艾灸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬蓓蓓，胡志剛，2*，時(shí)鵬，王新征，2，謝飛虎，宋克納

（1.河南科技大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南省智能康復(fù)醫(yī)療機(jī)器人工程研究中心，河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引言

艾灸是用艾草制成的艾柱或艾條，懸放在人體特定穴位上方一定距離進(jìn)行溫?zé)岽碳ぃㄟ^(guò)經(jīng)絡(luò)的傳導(dǎo)達(dá)到防病治病、保健強(qiáng)身的功效［1］。艾灸作為中醫(yī)常用療法被廣泛應(yīng)用于許多疾病的防治中，比如新型冠狀病毒感染［2］、帕金森?。?］、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎［4］等，且臨床療效顯著。傳統(tǒng)的艾灸方式依賴人工操作，存在熱量不均衡、耗費(fèi)人力等問(wèn)題，現(xiàn)有的艾灸儀器存在智能化程度低、操作不便等問(wèn)題。將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用到中醫(yī)艾灸既可以把醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)更加穩(wěn)定且量化地表示出來(lái)，又能夠解決施灸部位不同需要移動(dòng)整個(gè)艾灸儀器的缺陷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂工作空間內(nèi)任意穴位的艾灸操作。

目前，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)艾灸機(jī)器人進(jìn)行了研究，樂(lè)文輝等［5］在2020 年設(shè)計(jì)了一種四自由度艾灸輔助機(jī)器人，對(duì)艾灸過(guò)程中末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)特性和軌跡進(jìn)行了仿真分析；姚勇等［6］在2020 年基于六自由度艾灸機(jī)械臂，設(shè)計(jì)了艾灸手法模擬系統(tǒng)，為艾灸過(guò)程中采用標(biāo)志物進(jìn)行穴位定位提供了解決方案；趙國(guó)友等［7］在2020 年進(jìn)行了艾灸機(jī)械臂的設(shè)計(jì)，利用嵌入式系統(tǒng)完成艾灸過(guò)程中的溫度控制和參數(shù)調(diào)整；夏世林等［8］基于該艾灸機(jī)械臂，設(shè)計(jì)了一種末端艾灸器，其結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行距離調(diào)節(jié)和艾煙控制，通過(guò)恒溫艾灸實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了艾灸過(guò)程中通過(guò)調(diào)整施灸距離執(zhí)行恒溫艾灸的可行性，但在機(jī)械臂軌跡規(guī)劃和自動(dòng)定位穴位方面有待優(yōu)化。張子昂［9］在2022 年進(jìn)行了基于單目視覺的艾灸機(jī)器人識(shí)別定位與跟蹤研究，為艾灸機(jī)器人單目視覺定位系統(tǒng)的構(gòu)建提供了解決方案；刁吉瑞等［10］在2022 年進(jìn)行了艾灸輔療機(jī)器人概念樣機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過(guò)模型樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)械臂應(yīng)用于實(shí)際艾灸輔療的可行性。

以上艾灸機(jī)器人的相關(guān)研究大多只進(jìn)行了仿真分析或從事系統(tǒng)部分方面的研究，缺乏系統(tǒng)的艾灸機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃控制和穴位定位不能滿足自動(dòng)艾灸的需求，從端艾灸器不能進(jìn)行艾灸過(guò)程中信息的實(shí)時(shí)采集傳輸及艾條控制，缺乏直觀的人機(jī)交互界面等。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種新的艾灸機(jī)器人系統(tǒng)。通過(guò)從端艾灸器的結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)配合可進(jìn)行艾條的自動(dòng)推進(jìn)，并對(duì)艾灸環(huán)境中的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和傳輸。主端系統(tǒng)對(duì)從端傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行整合處理，并完成機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制。主端的人機(jī)交互界面可對(duì)艾灸過(guò)程中的信息和從端運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化，從而監(jiān)控艾灸全過(guò)程，并可以通過(guò)界面靈活調(diào)節(jié)艾灸參數(shù)，以適應(yīng)不同的艾灸對(duì)象和任務(wù)。

