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使用NI LabVIEW控制雙重機(jī)器人系統(tǒng)，為中風(fēng)病患提供上肢治療運動
概述：使用NI LabVIEW軟體為2個客制機(jī)器人執(zhí)行耐用的即時控制系統(tǒng)，機(jī)器人透過設(shè)計給治療師使用的使用者介面(UI)來溝通，以協(xié)調(diào)并協(xié)助人類的手臂動作。

機(jī)器人的設(shè)計
智慧氣動手臂運動(iPAM) 是種雙重機(jī)器人系統(tǒng)，用來提供反覆的治療運動給因為中風(fēng)而導(dǎo)致上肢運動有問題者。iPAM 有2 個氣動式機(jī)器人，特色是擁有3 個致動旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以控制笛卡兒空間(Cartesian space) 中機(jī)器人的末端受動器。機(jī)器人貼住上肢的方式就像治療師進(jìn)行運動時抓住手臂一樣：1 個機(jī)器人貼住前臂靠近手腕處，而另1 個則貼住上臂中間處。
此外，矯具(orthoses) 會抓住手臂，然后進(jìn)行3 個被動旋轉(zhuǎn)自由度(DOF)，以確保手臂與機(jī)器人是舒適對齊的。物理治療師會手臂透過機(jī)器人的末端部位進(jìn)行治療動作，然后記錄下這些動作。這套系統(tǒng)會記錄下施加在手臂上的力量大小與機(jī)器人關(guān)節(jié)的運動。之后iPAM 系統(tǒng)便會重復(fù)這項運動，以協(xié)助病患做完完整的動作(如圖1)，而iPAM 提供的協(xié)助程度則可由物理治療師決定。
控制系統(tǒng)
iPAM 機(jī)器人能提供主動力，以協(xié)助人類手臂的運動。所以機(jī)器人能夠有效協(xié)調(diào)，因為錯誤的對齊或是對手臂施加過大的力量會導(dǎo)致疼痛或受傷。為了達(dá)成目標(biāo)，我們開發(fā)了1 種新型控制系統(tǒng)，可以在人類關(guān)節(jié)的DOF 運作，而非機(jī)器人的笛卡兒端點。手臂簡化成1 種擁有6 個DOF 的模型，其中肩膀有5 個DOF (2 種平移動作跟3 種旋轉(zhuǎn)動作)，而手肘則有1 個。因為2 個機(jī)器人可以各控制3 個DOF，所以可以限制上肢的6 個DOF。
人類關(guān)節(jié)的角度不是由iPAM 直接量測，所以角度由人類手臂與相關(guān)的機(jī)器人接觸點位置等已知的運動學(xué)資訊來預(yù)估，這只要針對人類手臂模型進(jìn)行直接反向運動學(xué)公式即可取得。但是這個公式不能處理軟組織介面(皮膚、肌肉與輔具填料) 引起的量測誤差，也不能處理肩膀關(guān)節(jié)的運動奇異位置(kinematic singularity)。
因此我們使用賈氏轉(zhuǎn)置(Jacobian transpose) 方法開發(fā)1 種新型迭代公式，這是根據(jù)手臂的前向運動學(xué)所開發(fā)的，評估起來更容易。重要的是，這個方法很清楚知道有量測誤差與運動奇異位置的存在。為了提供手臂位置的正確評估，控制回路每次反覆運算都會處理50 次反覆的前向運動，控制回路以500 Hz 的頻率運作。這使得即時控制器有很高的運算能力，而且有的即時效能，以力求穩(wěn)定。
