1. 項(xiàng)目背景與系統(tǒng)概述

隨著精準(zhǔn)醫(yī)療需求的不斷提升，手術(shù)機(jī)器人作為高端醫(yī)療設(shè)備的代表，正逐步成為復(fù)雜外科手術(shù)的重要工具。手術(shù)機(jī)器人的控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性與精確度要求極高，任何通信延遲或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤都可能直接影響手術(shù)效果與患者安全。傳統(tǒng)MODBUS協(xié)議因其簡(jiǎn)單易用，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在高實(shí)時(shí)、多節(jié)點(diǎn)、復(fù)雜交互的醫(yī)療機(jī)器人場(chǎng)景中顯得力不從心。因此，將MODBUS設(shè)備接入高性能的CANopen網(wǎng)絡(luò)，成為提升系統(tǒng)整體通信能力的關(guān)鍵技術(shù)路徑。

該系統(tǒng)通常由手術(shù)控制臺(tái)、機(jī)械臂、影像設(shè)備和監(jiān)控單元等組成，通過(guò)集成MODBUS轉(zhuǎn)CANopen網(wǎng)關(guān)，使得原本基于MODBUS的從站設(shè)備（如電機(jī)、傳感器等）能夠無(wú)縫接入以CANopen為主干的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)中，在確保數(shù)據(jù)一致性的同時(shí)，顯著提高響應(yīng)速度和設(shè)備協(xié)同能力。

2. 通信網(wǎng)絡(luò)組成

手術(shù)機(jī)器人的通信網(wǎng)絡(luò)呈分層分布式結(jié)構(gòu)。最上層為中央控制單元，通常作為CANopen主站；中間通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)連接下層的MODBUS從設(shè)備；底層則包括各類關(guān)節(jié)電機(jī)、光學(xué)傳感器、力矩反饋單元等執(zhí)行與感知設(shè)備。

網(wǎng)關(guān)在這一架構(gòu)中處于核心位置，它不僅完成MODBUS RTU/ASCII與CANopen幀格式之間的轉(zhuǎn)換，還實(shí)現(xiàn)了協(xié)議間的服務(wù)映射，如將MODBUS寄存器映射為CANopen對(duì)象字典條目，從而在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。此外，網(wǎng)關(guān)還具備數(shù)據(jù)緩存、錯(cuò)誤隔離和實(shí)時(shí)日志功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。

3. 接口特性：CANopen主站與從站的角色

CANopen作為主站時(shí)，通常由中央控制器或運(yùn)動(dòng)控制卡承擔(dān)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的初始化、配置和周期性的過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）通信。主站通過(guò)發(fā)送同步幀（SYNC）協(xié)調(diào)各從站設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)奏，保障實(shí)時(shí)控制類數(shù)據(jù)如目標(biāo)位置、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等能夠以極低的抖動(dòng)進(jìn)行傳輸。在手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，主站還需處理緊急事件消息，如某個(gè)關(guān)節(jié)模塊異常，系統(tǒng)需在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)響應(yīng)并進(jìn)入安全狀態(tài)。

CANopen從站則通常對(duì)應(yīng)具體的執(zhí)行單元或智能傳感器。它們接收主站發(fā)來(lái)的控制指令，并實(shí)時(shí)上傳自身狀態(tài)。這些設(shè)備通過(guò)對(duì)象字典實(shí)現(xiàn)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化與訪問(wèn)統(tǒng)一化，支持多種服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）進(jìn)行參數(shù)配置與非周期通信，也支持PDO實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。而經(jīng)由網(wǎng)關(guān)接入的MODBUS設(shè)備，在CANopen網(wǎng)絡(luò)中仍以從站身份出現(xiàn)，但其通信內(nèi)容已被網(wǎng)關(guān)翻譯并整合進(jìn)CANopen通信框架中。

值得注意的是，由于醫(yī)療設(shè)備對(duì)功能安全的嚴(yán)格要求，該網(wǎng)絡(luò)通常還需支持CANopen的安全擴(kuò)展協(xié)議（CANopen Safety），或通過(guò)冗余網(wǎng)關(guān)架構(gòu)進(jìn)一步提升可靠性。

4. 總結(jié)

疆鴻智能MODBUS轉(zhuǎn)CANopen的協(xié)議轉(zhuǎn)換方案，為手術(shù)機(jī)器人這類高要求醫(yī)療設(shè)備提供了一條平滑而可靠的技術(shù)升級(jí)路徑。它既保留了原有MODBUS設(shè)備的資產(chǎn)價(jià)值，又充分發(fā)揮了CANopen在實(shí)時(shí)性、可靠性和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性方面的優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)在復(fù)雜多節(jié)點(diǎn)的醫(yī)療場(chǎng)景中仍能實(shí)現(xiàn)精密控制與高速協(xié)同。未來(lái)，隨著通信協(xié)議的進(jìn)一步融合與邊緣網(wǎng)關(guān)算力的增強(qiáng)，類似的結(jié)構(gòu)仍將是實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)集成與功能進(jìn)化的重要支撐，最終為提升手術(shù)精準(zhǔn)度、保障患者生命安全提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