1 艾灸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艾灸機(jī)器人系統(tǒng)由主端和從端構(gòu)成，如圖1 所示（彩圖效果見《計(jì)算機(jī)工程》官網(wǎng)HTML 版，下同）。從端包括機(jī)械臂和艾灸器兩部分，其中，艾灸器可以自動(dòng)推進(jìn)艾條，并且收集艾灰以防止?fàn)C傷。同時(shí)在艾灸過(guò)程中通過(guò)采集電路、數(shù)據(jù)傳輸電路及外圍傳感器對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和傳輸。主端根據(jù)從端反饋的信息調(diào)節(jié)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)艾灸過(guò)程的協(xié)調(diào)控制，人機(jī)交互界面可以將艾灸過(guò)程中的信息可視化地展示給操作者。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖Fig.1 Schematic diagram of system overall

1.1 從端艾灸器設(shè)計(jì)

本文提出的艾灸器改進(jìn)了艾條自動(dòng)推進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)，并增加了電源管理、采集和信息傳輸電路以及無(wú)線通信功能。艾灸器通過(guò)定位孔裝配在機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)處，使用過(guò)程中不需要掛載電源線和通信線，便于安裝和拆卸，易在其他機(jī)械臂上進(jìn)行部署，提高了艾灸系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性和可擴(kuò)展性。

1.1.1 艾灸器結(jié)構(gòu)

艾灸器外殼結(jié)構(gòu)采用錐形腔室設(shè)計(jì)，艾灸過(guò)程溫度場(chǎng)分布特性的研究表明，錐形流道相對(duì)于柱形流道更優(yōu)，對(duì)熱流的導(dǎo)向作用更加明顯，對(duì)熱量的利用也比較高效［11］。艾灸器實(shí)物圖及其外圍模塊如圖2 所示。

圖2 艾灸器及其承載模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of moxibustion instrument and its bearing module

外殼頂部設(shè)有排煙管道口，通過(guò)排煙風(fēng)扇降低艾灸過(guò)程中的艾煙濃度，防止其影響攝像頭進(jìn)行穴位定位。硬件電路板固定于外殼凹槽處，通過(guò)線路孔連接腔室底部的溫度傳感器、距離傳感器、電機(jī)、光耦等外圍模塊。為避免艾灰堆積、掉落影響艾灸效果及燙傷皮膚，將灰燼收集裝置設(shè)計(jì)為傾斜網(wǎng)面，利于艾灰自動(dòng)滑落進(jìn)入灰燼收集槽，并通過(guò)U 型滑軌旋轉(zhuǎn)拆卸和安裝，相比于固定或螺絲安裝類型，操作更加便捷。

在艾灸過(guò)程中，艾條經(jīng)燃燒變短逐漸遠(yuǎn)離穴位，因此需要設(shè)計(jì)艾條的自動(dòng)推進(jìn)裝置，通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)艾條的靈活推進(jìn)，推進(jìn)示意圖如圖3 所示，其中，1 為推進(jìn)裝置外殼，2 為推進(jìn)裝置基座，3 為與艾灸器連接的固定孔，4 為螺旋滑槽套筒，5 為螺旋滑槽，6 為球型滑塊，7 為滑軌，8 為艾條夾持裝置，9為艾條，10 為電機(jī)轉(zhuǎn)軸裝配孔。

圖3 艾條推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of moxa stick propulsive device structure

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為固定推進(jìn)裝置基座后，其內(nèi)壁上的滑軌隨之固定，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)螺旋滑槽套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，艾條夾持裝置的球形滑塊沿滑軌移動(dòng)，由此方式實(shí)現(xiàn)艾條的推出或者收回，圖3 中箭頭所示方向即為艾條推出方向。

該裝置結(jié)合電機(jī)對(duì)艾條的推進(jìn)長(zhǎng)度、速度和方向進(jìn)行控制，并配合定位光耦實(shí)現(xiàn)艾條到達(dá)目標(biāo)位置的監(jiān)測(cè)。采用螺旋推進(jìn)方式相對(duì)于絲杠推進(jìn)方式［8］，具有較好的緩沖作用，且推進(jìn)過(guò)程安全穩(wěn)定，方向改變靈活，節(jié)省結(jié)構(gòu)空間。

1.1.2 硬件系統(tǒng)

