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使用NI LabVIEW控制雙重機(jī)器人系統(tǒng)，為中風(fēng)病患提供上肢治療運(yùn)動(dòng)
概述：使用NI LabVIEW軟體為2個(gè)客制機(jī)器人執(zhí)行耐用的即時(shí)控制系統(tǒng)，機(jī)器人透過設(shè)計(jì)給治療師使用的使用者介面(UI)來溝通，以協(xié)調(diào)并協(xié)助人類的手臂動(dòng)作。

機(jī)器人的設(shè)計(jì)
智慧氣動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)(iPAM) 是種雙重機(jī)器人系統(tǒng)，用來提供反覆的治療運(yùn)動(dòng)給因?yàn)橹酗L(fēng)而導(dǎo)致上肢運(yùn)動(dòng)有問題者。iPAM 有2 個(gè)氣動(dòng)式機(jī)器人，特色是擁有3 個(gè)致動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，可以控制笛卡兒空間(Cartesian space) 中機(jī)器人的末端受動(dòng)器。機(jī)器人貼住上肢的方式就像治療師進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)抓住手臂一樣：1 個(gè)機(jī)器人貼住前臂靠近手腕處，而另1 個(gè)則貼住上臂中間處。
此外，矯具(orthoses) 會(huì)抓住手臂，然后進(jìn)行3 個(gè)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)自由度(DOF)，以確保手臂與機(jī)器人是舒適對齊的。物理治療師會(huì)手臂透過機(jī)器人的末端部位進(jìn)行治療動(dòng)作，然后記錄下這些動(dòng)作。這套系統(tǒng)會(huì)記錄下施加在手臂上的力量大小與機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。之后iPAM 系統(tǒng)便會(huì)重復(fù)這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，以協(xié)助病患做完完整的動(dòng)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(jī)器人能提供主動(dòng)力，以協(xié)助人類手臂的運(yùn)動(dòng)。所以機(jī)器人能夠有效協(xié)調(diào)，因?yàn)殄e(cuò)誤的對齊或是對手臂施加過大的力量會(huì)導(dǎo)致疼痛或受傷。為了達(dá)成目標(biāo)，我們開發(fā)了1 種新型控制系統(tǒng)，可以在人類關(guān)節(jié)的DOF 運(yùn)作，而非機(jī)器人的笛卡兒端點(diǎn)。手臂簡化成1 種擁有6 個(gè)DOF 的模型，其中肩膀有5 個(gè)DOF (2 種平移動(dòng)作跟3 種旋轉(zhuǎn)動(dòng)作)，而手肘則有1 個(gè)。因?yàn)? 個(gè)機(jī)器人可以各控制3 個(gè)DOF，所以可以限制上肢的6 個(gè)DOF。
人類關(guān)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(guān)的機(jī)器人接觸點(diǎn)位置等已知的運(yùn)動(dòng)學(xué)資訊來預(yù)估，這只要針對人類手臂模型進(jìn)行直接反向運(yùn)動(dòng)學(xué)公式即可取得。但是這個(gè)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(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)奇異位置(kinematic singularity)。
因此我們使用賈氏轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)所開發(fā)的，評估起來更容易。重要的是，這個(gè)方法很清楚知道有量測誤差與運(yùn)動(dòng)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(yùn)算都會(huì)處理50 次反覆的前向運(yùn)動(dòng)，控制回路以500 Hz 的頻率運(yùn)作。這使得即時(shí)控制器有很高的運(yùn)算能力，而且有的即時(shí)效能，以力求穩(wěn)定。
將每個(gè)機(jī)器人量測的力量轉(zhuǎn)換進(jìn)入上肢協(xié)調(diào)系統(tǒng)，我們便能執(zhí)行進(jìn)入控制(admittance control) 計(jì)畫，可以針對特定的上肢關(guān)節(jié)提供協(xié)助。進(jìn)入控制計(jì)畫運(yùn)作的方式是依照治療師設(shè)定的僵硬與阻尼參數(shù)，量測每個(gè)人類DOF 的轉(zhuǎn)矩與力量，并調(diào)整目標(biāo)關(guān)節(jié)的位置。
