鄧 斌, 馬明宇, 王 江, 楊雙鳴

(天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引 言

對(duì)針刺作用機(jī)理的研究是推動(dòng)針灸學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。然而，長(zhǎng)期以來(lái)，針灸操作缺乏直觀性、量化性以及可重復(fù)性，使得針刺作用的輸入信息具有不確定性。目前，有2種方法能夠定量刻畫針刺手法對(duì)于機(jī)體的刺激信號(hào)：1)專業(yè)針灸醫(yī)生操作針刺針作用于針刺手法參數(shù)測(cè)定儀上，該測(cè)定儀通過(guò)其內(nèi)部傳感器檢測(cè)針刺針的位置變化并記錄[1，2]，該方法可靠性高但大幅增加了成本，且無(wú)法保證每次的施針手法完全相同，隨機(jī)性強(qiáng)；2)建立針刺作用下的神經(jīng)元模型，通過(guò)模型的放電信息估計(jì)神經(jīng)元模型的參數(shù)進(jìn)而估計(jì)輸入信息[3]，該方式具有一定的理論基礎(chǔ)，但很難對(duì)其估計(jì)出的真實(shí)刺激信息的準(zhǔn)確程度進(jìn)行判斷。雖然針刺手法的量化是針刺作用機(jī)理研究的基礎(chǔ)，但目前在該領(lǐng)域仍沒有一種儀器設(shè)備能夠準(zhǔn)確量化針刺手法并定量執(zhí)行針刺動(dòng)作。

本文設(shè)計(jì)了一種用于執(zhí)行針刺操作中基本的提插和捻轉(zhuǎn)手法的機(jī)器針刺手，并以TI公司的TMS320F28335系列數(shù)字信號(hào)處理器[4](digital signal processor，DSP)作為控制器，以及NI公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)上位機(jī)軟件[5]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針刺手法量化機(jī)器手。

1 系統(tǒng)整體組成與硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體組成

針刺手法量化機(jī)器手系統(tǒng)總體示意如圖1所示，主要由上位機(jī)軟件、控制器及其外圍電路、伺服系統(tǒng)和針刺手機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。上位機(jī)軟件與控制器之間通過(guò)串口的方式進(jìn)行通信，將控制信息發(fā)送至控制器?？刂破鲗?duì)所接收到的控制信息進(jìn)行識(shí)別、判斷并發(fā)送控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)帶動(dòng)針刺手執(zhí)行針刺動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)總體示意

為保證針刺量化機(jī)器手的動(dòng)作精確度，本文選用了帶有20 bit高精度編碼器的伺服系統(tǒng)和低螺距誤差的絲杠結(jié)構(gòu)，并對(duì)定平臺(tái)和動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工，針刺手實(shí)物如圖2所示，兩臺(tái)伺服電機(jī)分別執(zhí)行捻轉(zhuǎn)動(dòng)作和提插動(dòng)作。針刺針固定在動(dòng)平臺(tái)上，由固定在定平臺(tái)上的捻轉(zhuǎn)伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)以完成捻轉(zhuǎn)動(dòng)作，定平臺(tái)固定在絲杠上，由提插伺服電機(jī)帶動(dòng)其上下運(yùn)動(dòng)以完成提插動(dòng)作。

圖2 針刺手法量化機(jī)器手實(shí)物

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

采用的核心控制器TMS320F28335型DSP的外圍電路包括電源電路、JTAG仿真接口電路、串口驅(qū)動(dòng)電路和信號(hào)放大電路。為避免在上電或掉電時(shí)28335DSP控制器芯片內(nèi)核與外部I/O模塊之間產(chǎn)生電流，需采用獨(dú)立電源供電結(jié)構(gòu)，且盡量消除內(nèi)核電源1.9 V與I/O模塊電源3.3 V之間的時(shí)間延時(shí)。本文采用雙路輸出低壓差電壓調(diào)整器TPS767D301芯片作為電源供給模塊。設(shè)計(jì)的滿足上述供電要求的電源電路，如圖3所示，為針刺手控制系統(tǒng)的核心控制器提供了穩(wěn)定的電源供給。