艾灸器的硬件系統(tǒng)主要由電源模塊、采集控制單元、數(shù)據(jù)傳輸單元三部分電路構(gòu)成，系統(tǒng)框架如圖4 所示。

圖4 硬件系統(tǒng)總體框架Fig.4 Overall framework of hardware system

電源模塊設(shè)計(jì)通用串行總線充電電路、電源管理電路、升壓電路以及多路穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，以滿足各執(zhí)行單元的電壓需求，提高對(duì)艾灸器供電的穩(wěn)定性和可靠性。其中，充電管理芯片采用MCP73831T，升壓電路的芯片選用SX1308，電源管理電路主要由金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）管控制供電回路的通斷，并利用數(shù)模（A/D）轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電量的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

采集控制單元主控芯片采用低功耗、抗干擾性強(qiáng)的STM32F103，該部分電路用于從端艾灸器外圍模塊的控制和信息采集，包括對(duì)電機(jī)、功能按鍵和狀態(tài)指示模塊的控制，實(shí)現(xiàn)艾條的自動(dòng)推進(jìn)、艾灸器的工作狀態(tài)提示和預(yù)警以及復(fù)位、急停、開關(guān)機(jī)等功能；對(duì)距離和溫度傳感器的信息采集，實(shí)現(xiàn)施灸過(guò)程中穴位溫度和距離的非接觸檢測(cè)，并通過(guò)通用異步收發(fā)器（UART）端口與數(shù)據(jù)傳輸單元通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交互。

數(shù)據(jù)傳輸單元的主控模塊采用集成度高、無(wú)線傳輸距離遠(yuǎn)的ESP32-S 模塊組，用于實(shí)現(xiàn)從端艾灸器與主端之間的數(shù)據(jù)傳輸和指令處理，以及獲取圖像信息、位姿狀態(tài)、保存執(zhí)行過(guò)程和工作狀態(tài)等功能。

1.1.3 通信流程

數(shù)據(jù)傳輸單元是艾灸執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的關(guān)鍵，通過(guò)WiFi 與主端通信、串口與采集控制單元通信，以協(xié)調(diào)硬件系統(tǒng)各模塊之間的工作。制定統(tǒng)一協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和指令控制，鏈路層數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示。數(shù)據(jù)區(qū)保存指令信息，與采集控制單元通信時(shí)，將鏈路層數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC）校驗(yàn)，以確保串口通信數(shù)據(jù)的有效性?？刂谱址譃樵O(shè)置、查詢指令兩大類，包含傳感器數(shù)據(jù)獲取、狀態(tài)查詢、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)動(dòng)控制等，控制字預(yù)留部分字段，用于后續(xù)擴(kuò)展和二次開發(fā)。

表1 鏈路層數(shù)據(jù)幀格式Table 1 Link layer data frame format 單位:Byte

數(shù)據(jù)傳輸端的通信流程如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸端通信流程Fig.5 Data transmission end communication procedure

1.2 主端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前在艾灸機(jī)器人的相關(guān)研究中，缺乏完善的控制系統(tǒng)和直觀的人機(jī)交互界面。本文設(shè)計(jì)的主端系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)艾灸過(guò)程的可視化，幫助醫(yī)生進(jìn)行定量監(jiān)控，并且具備靈活調(diào)節(jié)參數(shù)和艾灸流程編輯的功能，以適應(yīng)不同的艾灸對(duì)象、環(huán)境和任務(wù)。

1.2.1 艾灸控制系統(tǒng)

艾灸控制系統(tǒng)基于Ubuntu 18.04 操作系統(tǒng)和QT 5.12+ROS 開發(fā)環(huán)境搭建，采用C++和QWidget 結(jié)合SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，底層控制與邏輯交互采用C++實(shí)現(xiàn)，占用資源的模塊通過(guò)QThread 多線程方式運(yùn)行，利用信號(hào)和槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)控制交互［12］。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，將系統(tǒng)框架分為功能模塊、交互控制、邏輯處理和硬件單元四層，如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)控制框架Fig.6 System control framework

