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NI运用图形化系统设计开发用于癌症治疗的 机器人.doc
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2023-07-11
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NI运用图形化系统设计开发用于癌症治疗的 机器人.doc
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NI 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。"
- Assad Kallassy, Lebanese University - Second Branch
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。
使用 NI LabVIEW 精确 控制用于光动力疗
法 癌症病人的机器手 臂。
Author (s):
Assad Kallassy - Lebanese University - Second Branch
Houssam Bitar - Lebanese University - Second Branch
Georges Issa - Lebanese University - Second Branch
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。
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omyligaga
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