圖3 電源及信號(hào)放大電路

伺服系統(tǒng)選擇脈沖加方向控制模式，DSP控制器輸出PWM脈沖信號(hào)和方向信號(hào)。DSP控制器I/O引腳輸出高電平為3.3 V，而伺服系統(tǒng)接收指令信號(hào)需5 V，且由于伺服系統(tǒng)精度較高，要求脈沖信號(hào)的上升時(shí)間以及下降時(shí)間均小于100 ns，為此，本文采用高速光耦設(shè)計(jì)了信號(hào)放大電路，如圖3所示。DSP控制器引腳將脈沖/方向發(fā)送至光耦模塊，同時(shí)DSP控制器輸出信號(hào)控制光耦的使能端，實(shí)現(xiàn)由光耦模塊引腳輸出滿足要求的PWM波以及方向信號(hào)以控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 DSP程序設(shè)計(jì)

本文采用串口通信方式進(jìn)行DSP[6]與上位機(jī)之間的通信，選用ePWM1和ePWM2模塊分別產(chǎn)生2路波形互補(bǔ)、頻率可調(diào)的PWM信號(hào)，以及通用GPIO端口發(fā)送方向和使能信號(hào)。DSP軟件程序流程包括DSP主程序和中斷服務(wù)子程序。主程中，DSP首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并初始化中斷向量，進(jìn)入等待狀態(tài)，直到接收到由上位機(jī)發(fā)來(lái)的指令信號(hào)， DSP響應(yīng)中斷服務(wù)子程序，并提取指令信號(hào)所攜帶的信息。在中斷服務(wù)子程序中，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，判斷指令所對(duì)應(yīng)的針刺動(dòng)作模式，動(dòng)作模式確定后，根據(jù)速度、距離、方向等信息配置捻轉(zhuǎn)電機(jī)和提插電機(jī)的脈沖頻率、方向信號(hào)等相關(guān)參數(shù)并使能脈沖輸出，此時(shí)機(jī)器手便開始執(zhí)行針刺動(dòng)作，DSP進(jìn)入循環(huán)等待狀態(tài)，直到相應(yīng)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間溢出，DSP清空使能信號(hào)，一次針刺動(dòng)作執(zhí)行完成，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，DSP返回至等待接收信號(hào)狀態(tài)。

2.2 LabVIEW上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

實(shí)際針灸操作的補(bǔ)瀉手法與作用力的大小具有直接的關(guān)系。捻轉(zhuǎn)操作時(shí)，幅度小，頻率高，捻轉(zhuǎn)限度為1/2轉(zhuǎn)，頻率在50～60次/min之間為瀉法，捻轉(zhuǎn)補(bǔ)瀉手法持續(xù)的最佳時(shí)間為1～3 min；對(duì)于提插補(bǔ)瀉手法，急(重)插慢(輕)提3～5次，出針后急按針穴為補(bǔ)法;慢(輕)插急(重)提 3～5次，出針后不按針穴為瀉法，緩慢的均勻提插，出針后揉按針穴為平補(bǔ)平瀉[7, 8]。

根據(jù)上述針刺相關(guān)參數(shù)信息，本文設(shè)計(jì)了針刺機(jī)器手的動(dòng)作模式，如圖4所示，包括手動(dòng)調(diào)節(jié)，手動(dòng)提、插，自動(dòng)提插，單向捻轉(zhuǎn)，雙向捻轉(zhuǎn)以及捻轉(zhuǎn)進(jìn)針和捻轉(zhuǎn)出針。手動(dòng)調(diào)節(jié)的作用時(shí)調(diào)整針刺針的上下位置，為執(zhí)行針刺動(dòng)作做準(zhǔn)備，包括向上粗調(diào)和微調(diào)，向下粗調(diào)和微調(diào)；手動(dòng)提與手動(dòng)插是指機(jī)器手根據(jù)所配置的距離和速度執(zhí)行單次提或者插動(dòng)作；自動(dòng)提插是機(jī)器手根據(jù)所設(shè)定的插速、提速、提插距離，以及提插動(dòng)作執(zhí)行的次數(shù)和2次提插動(dòng)作之間的時(shí)間間隔，自動(dòng)完成1組提插手法針刺動(dòng)作；單向捻轉(zhuǎn)是機(jī)器手根據(jù)所設(shè)定速度與周數(shù)單方向完成1次捻轉(zhuǎn)操作；雙向捻轉(zhuǎn)是機(jī)器手根據(jù)所設(shè)定的左捻周數(shù)和右捻周數(shù)，左捻速度和右捻速度，以及2次捻轉(zhuǎn)操作的時(shí)間間隔和捻轉(zhuǎn)的次數(shù)自動(dòng)完成1組捻轉(zhuǎn)手法針刺動(dòng)作；捻轉(zhuǎn)進(jìn)針和捻轉(zhuǎn)出針是指機(jī)器手根據(jù)進(jìn)針或出針距離、速度和捻轉(zhuǎn)速度，完成1次邊捻轉(zhuǎn)邊進(jìn)針或出針的動(dòng)作。

