針刺手法量化機器手的設(shè)計與分析*

鄧 斌, 馬明宇, 王 江, 楊雙鳴

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

0 引 言

對針刺作用機理的研究是推動針灸學(xué)發(fā)展的重要內(nèi)容。然而，長期以來，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于機體的刺激信號：1)專業(yè)針灸醫(yī)生操作針刺針作用于針刺手法參數(shù)測定儀上，該測定儀通過其內(nèi)部傳感器檢測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，且無法保證每次的施針手法完全相同，隨機性強；2)建立針刺作用下的神經(jīng)元模型，通過模型的放電信息估計神經(jīng)元模型的參數(shù)進而估計輸入信息[3]，該方式具有一定的理論基礎(chǔ)，但很難對其估計出的真實刺激信息的準確程度進行判斷。雖然針刺手法的量化是針刺作用機理研究的基礎(chǔ)，但目前在該領(lǐng)域仍沒有一種儀器設(shè)備能夠準確量化針刺手法并定量執(zhí)行針刺動作。

本文設(shè)計了一種用于執(zhí)行針刺操作中基本的提插和捻轉(zhuǎn)手法的機器針刺手，并以TI公司的TMS320F28335系列數(shù)字信號處理器[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)上位機軟件[5]，設(shè)計并實現(xiàn)了針刺手法量化機器手。

1 系統(tǒng)整體組成與硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體組成

針刺手法量化機器手系統(tǒng)總體示意如圖1所示，主要由上位機軟件、控制器及其外圍電路、伺服系統(tǒng)和針刺手機械結(jié)構(gòu)組成。上位機軟件與控制器之間通過串口的方式進行通信，將控制信息發(fā)送至控制器。控制器對所接收到的控制信息進行識別、判斷并發(fā)送控制信號，控制信號經(jīng)信號放大后驅(qū)動伺服系統(tǒng)帶動針刺手執(zhí)行針刺動作。

圖1 系統(tǒng)總體示意

為保證針刺量化機器手的動作精確度，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)，并對定平臺和動平臺進行了精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工，針刺手實物如圖2所示，兩臺伺服電機分別執(zhí)行捻轉(zhuǎn)動作和提插動作。針刺針固定在動平臺上，由固定在定平臺上的捻轉(zhuǎn)伺服電機帶動其旋轉(zhuǎn)以完成捻轉(zhuǎn)動作，定平臺固定在絲杠上，由提插伺服電機帶動其上下運動以完成提插動作。

圖2 針刺手法量化機器手實物

1.2 硬件電路設(shè)計

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)動電路和信號放大電路。為避免在上電或掉電時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之間的時間延時。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脈沖信號和方向信號。DSP控制器I/O引腳輸出高電平為3.3 V，而伺服系統(tǒng)接收指令信號需5 V，且由于伺服系統(tǒng)精度較高，要求脈沖信號的上升時間以及下降時間均小于100 ns，為此，本文采用高速光耦設(shè)計了信號放大電路，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DSP控制器輸出信號控制光耦的使能端，實現(xiàn)由光耦模塊引腳輸出滿足要求的PWM波以及方向信號以控制伺服系統(tǒng)的運行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 DSP程序設(shè)計

本文采用串口通信方式進行DSP[6]與上位機之間的通信，選用ePWM1和ePWM2模塊分別產(chǎn)生2路波形互補、頻率可調(diào)的PWM信號，以及通用GPIO端口發(fā)送方向和使能信號。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首先對系統(tǒng)進行初始化，并初始化中斷向量，進入等待狀態(tài)，直到接收到由上位機發(fā)來的指令信號， DSP響應(yīng)中斷服務(wù)子程序，并提取指令信號所攜帶的信息。在中斷服務(wù)子程序中，首先保護現(xiàn)場，判斷指令所對應(yīng)的針刺動作模式，動作模式確定后，根據(jù)速度、距離、方向等信息配置捻轉(zhuǎn)電機和提插電機的脈沖頻率、方向信號等相關(guān)參數(shù)并使能脈沖輸出，此時機器手便開始執(zhí)行針刺動作，DSP進入循環(huán)等待狀態(tài)，直到相應(yīng)定時器定時時間溢出，DSP清空使能信號，一次針刺動作執(zhí)行完成，恢復(fù)現(xiàn)場，DSP返回至等待接收信號狀態(tài)。