使用高度協(xié)助(設(shè)定為高僵硬程度) 時(shí)，機(jī)器人可以高度重現(xiàn)治療師預(yù)設(shè)的動(dòng)作。這對于幾乎無法進(jìn)行主動(dòng)動(dòng)作的病患來說非常適合。降低協(xié)助程度(設(shè)定為較低的僵硬程度) 可以跟預(yù)設(shè)的動(dòng)作有較多的偏移差距，適合可以進(jìn)行較多主動(dòng)動(dòng)作的病患，或是當(dāng)病患的行動(dòng)性提高時(shí)。模型中每個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)助程度都可以各自調(diào)整，同時(shí)又維持動(dòng)作的協(xié)調(diào)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(shí)控制器，以發(fā)揮其訊號(hào)I/O的功能。輸入感測器擁有2個(gè)6軸力傳感器(force transducer)、6個(gè)非接觸式旋轉(zhuǎn)感測器、3個(gè)電位計(jì)以量測肩膀位置，以及數(shù)個(gè)數(shù)位輸入端子供安全開關(guān)使用。類比輸出訊號(hào)能控制12個(gè)成對壓力調(diào)節(jié)閥，負(fù)責(zé)在每個(gè)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)低摩擦力的氣動(dòng)式汽缸?？刂破魍耆且勒諣顟B(tài)運(yùn)作，讓程式碼符合邏輯、可擴(kuò)充，并容易審查。即時(shí)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(yùn)動(dòng)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(jié)與即時(shí)控制器進(jìn)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(gòu)3D 圖片控制器，可以即時(shí)傳送特定任務(wù)的資訊給病患。
即時(shí)控制器擁有2 個(gè)模組：1 個(gè)處理的控制回路，以及1 個(gè)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(shí)控制器回路以500 Hz 的頻率運(yùn)作。這結(jié)合了上肢位置的賈氏評估，以及2 個(gè)機(jī)器人使用的笛卡兒位置控制系統(tǒng)。
臨床試驗(yàn)
我們以2 次小規(guī)模的臨床研究試辦計(jì)畫來執(zhí)行iPAM 系統(tǒng)，我們找了26 位因?yàn)橹酗L(fēng)而導(dǎo)致手臂損傷的人來參加總長20 小時(shí)的機(jī)器人療程。每次療程都會(huì)使用大約40 分鐘的機(jī)器人治療。在研究過程中，iPAM 在超過300 個(gè)小時(shí)的使用時(shí)間中協(xié)助進(jìn)行超過13000 種主動(dòng)動(dòng)作。病患接受系統(tǒng)的意愿很高，數(shù)名病患在手臂動(dòng)作方面也有進(jìn)步。在試驗(yàn)時(shí)沒有發(fā)生不利病患的狀況，而且即時(shí)控制器在2 次試驗(yàn)中都維持穩(wěn)定的表現(xiàn)。LabVIEW 環(huán)境的模組化本質(zhì)對本系統(tǒng)的原型制作與開發(fā)非常有利。

這里只是簡單的宣傳，不一定符合您的要求，登錄公司網(wǎng)站，可以查看更多詳細(xì)信息。這里只是簡略的介紹，有任何關(guān)于LabVIEW、LabVIEW開發(fā)、LabVIEW編程、LabVIEW程序相關(guān)問題，請與我們聯(lián)系。
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使用NI PXI、labview 架構(gòu)自動(dòng)化晶圓探針測試器
概述：使用NI LabVIEW軟體與NI Switch Executive，設(shè)計(jì)并制作可高速切換的自動(dòng)化生產(chǎn)測試系統(tǒng)，可針對多重規(guī)格限制而設(shè)定。

系統(tǒng)會(huì)在晶圓基板上測試各別感測器晶粒的電壓、電流、電阻與壓力。目前每個(gè)感測器上有5 個(gè)不同的測試點(diǎn)，測試器可以為每個(gè)感測器測試多20 個(gè)點(diǎn)，每顆晶粒都會(huì)測試15 個(gè)參數(shù)。
晶圓探針作業(yè)所面臨的共同挑戰(zhàn)就是生產(chǎn)量大增的狀況。使用無法立刻擴(kuò)充與設(shè)定的舊式設(shè)備只會(huì)讓問題更復(fù)雜。為了擴(kuò)充探針功能并擁有動(dòng)態(tài)的可設(shè)定測試系統(tǒng)，某間晶圓感測器制造商委托設(shè)計(jì)自動(dòng)化的晶圓探針測試器，要能增加測試彈性，并減少一半以上的測試時(shí)間。
