运用图形化系统设计开发用于癌症治疗的机器人

Author(s):
Assad Kallassy - Lebanese University - Second Branch
Georges Issa - Lebanese University - Second Branch
Houssam Bitar - Lebanese University - Second Branch

Industry:
Biotechnology, Research, Education

Products:
Motion Control, UMI-7764, PXI/CompactPCI, LabVIEW, PXI-7334

The Challenge:
开发自动化操作机器人，为癌症病人进行光动力疗法 (PDT)治疗。

The Solution:
使用图形化系统设计，设计出动作精准又能正确执行 PDT 疗法的机器人。

 
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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。

NI产品的优点
与基于文本的编程语言不同的是，LabVIEW使用图标代替文字，大大简化了软件开发的过程。此外，LabVIEW 拥有大量函数库，包含了多种用途的子VI(例如 FlexMotion)，这类子VI已经在我们的软件中广泛使用了。

PCI-7334 运动控制器提供了最复杂的运动控制应用中所需的性能与执行确定性，可以做到完成指令、同步、I/O、以及系统监督。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。