2.2 LabVIEW上位機軟件設(shè)計

實際針灸操作的補瀉手法與作用力的大小具有直接的關(guān)系。捻轉(zhuǎn)操作時，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)補瀉手法持續(xù)的最佳時間為1～3 min；對于提插補瀉手法，急(重)插慢(輕)提3～5次，出針后急按針穴為補法;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平瀉[7, 8]。

根據(jù)上述針刺相關(guān)參數(shù)信息，本文設(shè)計了針刺機器手的動作模式，如圖4所示，包括手動調(diào)節(jié)，手動提、插，自動提插，單向捻轉(zhuǎn)，雙向捻轉(zhuǎn)以及捻轉(zhuǎn)進針和捻轉(zhuǎn)出針。手動調(diào)節(jié)的作用時調(diào)整針刺針的上下位置，為執(zhí)行針刺動作做準備，包括向上粗調(diào)和微調(diào)，向下粗調(diào)和微調(diào)；手動提與手動插是指機器手根據(jù)所配置的距離和速度執(zhí)行單次提或者插動作；自動提插是機器手根據(jù)所設(shè)定的插速、提速、提插距離，以及提插動作執(zhí)行的次數(shù)和2次提插動作之間的時間間隔，自動完成1組提插手法針刺動作；單向捻轉(zhuǎn)是機器手根據(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)操作的時間間隔和捻轉(zhuǎn)的次數(shù)自動完成1組捻轉(zhuǎn)手法針刺動作；捻轉(zhuǎn)進針和捻轉(zhuǎn)出針是指機器手根據(jù)進針或出針距離、速度和捻轉(zhuǎn)速度，完成1次邊捻轉(zhuǎn)邊進針或出針的動作。

圖4 針刺機器手動作模式

所有的動作模式信息表示為長度為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)點設(shè)置串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、校驗方式、停止位等參數(shù)。參數(shù)設(shè)置好后，打開串口等待動作按鈕按下，將相應(yīng)動作信息指令發(fā)送至DSP控制器。

3 系統(tǒng)測試與實驗結(jié)果

利用控制界面及伺服監(jiān)控系統(tǒng)軟件分別測試了針刺手的提插動作、捻轉(zhuǎn)動作和捻轉(zhuǎn)進/出針動作?？刂平缑嬖O(shè)定參數(shù)與伺服監(jiān)控軟件的參數(shù)對比表明，上位機及控制系統(tǒng)能夠準確將電機動作信息傳遞給伺服系統(tǒng)，且針刺機器手能夠準確根據(jù)設(shè)定參數(shù)模擬提插、捻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)進/出針等針刺手法。經(jīng)過反復(fù)實驗，針刺機器手動作準確度穩(wěn)定。

采用伺服系統(tǒng)位置控制模式保證機器針刺手動作位置準確性的同時，以捻轉(zhuǎn)手法為例，采集了針刺動作執(zhí)行過程中針刺針轉(zhuǎn)速隨角度的變化，如圖5所示。在捻轉(zhuǎn)補法中，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，然后進行下一次往返運動，圖5(a)給出了捻轉(zhuǎn)補法2次往返運動的速度隨角度的變化趨勢；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，然后進行下一次往返運動，圖5(b)給出了捻轉(zhuǎn)瀉法2次往返運動的速度隨角度的變化趨勢。

圖5 捻轉(zhuǎn)操作極坐標

可以看出，針刺機器手執(zhí)行1次針刺動作過程中，除具有一定的加速過程外，其速度分配也較為不均勻。為此，分別對捻轉(zhuǎn)補法和捻轉(zhuǎn)瀉法中針刺針1次旋轉(zhuǎn)過程的速度分布進行統(tǒng)計，如圖6所示。可以發(fā)現(xiàn)，捻轉(zhuǎn)補法1次旋轉(zhuǎn)過程中，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。對于針刺針旋轉(zhuǎn)速度分布的統(tǒng)計有助于進一步量化針刺輸入信息，同時為機器針刺手的進一步控制提供依據(jù)。

圖6 捻轉(zhuǎn)操作速度分布直方圖

4 結(jié)束語

本文將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于中醫(yī)針刺作用機理研究領(lǐng)域，設(shè)計了能夠模擬針刺提插與捻轉(zhuǎn)手法的機器手以及針刺手運動控制系統(tǒng)，并采用DSP控制器實現(xiàn)了對針刺機器手動作模式及參數(shù)的控制，完成了對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器手執(zhí)行針刺動作過程中針刺針旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)，并進行了統(tǒng)計分析，為進一步量化針刺輸入信息提供了依據(jù)。在當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。