運用圖形化系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)用于癌癥治療的機器人

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:
開發(fā)自動化操作機器人，為癌癥病人進行光動力療法 (PDT)治療。

The Solution:
使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計出動作精準又能正確執(zhí)行 PDT 療法的機器人。

 
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使用NI LabVIEW精確控制用于光動力療法癌癥病人的機器手臂

治療癌癥時，腫瘤科醫(yī)師會根據(jù)腫瘤的類型與早晚期，從幾種療法中挑選適合的。目前最常見的療法是光動力療法、手術(shù)、放射治療、化學(xué)療法、荷爾蒙療法及免疫療法。

PDT 是一種特殊的光線療法，“光線療法”一詞泛指所有運用光線對病人的身體產(chǎn)生幫助的療法。PDT 這種新技術(shù)能夠在不傷害正常組織的情況下殺死有問題的組織。

進行 PDT 療法時，將一種稱作光敏感劑的藥物注射入病人體內(nèi)。光敏感劑本身是無害的，對健康或不正常的組織都不會造成影響。但是，如果用激光照射涂有光敏感劑的組織時，光敏感劑就會被活化，只要受到光照射的組織就會很快地被殺死。因此這項技術(shù)要求光束精確地會聚到不正常組織，以發(fā)揮更好的療效。

機器人
在黎巴嫩大學(xué)，我們開發(fā)了一種自動化操作機器人，其主要功能包括在執(zhí)行 PDT 療法時快速掃過病人的皮膚。機器人會以圓形或橢圓形等幾何圖形的方式移動激光頭，將其對準病人的患處以摧毀腫瘤。

要在病人的身體上畫出幾何圖形需要5種動作：

3 種平移操作
其中Z方向用于垂直控制用于治療的激光頭
兩種旋轉(zhuǎn)動作
為了做到這 五種動作，指令系統(tǒng)必須產(chǎn)生指令信號，通過電路連接電機驅(qū)動器，從而控制五個相應(yīng)的步進電機。

指揮系統(tǒng)
National Instruments LabVIEW直接控制四個步進電機 (X、Y、θ 與 Φ)；第五個電機 (Z) 則由 Microchip Technology PICmicro 微控制器來控制。NI PCI-7334運動控制器使用雙控制器架構(gòu)，由一個中央處理器 (CPU) 和一個DSP組成運動控制器的骨干。

在運動控制器的驅(qū)動軟件方面，PCI-7334 使用 NI LabVIEW 編程與 Measurement & Automation Explorer (MAX)中的設(shè)置相結(jié)合，產(chǎn)生指令信號以轉(zhuǎn)動電機。在MAX設(shè)置中，我們使用CW/CCW脈沖步進輸出設(shè)置；第一個輸出在順時鐘移動時產(chǎn)生CW脈沖，第二個輸出在逆時針移動時產(chǎn)生CCW脈沖。

電路連接
機器頭上有八個光學(xué)開關(guān)傳感器，可以監(jiān)測出前方一厘米之內(nèi)的物品，從而得知傳感器與下方表面的距離。

為了保護運動系統(tǒng)不受其他物體損壞，也為了檢測軌跡限制，每個軸都使用了 兩 個實體限位開關(guān)，一個向前，另一個向后。所有的傳感器、限位開關(guān)、以及電機驅(qū)動器都通過可以通過NI UMI-7764運動接口模塊直接連接到 PCI-7334上。

X、Y、θ 與 Φ 軸的電機驅(qū)動器與限位開關(guān)連接到 UMI-7764 的四個運動I/O接線端。為了確保五個軸同步移動，第一和第三個UMI-7764斷點(breakpoints)作為輸入端與第五個電機(Z軸)的微控制器相連。四個傳感器連到UMI-7764的模擬輸入接線端，其它的傳感器則連到觸發(fā)/斷點接線端。此外，一個控制桿使系統(tǒng)使用起來更便利。參數(shù)隨時可以修改，系統(tǒng)隨時可以被暫停，激光頭的位置也可以調(diào)整。一條SH68‑C68‑S 連接線將電機控制器與UMI-7764相連。

軟件開發(fā)
我們將機器人配置簡化成 2D 應(yīng)用，并使用LabVIEW仿真動作，作為開發(fā)軟件的第一步。然后用同樣的方法將其推廣運用到 3D 問題上。最終操作機器人軟件的核心就是3D仿真的程序，只不過增加了讀取實際的傳感器信號并控制實際的電機。

這些程序的主要任務(wù)就是先讀取傳感器的狀態(tài)（開或關(guān)），然后定義機器頭的動作。

NI產(chǎn)品的優(yōu)點
與基于文本的編程語言不同的是，LabVIEW使用圖標代替文字，大大簡化了軟件開發(fā)的過程。此外，LabVIEW 擁有大量函數(shù)庫，包含了多種用途的子VI(例如 FlexMotion)，這類子VI已經(jīng)在我們的軟件中廣泛使用了。

PCI-7334 運動控制器提供了最復(fù)雜的運動控制應(yīng)用中所需的性能與執(zhí)行確定性，可以做到完成指令、同步、I/O、以及系統(tǒng)監(jiān)督。使用LabVIEW讓機器人動作更加平穩(wěn)，減少突然的移轉(zhuǎn)動作，節(jié)省了時間，并能做到更好的治療效果。