HK-CIFX通讯板卡助力医疗手术机器人：简化EtherCAT集成，提升手术精准与便捷性

通过HK-CIFX通讯板卡可以让工控机快速支持EtherCAT通讯协议，用户也无需深入研究EtherCAT实时通讯协议，直接调用相应的API函数接口即可实现应用程序设计，从而实现对医疗手术机器人控制的目的。总结来说，采用这种方案的医疗手术机器人，为临床医生提供了前所未有的操作便利。他们可以在远程或者直观的界面下，通过精确的定位和力反馈，进行如同亲手操作般的精细手术。此外，我们的板卡还支持其他类型的接口和通信协议，如CANopen、Profinet等，以满足不同应用场景的需求。

一、技术背景

SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）是一种常见的工业机器人，以其独特的关节结构和高精度、高效率的运动能力而闻名。在医疗领域，SCARA机器人被广泛应用于手术辅助、药物配送、精准治疗等领域，它们可以在医生的精确控制下进行微小且准确的动作，极大地提高了手术的精确度和安全性。EtherCAT作为一种实时以太网通信协议，相对于其他实时以太网，它具有极低的延迟（通常小于1ms），并且能够同时处理控制、现场总线和同步I/O数据，这使得EtherCAT成为需要高速、高精度控制的应用的理想选择。将SCARA机器人与EtherCAT技术结合，可以实现医疗手术过程中的高度自动化和精确控制，为现代医疗手术提供了更高效、更安全的解决方案。

二、产品概述

虹科HK-CIFX通讯板卡是一款适用于工业以太网和现场总线协议的计算机板卡，可以快速的将实时通讯添加到基于PC/IPC的自动化设备中，支持EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP等各种主流的实时通讯协议，并且涵盖常见的PC卡格式，对用户开放PCI、PCI Express、Mini PCIe、M.2等常用接口形式，同时提供了广泛的设备驱动程序，支持诸如Windows、Linux、INtime、Vxworks等操作系统。作为一款高性能、高可靠性的工业级网络通信产品，其适用于各种工业自动化、机器视觉、机器人控制等领域的网络通信需求。

HK-CIFX通讯板卡的关键特性：

支持EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IPCANopen、Profibus、DeviceNet、CC-Link等实时通信协议。
对于不同操作系统和不同通讯协议，提供统一的API函数接口
支持Windows、Linux、Vxworks、INtime、RTX、QNX等操作系统下的驱动
提供PCI、PCI Express、紧凑型PCI、薄型PCIe、Mini PCIe、半高PCI Express、2格式PCI Express、Mini PCI、PCI / 104和PCI 104等接口格式；
通过双端口内存（DPM）或直接内存访问，访问数据

三、应用场景

应用领域：实现一套类似于达芬奇机器人形态的医疗手术机器人系统
产品型号：HK-CIFX M3042100BM-RE，M.2 3042形成的PC接口
操作系统：Ubuntu，Linux内核
技术参数：EtherCAT主站，通讯周期1ms，启用DC同步
- 控制两组SCARA机器臂，每组机械臂支持5个自由度
- HK-CIFX板卡采用Linux驱动类型
系统架构：该系统主要有EtherCAT主站平台、EtherCAT交换机或分支器以及两组SCARA机械臂组成，其中：EtherCAT主站：以HK-CIFX板卡作为运行EtherCAT主站的核心单元，板卡上可加载EtherCAT协议栈及其网络组态文件。板卡通过M.2接口安装到工控机中，从而为工控机扩展EtherCAT通讯接口。同时，出于实时性考虑，该方案运行在Linux系统下，上位机程序通过调用板卡提供的动态链接库和API程序接口，实现与EtherCAT网络中其他设备间的数据交互。
- EtherCAT从站：系统中分别实现对两组SCARA机械臂的控制，每组机械臂中包含5套EtherCAT的伺服控制器及电机，达到控制五个自由度的目的，通过EtherCAT DS402的位置模式实现定点控制。
- EtherCAT交换机或分支器：用于优化EtherCAT网络拓扑结构

四、实施过程

Linux驱动架构：Linux下，HK-CIFX Linux驱动作为一个库在用户空间运行，并通过IO内核模块访问该板卡(用户空间I/O)

系统要求
- Linux 内核源代码（用于依赖 uio_netx 的 PCI 卡或其他设备）
- libpthread, librt
- CMake（ 2.8.9版本以上）
- Linux 标准库 libpciaccess
驱动安装：
- 根据系统环境要求，安装必要的功能组件，如cmake，libpciaccess-dev，realpath等，以Ubuntu下举例，Centos可采用yum installsudo apt-get install libpciaccess-dev
  - sudo apt-get install cmake
- 在Linux环境下解压驱动包，注意解压路径不要有空格符：tar -zxvf V2.0.1.0.tar.gz
- 进入驱动文件夹路径，执行驱动安装脚本：./build_install_driver
- 进入库文件安装目录/usr/local/lib，通过ldconfig注册库并创建链接，例如：ln –s libcifx.so.2.0.1 [libcifx.so](<http://libcifx.so/>)
- 安装cifX板卡驱动模块：sudo modprobe uio_netx
网络组态

HK-CIFX PC板卡可通过加载不同的协议固件，使得板卡可以充当相应的主从站，对于cifX设备，固件及其配置文件不存储在硬件上，因此还需要给Linux环境中提供必要的文件，工控机每次上电时会将boot loader、firmware、configuration file加载到硬件板卡中。

创建特定的文件结构，便于工控机上电自动加载固件和配置文件，以single directory为例
- 进行驱动/driver/scripts路径，执行脚本./install_firmware install，创建/opt/cifx/deviceconfig目录
- 执行脚本./install_firmware create_single_dir，创建single directory文件存储目录/opt/cifx/deviceconfig/FW/channel0

板卡组态配置
- 在Windows系统中安装板卡配置软件SYCON.net，在SYCON.net中对板卡参数进行网络组态，如导入必要的第三方从站描述文件、从站输入输出数据量配置、EtherCAT网络通讯周期设置等
- 导出.nxd格式数据库文件或从Windows默认加载目录中拷贝处理
- 将.nxd格式文件与.nxf格式的协议栈固件拷贝到Linux相应文件存储目录中，single directory方式保存路径为/opt/cifx/deviceconfig/FW/channel0
- 工控机会在每次上电时自动从默认路径下载相应的固件和配置文件到cifx板卡