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:

　　使用圖形化系統設計，設計出動作精準又能正確執行 PDT 療法的機器人。

　　"使用LabVIEW讓機器人動作更加平穩，減少突然的移轉動作，節省了時間，并能做到更好的治療效果。"

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，腫瘤科醫師會根據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、放射治療、化學療法、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生幫助的療法。PDT 這種新技術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。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。因此這項技術要求光束精確地會聚到不正常組織，以發揮更好的療效。

機器人

　　在黎巴嫩大學，我們開發了一種自動化操作機器人，其主要功能包括在執行 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

　　兩種旋轉動作

　　為了做到這 五種動作，指令系統必須產生指令信號，通過電路連接電機驅動器，從而控制五個相應的步進電機。

指揮系統

　　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，由一個中央處理器 (CPU) 和一個DSP組成運動控制器的骨干。

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

電路連接

　　機器頭上有八個光學開關傳感器，可以監測出前方一厘米之內的物品，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，一個向前，另一個向后。所有的傳感器、限位開關、以及電機驅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 軸的電機驅動器與限位開關連接到 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/斷點接線端。此外，一個控制桿使系統使用起來更便利。參數隨時可以修改，系統隨時可以被暫停，激光頭的位置也可以調整。一條SH68‑C68‑S 連接線將電機控制器與UMI-7764相連。

軟件開發

　　我們將機器人配置簡化成 2D 應用，并使用LabVIEW仿真動作，作為開發軟件的第一步。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就是先讀取傳感器的狀態(開或關)，然后定義機器頭的動作。

NI產品的優點

　　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的過程。此外，LabVIEW 擁有大量函數庫，包含了多種用途的子VI(例如 FlexMotion)，這類子VI已經在我們的軟件中廣泛使用了。

　　PCI-7334 運動控制器提供了最復雜的運動控制應用中所需的性能與執行確定性，可以做到完成指令、同步、I/O、以及系統監督。使用LabVIEW讓機器人動作更加平穩，減少突然的移轉動作，節省了時間，并能做到更好的治療效果。