NI 硬體架構(gòu)的系統(tǒng)
晶圓探針測試器使用NI硬體，將舊式的Electroglas探針與4個(gè)高速、高感度的電源量測單位(SMU)介接。訊號(hào)是透過8 x 32 - 2線式矩陣設(shè)定的高密度NI PXI-2532 - 512個(gè)交點(diǎn)矩陣切換模組而傳遞。同時(shí)NI PXI-4070 FlexDMM會(huì)量測電壓與感測器衰減。
LabVIEW 的控制與操作介面
LabVIEW會(huì)控制系統(tǒng)、定序參數(shù)測試，并更新資料庫的結(jié)果。每個(gè)感測器類型都有可執(zhí)行的測試程式與特的設(shè)定檔。這組軟體架構(gòu)使得修改測試參數(shù)、調(diào)整測試限制，以及變更程式碼變得很容易。有需要時(shí)，測試軟體與檔案可以從安全的遠(yuǎn)端檔案伺服器下載。有了NI Switch Executive，我們就能透過探針輕松地在SMU與晶圓之間傳遞訊號(hào)。
我們利用生產(chǎn)測試的操作模式與工程模式開發(fā)了測試軟體。在工程模式中，軟體可以存取其他的控制項(xiàng)與測試資料，技師可以一次一個(gè)地進(jìn)行各別測試，需要時(shí)還能暫停。
我們開發(fā)出可設(shè)定、高速、PXI 架構(gòu)的自動(dòng)化晶圓探針測試器，將測試時(shí)間縮短了一半以上。LabVIEW 軟體程式提供了簡單方便的測試解決方案，可以針對多重測試限制與多重感測器類型而設(shè)定。整體來說，測試時(shí)間縮短，并且大幅減低了測試的成本。

研究員還想在不同的外部壓力及溫度之下，評估電阻的分布，壓力是用來固定LGA，而溫度則是模擬LGA 周圍的電腦工作環(huán)境。他們也需要評估LGA 長期使用時(shí)的效能，以確保耐用度。所以，確認(rèn)的工作通過困難重重的過程，要在不同且充滿變化的狀況下(溫度循環(huán)、壓力調(diào)整，以及接觸點(diǎn)疲勞) 量測所有的電阻；另外還包含要能制作呈現(xiàn)資料的架構(gòu)，以追蹤不同狀況之下的效能。
顯然，IBM需要1套確認(rèn)與分析的自動(dòng)化工具。IBM跟本公司接洽，請身為NI聯(lián)盟伙伴的我們開發(fā)1套架構(gòu)于PXI模組工具與LabVIEW的自動(dòng)化系統(tǒng)。我們透過MXI-4介面將PXI系統(tǒng)連結(jié)至PC，PC會(huì)執(zhí)行由LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程式。
IBM 使用這套PXI 系統(tǒng)作為量測與切換工具，以量測LGA 上所有可測量接觸點(diǎn)的電阻。679 組測試點(diǎn)聰明地分布在數(shù)千個(gè)實(shí)際的接觸點(diǎn)中，既能反應(yīng)實(shí)際的電阻圖，又能避免若要量測每個(gè)點(diǎn)時(shí)就會(huì)碰到的某些實(shí)際限制。
為了此解決方案，我們修改了晶片模組，做為短路區(qū)塊(用以調(diào)整Jumper)，修改的方法是將每面涂上金漆，然后將2條訊號(hào)線拉出封包，以代表每個(gè)接觸點(diǎn)的「高」側(cè)。而7個(gè)NI PXI-2575多工器模組，會(huì)在LGA另一邊拉出來的2條接觸測試點(diǎn)訊號(hào)線之間切換，以代表每個(gè)接觸點(diǎn)的「低」側(cè)。
我們將產(chǎn)生的「高」「低」訊號(hào)組傳送至NI PXI-2503多工器，針對4線式電阻量測，多工器會(huì)傳送全部的4個(gè)訊號(hào)，若是2線式量測則只會(huì)傳送2個(gè)訊號(hào)。系統(tǒng)會(huì)將訊號(hào)傳送至NI PXI-4072數(shù)位電表(DMM)，進(jìn)行電阻量測。4線式量測在毫歐姆的范圍中會(huì)提供比較準(zhǔn)確的量測值，而2線式量測比較能清楚確認(rèn)較高的電阻值，做為實(shí)際的開電路接觸點(diǎn)。
LabVIEW軟體會(huì)自動(dòng)化整個(gè)量測的過程，包含透過PXI-2503設(shè)定2線式或4線式的電阻模式，透過PXI-2575在每個(gè)通道循環(huán)，并透過PXI-4072量測電阻值。系統(tǒng)會(huì)為2線式與4線式的電阻，以及綜合的電阻箱制作各別的電阻圖，綜合的電阻箱中每個(gè)接觸點(diǎn)電阻都會(huì)對應(yīng)適當(dāng)量測類型的數(shù)值，而適當(dāng)?shù)牧繙y類型則由使用者的斷流強(qiáng)度(cutoff level)所定義。
我們將電阻圖以多種格式儲(chǔ)存至檔案中，供本應(yīng)用與離線分析工具日后使用。這套解決方案也會(huì)將資料制作成圖形，有2D 電阻圖與3D 形貌。IBM 可以使用數(shù)種圖形化使用者介面(GUI) 工具來設(shè)定圖形的影像參數(shù)，例如顏色、界線、灰階、伸縮、平滑化與檢視角度。使用者隨時(shí)可以將影像類型輸出成影像檔案，里面有圖像顯示與關(guān)鍵操作參數(shù)。IBM 可以使用圖形化工具組來分析新的測試資料，以及先前測試與儲(chǔ)存的資料。