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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。控制器完全是依照狀態(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(wǎng)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。

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?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gain，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品設計、原型驗證到終發(fā)布的整個過程。終的醫(yī)療設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組織，術后病人也無需縫針，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。于是，為了趕上產品發(fā)布的時間表，公司計劃四個月內開發(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V2 以滿足市場的需要。
眾所周知，為設備編寫固件并開發(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)問題將會導致額外的延遲，這對于整個項目的進度是一個不利因素。由于V2是醫(yī)療儀器設備，它要求設備不可包含任何有損于系統(tǒng)性能的固件和軟件錯誤。如果設備不能通過510（k）認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”。
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用它設計和并驗證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)進程也沒有耽誤。
因為NI 的CompactRIO 通過了EMC 認證，這也了在原型驗證的時候無需考慮的EMC 相關設計。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，并且終為安全可靠的醫(yī)治服務提供了技術保障。