用戶界面（UI）顯示和設(shè)備節(jié)點(diǎn)控制在主線程中運(yùn)行，線程交互數(shù)據(jù)保存節(jié)點(diǎn)控制隊(duì)列及狀態(tài)等，用于主線程和邏輯處理層的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)子線程的執(zhí)行信息獲取和運(yùn)行狀態(tài)控制。在邏輯處理層中，利用OpenPose 與OpenCV 庫(kù)進(jìn)行穴位的識(shí)別［13］，數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列保存采集的狀態(tài)信息并通過(guò)互斥鎖確保數(shù)據(jù)的有序讀寫訪問(wèn)；艾灸記錄、運(yùn)行日志、采集數(shù)據(jù)等信息保存在SQLite 和配置文件中，并通過(guò)數(shù)據(jù)管理接口實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)用；通過(guò)MoveIt 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的路徑規(guī)劃［14］，UI 通過(guò)Rviz 接口實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂狀態(tài)。邏輯處理層通過(guò)TCP 通信線程和Move_group 節(jié)點(diǎn)對(duì)機(jī)械臂、圖像采集、電機(jī)等硬件單元進(jìn)行調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)艾灸過(guò)程的協(xié)調(diào)控制。

1.2.2 人機(jī)交互界面

實(shí)時(shí)艾灸界面如圖7 所示，可實(shí)時(shí)顯示艾灸過(guò)程中的穴位溫度、施灸距離、時(shí)長(zhǎng)、機(jī)械臂狀態(tài)、穴位圖像等信息，并可調(diào)節(jié)艾灸時(shí)長(zhǎng)、溫度、模式等參數(shù)。

圖7 實(shí)時(shí)艾灸界面圖Fig.7 Real-time moxibustion interface diagram

項(xiàng)目流程編輯界面如圖8 所示，用于艾灸流程的導(dǎo)入、可視化編輯與顯示，通過(guò)指令校驗(yàn)、單步運(yùn)行等按鈕完成流程指令的調(diào)試。篇幅所限，只列舉部分界面。

圖8 項(xiàng)目流程編輯界面Fig.8 Project procedure editing interface

人機(jī)交互界面的搭建進(jìn)一步提高了艾灸控制系統(tǒng)的開發(fā)完整性和應(yīng)用價(jià)值，拓寬了該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)艾灸過(guò)程的重要部分，本文采用輕型、高精度的七自由度機(jī)械臂franka 作為艾灸器的載體，它能在復(fù)雜的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞的軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)艾灸機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和軌跡規(guī)劃，得到各關(guān)節(jié)角度、角速度等軌跡數(shù)據(jù)［15］。主端將軌跡信息傳輸?shù)綑C(jī)械臂的開源接口（FCI）和libfranka 庫(kù)，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)的狀態(tài)獲取［16］。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制流程如圖9 所示。

2.1 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)從端機(jī)械臂和艾灸器的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建改進(jìn)D-H坐標(biāo)系，建立關(guān)節(jié)軸與末端艾灸器之間的映射關(guān)系［17］，如圖10 所示。

圖10 機(jī)械臂，艾灸器的簡(jiǎn)化模型和D-H 坐標(biāo)系Fig.10 Simplified model and D-H coordinate system of manipulator and moxibustion instrument

在圖10 中，θi為關(guān)節(jié)角，αi-1為連桿轉(zhuǎn)角，ai-1為連桿長(zhǎng)度，di為連桿偏距，表示機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，xi與zi分別為第i（i=1，2，…，7）關(guān)節(jié)的X軸和Z軸，Y軸方向通過(guò)右手定則確定。依據(jù)相鄰連桿的位置關(guān)系確定D-H 參數(shù)，如表2 所示。

表2 艾灸機(jī)械臂的D-H 參數(shù) Table 2 D-H parameters of moxibustion manipulator

根據(jù)坐標(biāo)系變換的鏈?zhǔn)椒▌t，兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系的變換矩陣如式（1）所示：

將表2 中各關(guān)節(jié)的D-H 參數(shù)代入式（1）可分別求得0T1、1T2、2T3、3T4、4T5、5T6、6Tf。

由ATB=ATC×CTB關(guān)系，末端在世界坐標(biāo)系中的位姿矩陣如式（2）所示，在已知各關(guān)節(jié)的角度時(shí)可確定機(jī)械臂艾灸末端的位姿。

