控制指令控制采控电路210的工作状态，实现控制功能。示例性地，主控模块110中的主控芯片作为主控模块110的关键构成部分，在选择上可采用多种方案，例如AVR单片机、FPGA和STM32控制器等，具体可根据实际需求进行选取。

从站模块120主要用于实现信息传递功能，例如实现主控模块110与EtherCAT主站之间的信息交互，以及实现EtherCAT主站与其他EtherCAT从站之间的信息传递。示例性地，从站模块120可以连接EtherCAT主站中的EtherCAT主站控制板30和/或连接其他EtherCAT从站控制板10中的从站模块120。构建从站模块120必不可少的是从站控制芯片(ESC芯片)，示例性地，ESC芯片可采用ET1100芯片、LAN9252芯片或AX58100芯片等。综合考虑器件采购周期、器件价格和外围电路难易程度等因素，优选采用AX58100芯片作为从站模块120中的ESC芯片。

存储模块130主要用于存储从站描述文件或者说从站配置信息，具体可以存储用于描述EtherCAT从站的功能，采控电路210的类型、数量和在产品中的设置位置等信息。示例性地，存储模块130中的存储芯片可采用EEPROM芯片，例如通过I²C总线连接从站模块120。

接口模块140主要作为主控模块110与采控电路210之间的连接接口。具体地，接口模块140中可包括插接形式的接口，只要底板20上的外设接口与上述插接口相匹配，即可实现接口模块140与底板20的连接。底板20中，采控电路210可通过金属走线连接外设接口，以提供采控电路210-外设接口-接口模块140-主控模块110这一数据传输路径。这样设置，可以实现对采控电路210高灵活性的设置，接口模块140只需要与底板20的外设接口相匹配，而无需针对不同类型的采控电路210设置不同的接口。那么，一则、当需要更换采控电路210时，只需要切换其他采控电路210与底板20连接，或者直接更换设置有其他采控电路210的底板20，各底板20具备与接口模块140通用的接口形式即可，而无需更改接口模块140的结构和类型，有利于采控电路210功能的灵活调整。二则、作为一个完整产品，考虑到电路集成度，在产品内部，EtherCAT系统中通常包括多个EtherCAT从站，各从站中会包含多种采控电路210。其中，各类采控电路210的运行宗旨都是将状态信息传递到主控模块110，以及执行主控模块110下发的任务，若针对每种采控电路210都单独设计Ethercat从站控制板，会大大增加设计周期和成本，且增加设计错误风险。而本实用新型通过设置通用的接口模块140，可以使得各EtherCAT从站能够采用统一的EtherCAT从站控制板10，使产品开发更简洁高效。

本实用新型实施例提供的EtherCAT从站控制板10中，设置有主控模块110、从站模块120、存储模块130和接口模块140。其中，主控模块110、从站模块120和存储模块130用于实现EtherCAT从站控制板10的主要数据处理和控制功能；本实用新型实施例通过在EtherCAT从站控制板10中设置接口模块140，可以提供主控模块110与采控电路210之间的通用接口，在底板20的外设接口与接口模块140采用通用的连接方式的基础上，可以灵活方便的实现EtherCAT从站控制板10与各类底板20的连接，以使EtherCAT从站控制板10支持主控模块110与各类采控电路210之间的通信，从而提高EtherCAT从站控制板10的通用性，并减小EtherCAT系统的设计难度和开发周期。

在上述各实施方式的基础上，可选地，主控模块110包括STM32控制器。相比于其他控制器，STM32控制器具有更好的灵活性和稳定性，且具备较为完善的数据库支持，这有利于进一步提高EtherCAT从站控制板10的通用性。具体地，STM32控制器本身通用性强，其内部配置有完整的开源开发库，开发库中的接口内容丰富，市面上常见的接口类型都能直接从开发库中调用，因此仅通过更改软件就可以使EtherCAT从站控制板10适用于多种采控需求。并且，程序编写可依赖于STM32控制器的官方库文件，可以有效降低出错风险，缩短开发时间。

进一步地，主控模块110可通过STM32控制器的FMSC(Flexible Static MemoryController，可变静态存储控制器)接口连接从站模块120。本实施例这样设置，通过FMSC这种并行走线进行数据传输，可以保证主控模块110和从站模块120之间数据传输的速度和准确性。

上述各实施方式中示例性地给出了EtherCAT从站控制板10中各功能模块的连接关系和作用原理，下面对EtherCAT从站控制板10的具体结构和各功能模块在基板上的分布位置进行示例性说明，但不作为对本实用新型的限定。

