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

機器人的設計
智慧氣動手臂運動(iPAM) 是種雙重機器人系統(tǒng)，用來提供反覆的治療運動給因為中風而導致上肢運動有問題者。iPAM 有2 個氣動式機器人，特色是擁有3 個致動旋轉關節(jié)，可以控制笛卡兒空間(Cartesian space) 中機器人的末端受動器。機器人貼住上肢的方式就像治療師進行運動時抓住手臂一樣：1 個機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，然后進行3 個被動旋轉自由度(DOF)，以確保手臂與機器人是舒適對齊的。物理治療師會手臂透過機器人的末端部位進行治療動作，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器人關節(jié)的運動。之后iPAM 系統(tǒng)便會重復這項運動，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 機器人能提供主動力，以協(xié)助人類手臂的運動。所以機器人能夠有效協(xié)調，因為錯誤的對齊或是對手臂施加過大的力量會導致疼痛或受傷。為了達成目標，我們開發(fā)了1 種新型控制系統(tǒng)，可以在人類關節(jié)的DOF 運作，而非機器人的笛卡兒端點。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 種旋轉動作)，而手肘則有1 個。因為2 個機器人可以各控制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的機器人接觸點位置等已知的運動學資訊來預估，這只要針對人類手臂模型進行直接反向運動學公式即可取得。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，也不能處理肩膀關節(jié)的運動奇異位置(kinematic singularity)。
因此我們使用賈氏轉置(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。
將每個機器人量測的力量轉換進入上肢協(xié)調系統(tǒng)，我們便能執(zhí)行進入控制(admittance control) 計畫，可以針對特定的上肢關節(jié)提供協(xié)助。進入控制計畫運作的方式是依照治療師設定的僵硬與阻尼參數(shù)，量測每個人類DOF 的轉矩與力量，并調整目標關節(jié)的位置。
使用高度協(xié)助(設定為高僵硬程度) 時，機器人可以高度重現(xiàn)治療師預設的動作。這對于幾乎無法進行主動動作的病患來說非常適合。降低協(xié)助程度(設定為較低的僵硬程度) 可以跟預設的動作有較多的偏移差距，適合可以進行較多主動動作的病患，或是當病患的行動性提高時。模型中每個關節(jié)的協(xié)助程度都可以各自調整，同時又維持動作的協(xié)調模式。
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使用。類比輸出訊號能控制12個成對壓力調節(jié)閥，負責在每個機器人的關節(jié)驅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)定的乙太網路連結與即時控制器進行異步通訊。UI 的主要元件是工作空間的3D 呈現(xiàn)。使用LabVIEW 的OpenGL 架構3D 圖片控制器，可以即時傳送特定任務的資訊給病患。
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。這結合了上肢位置的賈氏評估，以及2 個機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 位因為中風而導致手臂損傷的人來參加總長20 小時的機器人療程。每次療程都會使用大約40 分鐘的機器人治療。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)境的模組化本質對本系統(tǒng)的原型制作與開發(fā)非常有利。

在使用NI產品之前，我們已經評估過多款系統(tǒng)，希望取代傳統(tǒng)的生產ATE平臺。 我們也希望能夠盡快使用現(xiàn)成技術，以此降低自定制解決方案的成本。 我們的測試平臺也具有足夠的靈活性，來滿足自定制MEMS測試需求，且無需犧牲任何儀器速度或性能。
NI的PXI平臺具備的測試功能，可解決我們所面臨的難題。 作為開放性的標準，PXI 10多年來已在各個行業(yè)中得到普及。 PXI具備的靈活度與模塊化特性，可開發(fā)我們所需的MEMS測試系統(tǒng)，并隨時重新設定以滿足多樣的測試需求。 若要在多個地點進行測試，我們只要插入更多模塊，無需變更現(xiàn)有軟件，即可復制測試資源，從而根據(jù)傳輸量需求來隨時調整設備。
針對現(xiàn)有工具，軟件環(huán)境也要能輕松建立操作、數(shù)據(jù)與編程設計界面，從而將新的ATE系統(tǒng)整合到產線中。 LabVIEW軟件已廣泛用于我們的特性描述與設計實驗室，并可解決相關難題。 我們本來也考慮使用ANSI C或C++作為測試軟件，但在測試過LabVIEW的多項功能后，我們對LabVIEW的性能及其多核心技術印象深刻。

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：使用NI現(xiàn)成技術的主要優(yōu)勢
以PXI與LabVIEW所構建的MEME生產測試系統(tǒng)，已大幅降低了設備成本、體積、重量與耗電量。
節(jié)約成本：
與PXI新系統(tǒng)的總成本相比，先前ATE系統(tǒng)的基本設置成本即已超出了許多。 PXI系統(tǒng)所占據(jù)的空間也很少。 事實上，整個系統(tǒng)的精巧體積，僅需常見的手推車即可搬運。
減少所占地面積：
基于PXI的ATE新系統(tǒng)，可大幅節(jié)省廠房空間。 系統(tǒng)體積小到我們可以用手推車搬運，可省下更多廠房空間。
更小、更簡單易用的系統(tǒng)：