其中：η、ο、a為姿態(tài)描述；p為位置描述。

對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，將關(guān)節(jié)2、6視為球關(guān)節(jié)，分別記作O點(diǎn)和A點(diǎn)，關(guān)節(jié)4位置記為B點(diǎn)，可得機(jī)械臂的幾何關(guān)系，如圖11 所示。

圖11 機(jī)械臂幾何關(guān)系圖Fig.11 Geometric relationship diagram of manipulator

依據(jù)幾何關(guān)系可得：

當(dāng)存在解時(shí)，即已知目標(biāo)位點(diǎn)的位姿，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可得出各關(guān)節(jié)的角度［18］。

2.2 機(jī)械臂軌跡規(guī)劃

在低維度空間上，通常使用基于圖搜索的路徑規(guī)劃算法，例如Dijkstra［19］、A*［20］，這類算法雖在規(guī)劃中具有較好的完備性，但需要對(duì)地圖進(jìn)行完整建模，且在高維度空間中會(huì)出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)難等問(wèn)題。而機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是屬于連續(xù)高維度空間下的，為解決這類問(wèn)題，本文使用基于隨機(jī)采樣的路徑規(guī)劃算法。

目前常見的基于采樣的路徑規(guī)劃算法［21］主要是概率路線圖（PRM）和快速搜索隨機(jī)樹（RRT）。PRM算法根據(jù)隨機(jī)采樣的方式，在地圖中建立路徑網(wǎng)格圖進(jìn)行路徑規(guī)劃，能夠提高在高維空間中的搜索效率，但采樣點(diǎn)過(guò)多，增大了計(jì)算量。RRT 算法的目標(biāo)是盡可能快地找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的可行路徑，搜索過(guò)程是以起點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一棵搜索樹，并不斷向四周擴(kuò)散生長(zhǎng)。RRT 算法雖然在高維空間中具有較高的搜索效率，但搜索到的路徑只是可行路徑，而不是最優(yōu)路徑。因此，目前研究人員基于RRT算法不斷進(jìn) 行優(yōu)化，例如RRT-Connect［22］、RRT*［23］、Informed-RRT*［24］等，各算法對(duì)比如表3 所示。

表3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法對(duì)比 Table 3 Comparison of motion planning algorithms

Informed-RRT*算法是基于RRT*優(yōu)化得到的，限制在一定范圍內(nèi)選擇采樣點(diǎn)重新優(yōu)化路徑，提高了收斂速度和規(guī)劃效率，本文選用該算法對(duì)艾灸機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃。該算法利用橢圓采樣方式代替全局均勻采樣，在搜索到初始路徑后，根據(jù)路徑長(zhǎng)度dbest、起始點(diǎn)xstart和目標(biāo)點(diǎn)xgoal構(gòu)建橢圓采樣區(qū)域，當(dāng)未搜索到路徑時(shí)，dbest為無(wú)窮大。該算法的采樣空間如圖12 所示，其中，xstart和xgoal為橢圓的焦點(diǎn)，dmin為兩焦點(diǎn)之間的距離，dbest和

圖12 Informed-RRT＊算法采樣空間Fig.12 Informed-RRT＊ algorithm sampling space

在迭代過(guò)程中，每找到一次更優(yōu)的路徑，就將其作為新的dbest更新采樣橢圓。該橢圓空間均勻采樣xellipse～U（Xellipse），可通過(guò)對(duì)單位圓n-ball、xball～U（Xball）中均勻分布的樣本經(jīng)矩陣變換、旋轉(zhuǎn)、平移得到，轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（4）所示：