將每個機(jī)器人量測的力量轉(zhuǎn)換進(jìn)入上肢協(xié)調(diào)系統(tǒng)，我們便能執(zhí)行進(jìn)入控制(admittance control) 計畫，可以針對特定的上肢關(guān)節(jié)提供協(xié)助。進(jìn)入控制計畫運作的方式是依照治療師設(shè)定的僵硬與阻尼參數(shù)，量測每個人類DOF 的轉(zhuǎn)矩與力量，并調(diào)整目標(biāo)關(guān)節(jié)的位置。
使用高度協(xié)助(設(shè)定為高僵硬程度) 時，機(jī)器人可以高度重現(xiàn)治療師預(yù)設(shè)的動作。這對于幾乎無法進(jìn)行主動動作的病患來說非常適合。降低協(xié)助程度(設(shè)定為較低的僵硬程度) 可以跟預(yù)設(shè)的動作有較多的偏移差距，適合可以進(jìn)行較多主動動作的病患，或是當(dāng)病患的行動性提高時。模型中每個關(guān)節(jié)的協(xié)助程度都可以各自調(diào)整，同時又維持動作的協(xié)調(diào)模式。
執(zhí)行
我們使用LabVIEW Real-time Module與NI介面卡來執(zhí)行iPAM即時控制器，以發(fā)揮其訊號I/O的功能。輸入感測器擁有2個6軸力傳感器(force transducer)、6個非接觸式旋轉(zhuǎn)感測器、3個電位計以量測肩膀位置，以及數(shù)個數(shù)位輸入端子供安全開關(guān)使用。類比輸出訊號能控制12個成對壓力調(diào)節(jié)閥，負(fù)責(zé)在每個機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動低摩擦力的氣動式汽缸?？刂破魍耆且勒諣顟B(tài)運作，讓程式碼符合邏輯、可擴(kuò)充，并容易審查。即時OS讓控制器執(zhí)行，以確保整體系統(tǒng)的可靠度與安全度。
物理治療師使用筆記型電腦做為用戶端，用UI 開啟，提供病患所需的指示、運動提示與成果回饋，以跟iPAM系統(tǒng)介接。該用戶端使用TCP 協(xié)定的乙太網(wǎng)路連結(jié)與即時控制器進(jìn)行異步通訊。UI 的主要元件是工作空間的3D 呈現(xiàn)。使用LabVIEW 的OpenGL 架構(gòu)3D 圖片控制器，可以即時傳送特定任務(wù)的資訊給病患。
即時控制器擁有2 個模組：1 個處理的控制回路，以及1 個可延緩處理的通訊模組，此模組可與筆記型電腦互相傳送及接收資料。即時控制器回路以500 Hz 的頻率運作。這結(jié)合了上肢位置的賈氏評估，以及2 個機(jī)器人使用的笛卡兒位置控制系統(tǒng)。
臨床試驗
我們以2 次小規(guī)模的臨床研究試辦計畫來執(zhí)行iPAM 系統(tǒng)，我們找了26 位因為中風(fēng)而導(dǎo)致手臂損傷的人來參加總長20 小時的機(jī)器人療程。每次療程都會使用大約40 分鐘的機(jī)器人治療。在研究過程中，iPAM 在超過300 個小時的使用時間中協(xié)助進(jìn)行超過13000 種主動動作。病患接受系統(tǒng)的意愿很高，數(shù)名病患在手臂動作方面也有進(jìn)步。在試驗時沒有發(fā)生不利病患的狀況，而且即時控制器在2 次試驗中都維持穩(wěn)定的表現(xiàn)。LabVIEW 環(huán)境的模組化本質(zhì)對本系統(tǒng)的原型制作與開發(fā)非常有利。

