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【兆恒机械】运用图形化系统设计开发医疗用机器人

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  • 添加日期:2021年12月15日

运用图形化系统设计开发用于癌症治疗的机器人,"使用LabVIEW让机器人动作更加平稳,减少突然的移转动作,节省了时间,并能做到更好的治疗效果。"

使用NI LabVIEW精确控制用于光动力疗法癌症病人的机器手臂。

    治疗癌症时,肿瘤科医师会根据肿瘤的类型与早晚期,从几种疗法中挑选适合的。目前最常见的疗法是光动力疗法、手术、放射治疗、化学疗法、荷尔蒙疗法及免疫疗法。

  PDT 是一种特殊的光线疗法,“光线疗法”一词泛指所有运用光线对病人的身体产生帮助的疗法。PDT 这种新技术能够在不伤害正常组织的情况下杀死有问题的组织。

  进行 PDT 疗法时,将一种称作光敏感剂的药物注射入病人体内。光敏感剂本身是无害的,对健康或不正常的组织都不会造成影响。但是,如果用激光照射涂有光敏感剂的组织时,光敏感剂就会被活化,只要受到光照射的组织就会很快地被杀死。因此这项技术要求光束精确地会聚到不正常组织,以发挥更好的疗效。

  机器人

  在黎巴嫩大学,我们开发了一种自动化操作机器人,其主要功能包括在执行 PDT 疗法时快速扫过病人的皮肤。机器人会以圆形或椭圆形等几何图形的方式移动激光头,将其对准病人的患处以摧毁肿瘤。

  要在病人的身体上画出几何图形需要5种动作:

  3 种平移操作

  其中Z方向用于垂直控制用于治疗的激光头

  两种旋转动作

  为了做到这 五种动作,指令系统必须产生指令信号,通过电路连接电机驱动器,从而控制五个相应的步进电机。

  指挥系统

  National Instruments LabVIEW直接控制四个步进电机 (X、Y、θ 与 Φ);第五个电机 (Z) 则由 Microchip Technology PICmicro 微控制器来控制。NI PCI-7334运动控制器使用双控制器架构,由一个中央处理器 (CPU) 和一个DSP组成运动控制器的骨干。

  在运动控制器的驱动软件方面,PCI-7334 使用 NI LabVIEW 编程与 Measurement & Automation Explorer (MAX)中的设置相结合,产生指令信号以转动电机。在MAX设置中,我们使用CW/CCW脉冲步进输出设置;第一个输出在顺时钟移动时产生CW脉冲,第二个输出在逆时针移动时产生CCW脉冲。

  电路连接

  机器头上有八个光学开关传感器,可以监测出前方一厘米之内的物品,从而得知传感器与下方表面的距离。

  为了保护运动系统不受其他物体损坏,也为了检测轨迹限制,每个轴都使用了 两 个实体限位开关,一个向前,另一个向后。所有的传感器、限位开关、以及电机驱动器都通过可以通过NI UMI-7764运动接口模块直接连接到 PCI-7334上。

  X、Y、θ 与 Φ 轴的电机驱动器与限位开关连接到 UMI-7764 的四个运动I/O接线端。为了确保五个轴同步移动,第一和第三个UMI-7764断点(breakpoints)作为输入端与第五个电机(Z轴)的微控制器相连。四个传感器连到UMI-7764的模拟输入接线端,其它的传感器则连到触发/断点接线端。此外,一个控制杆使系统使用起来更便利。参数随时可以修改,系统随时可以被暂停,激光头的位置也可以调整。一条SH68 C68 S 连接线将电机控制器与UMI-7764相连。

  软件开发

  我们将机器人配置简化成 2D 应用,并使用LabVIEW仿真动作,作为开发软件的第一步。然后用同样的方法将其推广运用到 3D 问题上。最终操作机器人软件的核心就是3D仿真的程序,只不过增加了读取实际的传感器信号并控制实际的电机。

  这些程序的主要任务就是先读取传感器的状态(开或关),然后定义机器头的动作。