图2是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的立体结构示意图；图3是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的正面结构示意图；图4是本实用新型实施例提供的一种EtherCAT从站控制板的背面结构示意图。需要说明的是，图2-4中主要体现了各功能模块的位置关系，对各功能模块之间的连接走线未做展示。参见图2-4，示例性地，EtherCAT从站控制板10中还包括基板100，用于承载主控模块110、从站模块120、存储模块130和接口模块140。其中，主控模块110、从站模块120和存储模块130均设置于基板100的正面101；接口模块140设置于基板100的背面102。本实施例设置各功能模块分散分布于基板100的正面和背面，有利于提高EtherCAT从站控制板10的集成度，减小整体体积。并且，将接口模块140设置于基板100的背面102，便于EtherCAT从站控制板10与底板20的插接，且其他功能模块设置于基板100的正面101，使得EtherCAT从站控制板10与底板20连接后，不影响其他功能模块的散热空间，以保证EtherCAT从站控制板10在运行过程中的良好散热。示例性地，主控模块110包括主控芯片U2及其外围电路、从站模块120包括ESC芯片U1及其外围电路、存储模块130包括存储芯片U3及其外围电路，以及接口模块140包括接口P1及其外围电路。分设于基板100正面101和背面102的器件可通过基板100上的通孔及内部走线实现电连接。

进一步地，EtherCAT从站控制板10中还可以包括：接口缓冲模块150，设置于基板100的正面101，连接主控模块110与接口模块140。接口缓冲模块150作为接口模块140与主控模块110之间的信号传输缓冲模块，可以减少甚至避免采控电路210发生短路或因插接产生的静电等不可控的影响进入主控模块110，实现对主控模块110的保护，提高EtherCAT从站控制板10的可靠性。示例性地，接口缓冲模块150包括缓冲芯片U4及其外围电路。这样设置，在接口模块140与底板20连接后，以该EtherCAT从站控制板10连接EtherCAT主站控制板30为例，采控电路210与EtherCAT主站控制板30之间的信号传输路径为：采控电路210-底板20的外设接口-接口模块140-接口缓冲模块150-主控模块110-从站模块120-EtherCAT主站控制板30。

继续参见图2-3，在上述各实施方式的基础上，可选地，EtherCAT从站控制板10中还包括：复位模块160，例如由复位芯片U5及其外围电路构成，设置于基板100的正面101，连接主控模块110，例如连接主控芯片U2，或者还可以连接其他功能模块。示例性地，复位模块160可以监控EtherCAT从站控制板10的运行状态，并在出现故障或触发复位条件时自动实现对EtherCAT从站控制板10的复位，以避免电源的抖动或者失效等原因对各功能模块造成损伤。以及，复位模块160中还可以包括复位按键或旋钮等，以便于实现人为外部复位。

下面就EtherCAT从站控制板10中各功能模块在基板100上的具体分布位置进行说明。

在上述各实施方式的基础上，可选地，基板100包括自上而下依次排列的第一区域A1、第二区域A2和第三区域A3。存储模块130和接口缓冲模块150均设置于第一区域A1，例如存储模块130和接口缓冲模块150自左至右依次排布。主控模块110、从站模块120和接口模块140均设置于第二区域A2，例如从站模块120、主控模块110和接口模块140自左至右依次排布。复位模块160设置于第三区域A3。其中，存储模块130靠近从站模块120设置，有利于简化二者之间的连接布线；接口缓冲模块150靠近主控模块110设置，有利于简化二者之间的连接布线；以及，复位模块160靠近主控模块110设置，有利于简化二者之间的连接布线。

需要说明的是，上述上下左右的方位以基板100的正面101，即图3中的方位为准，图4中基板100背面102的左侧实际上对应于图3中基板100正面101的右侧。也就是说，图4中接口模块140的设置位置实际上可认为是图3中主控模块110右侧的空白部分在基板100背面102的对应位置。接口P1例如为长条状的插接接口，有利于实现与底板20的连接。

综上，本实施例实现了对基板100空间的合理利用，有利于减小EtherCAT从站控制板10的体积，有利于灵活设置各EtherCAT从站控制板10在各类自动控制产品中的安装位置。

综上所述，本实用新型实施例提供的EtherCAT从站控制板10具有高灵活性的插接方式和高通用性的主控选择，仅通过简单的软件调整，就可配合多种不同的采控电路完成不同采控功能，使产品开发更加敏捷、高效。

本实用新型实施例还提供了一种手术机器人，包括如本实用新型任意实施例所提供的EtherCAT从站控制板，具备相应的有益效果。图5是本实用新型实施例提供的一种手术机器人的结构示意图。参见图5，示例性地，手术机器人中包括：中控机3000和机械臂1000。其中，手术机器人中可包括至少一个机械臂1000，此处仅示例性地给出了一个机械臂1000，进行中控机3000和机械臂1000之间连接关系的说明。

具体地，中控机3000中设置有EtherCAT主站控制板30，机械臂1000中设置有EtherCAT从站控制板10以及与EtherCAT从站控制板10对应的底板20。其中，EtherCAT主站控制板30连接EtherCAT从站控制板10中的从站模块，底板20连接EtherCAT从站控制板10中的接口模块。