使用NI VideoMASTER、labview開發(fā)功能完整，測試快速的Set-Top-Box 自動化測試系統(tǒng)
概述：使用NI VideoMASTER搭配NI-5122示波器，來完成影像測試需求;使用LabVIEW搭配NI-4472或NI-4461來完成聲音測試需求。其他的測試項目，則選擇適當(dāng)?shù)腘I多功能資料擷取模組來快速的整合到測試系統(tǒng)中。在整合多種測試于同一測試平臺上，NI提供了良好的解決方案。

Set-top-box 測試通常包括各類型影像與聲音訊號的輸出訊號品質(zhì)測試，網(wǎng)路測試還有其他各類I/O測試等等。影像訊號包括分析影像于多種不同解析度，多種不同訊號介面(CAV，CVBS，S-Video)，較高階的型號還需要HDMI 或其他數(shù)位介面。常見的測試項目有Average Picture Level(APL)，Bar Line Time，K Factor，Color Bars 等等。聲音訊號測試包括類比和數(shù)位聲音訊號測試，例如SPDIF。常見的測試項目有g(shù)ain，noise level，SNR，THD，THD+N，SINAD 等等。

在癌癥腫瘤醫(yī)療中使用NI、labview 圖形化設(shè)計平臺
概述：使用NI CompactRIO 平臺，LabVIEW 實時模塊，LabVIEW FPGA 模塊開發(fā)一個靈活可靠的控制系統(tǒng)和用戶界面。NI圖形化開發(fā)平臺很好的銜接了從產(chǎn)品設(shè)計、原型驗證到終發(fā)布的整個過程。終的醫(yī)療設(shè)備能夠有效地減少腫瘤治療給病人生理、心理上帶來的不適。

V2 是一種可放置在醫(yī)生的辦公室或者診所里使用儀器，醫(yī)生通過冷凍的方式殺死門診病人的腫瘤，治療過程包括無痛的局部麻醉和實時- 超聲定位病灶，通過一個小切口冷凍和殺死目標(biāo)組織，術(shù)后病人也無需縫針，所以這幾乎是一個無痛的過程，與傳統(tǒng)的用在住院病人身上的外科手術(shù)或者“觀望”治療有著顯著的差別。
公司希望通過V2 的投入市場能夠為乳腺腫瘤治療帶來的推進(jìn)。于是，為了趕上產(chǎn)品發(fā)布的時間表，公司計劃四個月內(nèi)開發(fā)出V2系統(tǒng)工作原型。此外，根據(jù)投資人要求，公司還需盡快的生產(chǎn)V2 以滿足市場的需要。
眾所周知，為設(shè)備編寫固件并開發(fā)一個定制的電路板周期很長，一旦固件或者軟件層出現(xiàn)問題將會導(dǎo)致額外的延遲，這對于整個項目的進(jìn)度是一個不利因素。由于V2是醫(yī)療儀器設(shè)備，它要求設(shè)備不可包含任何有損于系統(tǒng)性能的固件和軟件錯誤。如果設(shè)備不能通過510（k）認(rèn)證所需的消耗性測試，整個項目就會失敗，并且V2 不能投放市場?；谶@些要求，V2 需要一個非常完善且可靠的開發(fā)方案。原計劃中如此短的開發(fā)周期讓V2的開發(fā)幾乎成為了“不可能完成的任務(wù)”。
Sanarus 邀請NI 公司的現(xiàn)場工程師參與方案討論，很快地意識到CompactRIO可以成為終的方案。因為兼有集成IO開發(fā)和編程的特性，可以在很短的時間內(nèi)用它設(shè)計和并驗證V2的功能。事實證明，使用CompactRIO的好處顯而易見——使用定制的方案需要數(shù)月的時間，而NI 的方案只用了幾周時間。

圖1 CompactRIO 作為控制系統(tǒng)核心
此外，由于使用定制的固件，一旦有新的需求會導(dǎo)致繁瑣的更新工作。而使用CompactRIO 的平臺，能夠不費力的修改代碼。另外，用戶交互需要使用觸摸屏而不是鍵盤和L E D 燈，使用LabVIEW圖形化編程可以方便的在Windows下開發(fā)觸摸屏程序。同時，使用LabVIEW的共享變量，能夠簡便地管理圖形用戶界面和CompactRIO 之間的數(shù)據(jù)傳遞。由于開發(fā)平臺非常靈活，在有新的功能需求提出時，開發(fā)進(jìn)程也沒有耽誤。
因為NI 的CompactRIO 通過了EMC 認(rèn)證，這也了在原型驗證的時候無需考慮的EMC 相關(guān)設(shè)計。終發(fā)布的V2系統(tǒng)包含一個運行Windows下LabVIEW程序的觸摸屏電腦。它接受用戶輸入并通過L a b V I E W 共享變量向C o m p a c t R I O 發(fā)送用戶指令。L a b V I E W 實時模塊實現(xiàn)對CompactRIO 實時控制器的控制，通過液氮泵和純阻性加熱部件的PID 控制算法來實現(xiàn)探針溫度的控制。LabVIEW FPGA 用來管理控制這些設(shè)備必要的輸入/ 輸出信號的接口。

圖2 V2 系統(tǒng)的操作界面
經(jīng)過長時間的研究表明，V2 能夠非常有效的殺死良性腫瘤。之后，遍布美國都有的醫(yī)療中心使用V2 系統(tǒng)。NI 幫助Sanarus 快速有效地開發(fā)嵌入式控制系統(tǒng)，提供友好的圖形化界面兼有的品質(zhì)，并且終為安全可靠的醫(yī)治服務(wù)提供了技術(shù)保障。