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针刺手法量化机器手的设计及分析

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摘要:为了能够推动针刺手法的传承以及促进针刺作用机理的研究,使机器手实现针刺手法量化,设计了能够模拟中医针刺手法中提插和捻转操作的机器针刺手:以TMS320F28335型数字信号处理器(DSP)为核心控制器,控制伺服电机旋转,带动针刺手完成针刺动作;采用LabVIEW上位机开发软件,量化针刺操作过程的主要参数,并通过上位机软件进行设定。针刺手能够根据上位机所设定动作澳门葡京娱乐手机版和动作参数准确完成针刺动作,并实现对针刺捻转补法、捻转泻法和提插手法等基本针刺手法的模拟及量化。

关键词:针刺;手法量化;机器手

0引言

对针刺作用机理的研究是推动针灸学发展的重要内容。然而,长期以来,针灸操作缺乏直观性、量化性以及可重复性,使得针刺作用的输入信息具有不确定性。目前,有2种方法能够定量刻画针刺手法对于机体的刺激信号:1)专业针灸医生操作针刺针作用于针刺手法参数测定仪上,该测定仪通过其内部传感器检测针刺针的位置变化并记录[1,2],该方法可靠性高但大幅增加了成本,且无法保证每次的施针手法完全相同,随机性强;2)建立针刺作用下的神经元模型,通过模型的放电信息估计神经元模型的参数进而估计输入信息[3],该方式具有一定的理论基础,但很难对其估计出的真实刺激信息的准确程度进行判断。虽然针刺手法的量化是针刺作用机理研究的基础,但目前在该领域仍没有一种仪器设备能够准确量化针刺手法并定量执行针刺动作。本文设计了一种用于执行针刺操作中基本的提插和捻转手法的机器针刺手,并以TI公司的TMS320F28335系列数字信号处理器[4](digitalsignalprocessor,DSP)作为控制器,以及NI公司的LabVIEW开发环境开发上位机软件[5],设计并实现了针刺手法量化机器手。

1系统整体组成与硬件电路设计

1.1系统整体组成针刺手法量化机器手系统总体示意如图1所示,主要由上位机软件、控制器及其外围电路、伺服系统和针刺手机械结构组成。上位机软件与控制器之间通过串口的方式进行通信,将控制信息发送至控制器。控制器对所接收到的控制信息进行识别、判断并发送控制信号,控制信号经信号放大后驱动伺服系统带动针刺手执行针刺动作。

1.2硬件电路设计采用的核心控制器TMS320F28335型DSP的外围电路包括电源电路、JTAG仿真接口电路、串口驱动电路和信号放大电路。为避免在上电或掉电时28335DSP控制器芯片内核与外部I/O模块之间产生电流,需采用独立电源供电结构,且尽量消除内核电源1.9V与I/O模块电源3.3V之间的时间延时。本文采用双路输出低压差电压调整器TPS767D301芯片作为电源供给模块。

2系统软件设计

2.1DSP程序设计本文采用串口通信方式进行DSP[6]与上位机之间的通信,选用ePWM1和ePWM2模块分别产生2路波形互补、频率可调的PWM信号,以及通用GPIO端口发送方向和使能信号。DSP软件程序流程包括DSP主程序和中断服务子程序。主程中,DSP首先对系统进行初始化,并初始化中断向量,进入等待状态,直到接收到由上位机发来的指令信号,DSP响应中断服务子程序,并提取指令信号所携带的信息。在中断服务子程序中,首先保护现场,判断指令所对应的针刺动作澳门葡京娱乐手机版,动作澳门葡京娱乐手机版确定后,根据速度、距离、方向等信息配置捻转电机和提插电机的脉冲频率、方向信号等相关参数并使能脉冲输出,此时机器手便开始执行针刺动作,DSP进入循环等待状态,直到相应定时器定时时间溢出,DSP清空使能信号,一次针刺动作执行完成,恢复现场,DSP返回至等待接收信号状态。

2.2LabVIEW上位机软件设计实际针灸操作的补泻手法与作用力的大小具有直接的关系。捻转操作时,幅度小,频率高,捻转限度为1/2转,频率在50~60次/min之间为泻法,捻转补泻手法持续的最佳时间为1~3min;对于提插补泻手法,急(重)插慢(轻)提3~5次,出针后急按针穴为补法;慢(轻)插急(重)提3~5次,出针后不按针穴为泻法,缓慢的均匀提插,出针后揉按针穴为平补平泻[7,8]。根据上述针刺相关参数信息,本文设计了针刺机器手的动作澳门葡京娱乐手机版,如图4所示,包括手动调节,手动提、插,自动提插,单向捻转,双向捻转以及捻转进针和捻转出针。手动调节的作用时调整针刺针的上下位置,为执行针刺动作做准备,包括向上粗调和微调,向下粗调和微调;手动提与手动插是指机器手根据所配置的距离和速度执行单次提或者插动作;自动提插是机器手根据所设定的插速、提速、提插距离,以及提插动作执行的次数和2次提插动作之间的时间间隔,自动完成1组提插手法针刺动作;单向捻转是机器手根据所设定速度与周数单方向完成1次捻转操作;双向捻转是机器手根据所设定的左捻周数和右捻周数,左捻速度和右捻速度,以及2次捻转操作的时间间隔和捻转的次数自动完成1组捻转手法针刺动作;捻转进针和捻转出针是指机器手根据进针或出针距离、速度和捻转速度,完成1次边捻转边进针或出针的动作。

3系统测试与实验结果

利用控制界面及伺服监控系统软件分别测试了针刺手的提插动作、捻转动作和捻转进/出针动作。控制界面设定参数与伺服监控软件的参数对比表明,上位机及控制系统能够准确将电机动作信息传递给伺服系统,且针刺机器手能够准确根据设定参数模拟提插、捻转和旋转进/出针等针刺手法。经过反复实验,针刺机器手动作准确度稳定。

4结束语

本文将伺服控制系统应用于中医针刺作用机理研究领域,设计了能够模拟针刺提插与捻转手法的机器手以及针刺手运动控制系统,并采用DSP控制器实现了对针刺机器手动作澳门葡京娱乐手机版及参数的控制,完成了对几种基本针刺手法的模拟与量化。以捻转手法为例采集了针刺机器手执行针刺动作过程中针刺针旋转速度参数,并进行了分析,为进一步量化针刺输入信息提供了依据。在当前针刺操作缺乏直观性、量化性和可重复性的背景下,为针刺作用机理的研究提供了一种能够定量执行针刺操作的智能化的针刺手。

作者:邓斌;马明宇;王江;杨双鸣 单位:天津大学电气自动化与信息工程学院

机器人产业杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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