需要说明的是，机械臂1000可包括机械臂本体以及与机械臂本体可拆卸连接的手术器械，底板20可以是机械臂本体中的控制板，例如设置有用于驱动机械臂本体活动的电机，该电机即可认为是底板20中的采控电路；和/或，底板20可以是手术器械中的控制板，例如设置有用于存储器械配置信息的存储器，该存储器即可认为是底板20中的采控电路。示例性地，一个EtherCAT从站控制板10对应连接至少一个底板20，一个底板20中可设置至少一种采控电路。

在上述各实施方式的基础上，可选地，机械臂1000中可设置至少一个EtherCAT从站控制板10。当机械臂1000中设置有多个EtherCAT从站控制板10时，主站与从站之间可采用星型连接或链型连接等连接方式。

如图5所示，在一种实施方式中，可选地，多个EtherCAT从站控制板10可以依次级联；其中，第一级EtherCAT从站控制板10中的从站模块连接EtherCAT主站控制板30，其他级EtherCAT从站控制板10中的从站模块连接前一级EtherCAT从站控制板10中的从站模块。其中，各EtherCAT从站可基于其内部的从站控制芯片，通过描述文件与EtherCAT主站建立关系，EtherCAT主站可根据地址信息确定EtherCAT从站位置，并以广播的形式传播数据，以保证数据传输速度。

进一步地，最后一级EtherCAT从站控制板10中的从站模块也可以连接EtherCAT主站控制板30，以使EtherCAT从站链路的两端均可以直接与EtherCAT主站通信，当EtherCAT从站链路一端的通信出现故障时，EtherCAT主站还可以通过链路另一端与各级EtherCAT从站进行信息交互，从而保证手术机器人工作的可靠性。

在另一种实施方式中，可选地，各EtherCAT从站控制板10的从站模块可以均连接EtherCAT主站控制板30，以实现各EtherCAT从站与EtherCAT主站之间的直接通信，有利于保证通信可靠性和数据传输速度。

实际应用中，可根据EtherCAT主站的接口数量、EtherCAT从站的数量，以及手术机器人对信号传输速度和可靠性等多方面的需求灵活设置EtherCAT主站与各EtherCAT从站之间的连接方式。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种EtherCAT从站控制板，其特征在于，包括：主控模块、从站模块、存储模块和接口模块；

所述从站模块分别连接所述主控模块和所述存储模块；

所述主控模块连接所述接口模块，所述接口模块用于连接设置有采控电路的底板，所述主控模块通过所述接口模块与所述采控电路通信。

2.根据权利要求1所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，所述主控模块包括STM32控制器，所述主控模块通过所述STM32控制器的FMSC接口连接所述从站模块。

3.根据权利要求1所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，所述从站模块包括AX58100芯片。

4.根据权利要求1所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，还包括：基板，用于承载所述主控模块、所述从站模块、所述存储模块和所述接口模块；

其中，所述主控模块、所述从站模块和所述存储模块均设置于所述基板的正面；所述接口模块设置于所述基板的背面。

5.根据权利要求4所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，还包括：接口缓冲模块，设置于所述基板的正面；

所述接口缓冲模块分别连接所述主控模块与所述接口模块。

6.根据权利要求5所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，还包括：复位模块，设置于所述基板的正面，连接所述主控模块。

7.根据权利要求6所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，所述基板包括自上而下依次排列的第一区域、第二区域和第三区域；

所述存储模块和所述接口缓冲模块均设置于所述第一区域；所述主控模块、所述从站模块和所述接口模块均设置于所述第二区域；所述复位模块设置于所述第三区域。

8.根据权利要求7所述的EtherCAT从站控制板，其特征在于，所述存储模块和所述接口缓冲模块在所述第一区域自左至右依次排布；

所述从站模块、所述主控模块和所述接口模块在所述第二区域自左至右依次排布。

9.一种手术机器人，其特征在于，包括：中控机和机械臂；所述中控机中设置有EtherCAT主站控制板，所述机械臂中设置有如权利要求1-8中任一项所述的EtherCAT从站控制板以及与所述EtherCAT从站控制板对应的底板；

其中，所述EtherCAT主站控制板连接所述EtherCAT从站控制板中的从站模块，所述底板连接所述EtherCAT从站控制板中的接口模块。

10.根据权利要求9所述的手术机器人，其特征在于，所述机械臂中设置有多个EtherCAT从站控制板；

多个所述EtherCAT从站控制板依次级联；其中，第一级EtherCAT从站控制板中的从站模块连接所述EtherCAT主站控制板，其他级EtherCAT从站控制板中的从站模块连接前一级EtherCAT从站控制板中的从站模块；

或者，各所述EtherCAT从站控制板的从站模块均连接所述EtherCAT主站控制板。