基于 PLC 的中醫(yī)按摩機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

引 言

我國的中醫(yī)歷史悠久，對亞健康疾病患者的治療很有療效。各大商場和公共場所購進(jìn)了大批的按摩椅，但是這些按摩椅手法單一，不能夠起到很好的治療作用。這就促使了人們對具有良好按摩性能的康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究。結(jié)合計(jì)算機(jī)、機(jī)電傳動、自動控制等多種技術(shù)研究基于原始點(diǎn)按摩療法的按摩機(jī)器人，緩解了當(dāng)前中醫(yī)按摩資源相對匱乏、人們?nèi)找骊P(guān)注的亞健康狀況及相關(guān)的疾病。

1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按摩機(jī)器人有 3 個(gè)自由度，采用龍門式機(jī)械結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行 X，Y，Z 三個(gè)軸方向的步進(jìn)運(yùn)動控制 [1]。按摩機(jī)器人主要由 3 個(gè)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動器、傳感器、PLC 控制器、按摩頭、按摩臺、傳動絲杠、光杠等組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用仿機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了軸向運(yùn)動的精確性，該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)見圖 1。

2 控制系統(tǒng)工作原理

中醫(yī)按摩機(jī)器人通過攝像頭的反饋來手動調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動軸的控制，結(jié)合患者體型的不同，對照原始點(diǎn)按摩療法尋找穴位，控制按摩頭實(shí)現(xiàn)精確找點(diǎn) ；還可以通過調(diào)節(jié)力度、溫度、振動大小等參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同的治療方案，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)通信 [2-5] 傳輸?shù)?PLC 中，并實(shí)時(shí)地顯示在觸摸屏上，從而實(shí)現(xiàn)按摩機(jī)器人 X，Y，Z 三軸的精確控制。圖 2 為按摩機(jī)器人的系統(tǒng)組成。

3 系統(tǒng)的硬件接線

PLC 選擇的是西門子 S7-200SMART 系列的 ST30。PLC是西門子標(biāo)準(zhǔn)的晶體管輸出的 CPU，集成 3 路高速脈沖輸出， 支持 100 kHz 的 PTO 輸出模式 [1]，控制所有的伺服驅(qū)動器。Q0.0，Q0.1，Q0.2 產(chǎn)生 3 軸的高速脈沖信號和方向控制信號。由于 PLC 輸出的電壓為 24 V，需要串聯(lián) 1 kΩ 電阻才能連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。系統(tǒng)的電氣連接圖如圖 3 所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過 PLC 產(chǎn)生的高低電平信號進(jìn)行方向的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。設(shè)定脈沖量實(shí)現(xiàn)速度的控制，可以采用手動控制模式，實(shí)現(xiàn)上下、左右、前后的點(diǎn)動，通過 X，Y，Z 三軸的限位傳感器進(jìn)行限位。人機(jī)界面采用 MCGS 觸摸屏軟件 [6-7] 進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了按摩器手法的切換、力度的調(diào)整、振動和加熱的設(shè)置、時(shí)間的顯示等功能?？刂葡到y(tǒng)的上位機(jī)主界面如圖 4 所示。

5 結(jié) 語

本文主要介紹中醫(yī)按摩機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)的控制部分，利用 PLC 控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作，通過步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)精確控制 ；上位機(jī)軟件采用 MCGS 觸摸屏進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡單易操作。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證分析，中醫(yī)按摩機(jī)器人效果良好。