圖4 針刺機(jī)器手動(dòng)作模式

所有的動(dòng)作模式信息表示為長(zhǎng)度為16位的字符串指令，以串口的方式發(fā)送至DSP控制器。LabVIEW軟件利用串口配置節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗(yàn)方式、停止位等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置好后，打開串口等待動(dòng)作按鈕按下，將相應(yīng)動(dòng)作信息指令發(fā)送至DSP控制器。

3 系統(tǒng)測(cè)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用控制界面及伺服監(jiān)控系統(tǒng)軟件分別測(cè)試了針刺手的提插動(dòng)作、捻轉(zhuǎn)動(dòng)作和捻轉(zhuǎn)進(jìn)/出針動(dòng)作。控制界面設(shè)定參數(shù)與伺服監(jiān)控軟件的參數(shù)對(duì)比表明，上位機(jī)及控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確將電機(jī)動(dòng)作信息傳遞給伺服系統(tǒng)，且針刺機(jī)器手能夠準(zhǔn)確根據(jù)設(shè)定參數(shù)模擬提插、捻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)進(jìn)/出針等針刺手法。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，針刺機(jī)器手動(dòng)作準(zhǔn)確度穩(wěn)定。

采用伺服系統(tǒng)位置控制模式保證機(jī)器針刺手動(dòng)作位置準(zhǔn)確性的同時(shí)，以捻轉(zhuǎn)手法為例，采集了針刺動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中針刺針轉(zhuǎn)速隨角度的變化，如圖5所示。在捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法中，針刺針由0°出發(fā)經(jīng)0.23 s旋轉(zhuǎn)180°，停留0.02 s，經(jīng)0.23 s返回至0°,再停留0.02 s，然后進(jìn)行下一次往返運(yùn)動(dòng)，圖5(a)給出了捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法2次往返運(yùn)動(dòng)的速度隨角度的變化趨勢(shì)；在捻轉(zhuǎn)瀉法中，針刺針由0°出發(fā)經(jīng)0.396 s旋轉(zhuǎn)360°，停留0.02 s，經(jīng)0.396 s返回至0°,再停留0.02 s，然后進(jìn)行下一次往返運(yùn)動(dòng)，圖5(b)給出了捻轉(zhuǎn)瀉法2次往返運(yùn)動(dòng)的速度隨角度的變化趨勢(shì)。

圖5 捻轉(zhuǎn)操作極坐標(biāo)

可以看出，針刺機(jī)器手執(zhí)行1次針刺動(dòng)作過(guò)程中，除具有一定的加速過(guò)程外，其速度分配也較為不均勻。為此，分別對(duì)捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法和捻轉(zhuǎn)瀉法中針刺針1次旋轉(zhuǎn)過(guò)程的速度分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，捻轉(zhuǎn)補(bǔ)法1次旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，針刺針的轉(zhuǎn)速主要集中在700°/s～800°/s之間，且仍有較多數(shù)據(jù)分布在其他區(qū)域，而捻轉(zhuǎn)瀉法則大部分集中在900°/s～1 000°/s范圍。對(duì)于針刺針旋轉(zhuǎn)速度分布的統(tǒng)計(jì)有助于進(jìn)一步量化針刺輸入信息，同時(shí)為機(jī)器針刺手的進(jìn)一步控制提供依據(jù)。

圖6 捻轉(zhuǎn)操作速度分布直方圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于中醫(yī)針刺作用機(jī)理研究領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了能夠模擬針刺提插與捻轉(zhuǎn)手法的機(jī)器手以及針刺手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用DSP控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)針刺機(jī)器手動(dòng)作模式及參數(shù)的控制，完成了對(duì)幾種基本針刺手法的模擬與量化。以捻轉(zhuǎn)手法為例采集了針刺機(jī)器手執(zhí)行針刺動(dòng)作過(guò)程中針刺針旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為進(jìn)一步量化針刺輸入信息提供了依據(jù)。在當(dāng)前針刺操作缺乏直觀性、量化性和可重復(fù)性的背景下，為針刺作用機(jī)理的研究提供了一種能夠定量執(zhí)行針刺操作的智能化的針刺手。