基于LabVIEW的康复医疗机械臂的设计研究.docx

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基于LabVIEW的康复医疗机械臂的设计研究

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摘要：针对病人的远程治疗以及实时观察的需要，基于LabVIEW的康复医疗机械臂以STC12C5A60S2单片机和PCA9685组成硬件核心，选用舵机作为机械臂的电机，以LabVIEW为软件开发平台，通过VISA串口实现LabVIEW与单片机相互通信，以及使用VISION对图像进行视频采集，利用TCP/IP协议在同一个局域网内操控和观察，同时用3D模型机械臂辅助多角度观察机械臂，达到了实时治疗和控制观察的效果。本设计支持在局域网进行视频通信和控制，有手动和自动两种模式可供选择、3D机械臂模型辅助观察。

关键词：PCA9685;I2C总线;LabVIEW;TCP/IP;VISION;VISA串口通信

前言

基于LabVIEW的康复医疗机械臂有控制精确度高、操作灵活简单、远程组网操控等优点，患者可以在家中根据医生的远程设定自行进行康复锻炼;医生则可以根据不同患者的治疗情况，及时地调整康复方案。该系统的应用，不仅可以提高医生的工作效率，而且极大地方便了广大上肢需要康复治疗病人。

本设计支持多种被动康复训练模式，可以通过服务端界面实现对患者肢关节的手动控制;也可以储存一些简单的康复训练动作，反复执行这些动作;在同一局域网间进行康复医疗控制，大大解放了空间和时间的限制;同时在服务端界面可以观察到与实验机械臂相似的3D机械臂模型，有助于医疗师多角度的观察机械臂的运作情况;服务端和客户端之间通过TCP/IP进行视频通信，有利于医疗师的实时观察，还可拍照记录康复进度，这些信息可在医疗师的服务端上查看。

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基于LabVIEW的康复医疗机械臂的整体结构

基于LabVIEW的康复医疗机械臂整体结构框图如图1所示，系统由LabVIEW上位机，STC12C5A60S2单片机和PCA9685模块和MPU6050模块组成。服务端通过TCP/IP协议将角度发送到客户端，同时3D模型机械臂也将根据角度运作，客户端通过VISA串口将角度传到单片机，单片机驱动PCA9685模块控制机械臂按照医师设定的角度范围进行康复医疗，同时客户端将采集到的患者情况用视频传回给服务端。服务端可对患者情况进行图像保存，机械臂的角度范围可自由选择，也可通过模式切换开关将机械臂切换到手动模式，更好的观察患者的病情并设计出更好的医疗方案。

图1基于LabVIEW的康复医疗机械臂整体结构框图

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基于LabVIEW的康复医疗机械臂的硬件设计

2.1机械结构的选择

图2医疗机械臂模型实物图

医疗机械臂机械结构模型选购于网上，其设计理念来源于ABB码垛机器人，原理结构基本相同，运动范围度、扭力大于同级其他机械臂。机架材质选用加厚硬质合金数控加工而成，抗曲性较强。6个运动关节均采用优质轴承链接，性能优良。机械结构模型后加有主控板固定底座。手臂底座采用优质全钢大轴承固定，底座固定机臂运动不易摇晃，承重性能优良。

2.2驱动电机的选择

在驱动电机选择上，选用了MG996Ｒ型号的舵机作为驱动电机，考虑有以下:

第一、MG996Ｒ舵机拥有金属齿轮，耐磨性高。

第二、扭矩大。在4.8V的驱动电压下，扭矩可达13.00Kg.cm，足以驱动手臂的重量。

第三、精度高。拥有1024个位置等级，可控角度精度可以达到小数点后一位。

2.3舵机脉冲宽度调制驱动分析

2.3.1脉冲宽度调制技术的定义

脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)，在脉冲宽度调制中，矩形波的高电平时间跟周期的比例叫占空比，例如1秒高电平1秒低电平的PWM波占空比是50%。

2.3.2舵机PWM信号协议

舵机的伺服系统由可变宽度的脉冲来进行控制，控制线是用来传送脉冲的。脉冲的参数有最小值，最大值和频率。一般而言，舵机的基准信号都是周期为20ms，宽度为1.5ms的PWM信号。这个基准信号定义的位置为中间位置。舵机有最大转动角度，中间位置的定义就是从这个位置到最大角度与最小角度的量完全一样。不同舵机的最大转动角度可能不相同，但其中间位置的脉冲宽度是1.5ms。如下图3所示:

图31.5ms的脉冲宽度

角度是由来自控制线的持续的脉冲所产生。脉冲宽度的长短决定舵机转动多大角度。例如1.5ms的脉冲会到转动到中间位置。当控制系统发出指令，让舵机移动到某一位置，并让它保持这个角度，因为舵机中存在角度闭环反馈，这时即使外力的影响让舵机的角度产生变化，舵机也会马上回到指定的角度。当控制系统连续的发出脉冲稳定舵机的角度