其中：xcentre代表橢圓的中心；xball代表單位圓的均勻采樣點(diǎn)；L表示變換矩陣；C表示旋轉(zhuǎn)矩陣。

以上采樣過(guò)程的偽代碼如算法1 所示。

Informed-RRT*算法在采樣過(guò)程中不斷縮短節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展區(qū)域及全局路徑長(zhǎng)度dbest，逐漸縮小橢圓采樣區(qū)域，并消除對(duì)無(wú)效區(qū)域（橢圓以外）的采樣，以加速搜索速度，最終形成一組路徑點(diǎn)并進(jìn)行連接，可在有限的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)路徑。利用該算法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃，最后主端將規(guī)劃得到的軌跡信息通過(guò)以太網(wǎng)傳送至機(jī)械臂端，實(shí)現(xiàn)對(duì)艾灸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本節(jié)通過(guò)3 個(gè)實(shí)驗(yàn)用于評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的艾灸機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)1 利用艾灸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，分析從端艾灸器設(shè)計(jì)的合理性；實(shí)驗(yàn)2 在真實(shí)環(huán)境應(yīng)用中進(jìn)行艾灸過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試艾灸機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制效果；實(shí)驗(yàn)3 用來(lái)測(cè)試艾灸機(jī)器人系統(tǒng)在艾灸過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整距離以保持溫度穩(wěn)定的情況。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：Intel?CoreTMi7-11800H @ 2.30 GHz CPU，NVIDIA Geforce RTX 3060 GPU，32 GB 運(yùn)行內(nèi)存。操作系統(tǒng)為Ubuntu18.04，從端機(jī)械臂為franka panda（Franka Emika GmbH），其定位精度為±0.1 mm。

3.1 從端運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)艾灸機(jī)械臂進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)在該艾灸機(jī)械臂工作空間內(nèi)多次設(shè)定起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，觀察運(yùn)動(dòng)過(guò)程中艾灸器及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。隨機(jī)選取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中艾灸器軌跡、位移如圖13所示。機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如圖14所示，其中，3條曲線分別是角度（rad）、角速度（rad/s）、角加速度（rad/s2）。

圖13 艾灸器運(yùn)動(dòng)參數(shù)Fig.13 Motion parameter of moxibustion instrument

圖14 艾灸機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)Fig.14 Motion parameters of each joints of moxibustion manipulator

由艾灸器運(yùn)動(dòng)軌跡和位移圖可以看出，其運(yùn)動(dòng)始終處于連續(xù)無(wú)碰撞狀態(tài)，說(shuō)明艾灸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在進(jìn)行艾灸過(guò)程中可安全使用。此外，由各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化曲線可以看出，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)行連續(xù)且穩(wěn)定，規(guī)劃的路徑光滑，未出現(xiàn)沖擊或卡頓現(xiàn)象。

3.2 艾灸機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

將從端機(jī)械臂、艾灸器和主端系統(tǒng)集成部署后，進(jìn)行艾灸機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，以手腕關(guān)節(jié)處模擬穴位為例，艾灸過(guò)程如圖15 所示。

圖15 艾灸機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程Fig.15 The operation process of moxibustion robot

第1 階段：艾灸機(jī)械臂由復(fù)位狀態(tài)開始進(jìn)行初始化，復(fù)位狀態(tài)和初始化完成狀態(tài)分別如圖15（a）和圖15（b）所示。

第2 階段：向下運(yùn)動(dòng)到達(dá)尋找具體穴位的高度（Z軸方向上距離護(hù)理床30 cm 處），如圖15（c）所示。

第3 階段：進(jìn)行Y軸方向上24 cm 左右范圍內(nèi)的掃描，如圖15（d）所示。

第4 階段：找到具體穴位位置并向下移動(dòng)至待灸穴位上方4 cm 處進(jìn)行艾灸，如圖15（e）所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，艾灸機(jī)械臂在真實(shí)環(huán)境中按照規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)安全，無(wú)異響、振動(dòng)或沖擊，滿足本文的設(shè)計(jì)要求。

3.3 施灸距離控制實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證艾灸過(guò)程中能夠通過(guò)艾條推進(jìn)裝置自動(dòng)調(diào)整艾條位置，以及機(jī)械臂帶動(dòng)艾灸器動(dòng)態(tài)改變施灸距離，維持溫度穩(wěn)定。結(jié)合所設(shè)計(jì)的主端控制系統(tǒng)進(jìn)行艾灸實(shí)驗(yàn)，艾灸過(guò)程如圖16所示（以足三里穴位為例）。

圖16 艾灸過(guò)程圖示Fig.16 Diagram of moxibustion process

根據(jù)世界衛(wèi)生組織制定的腧穴定位標(biāo)準(zhǔn)確定穴位位置，選取臨床上常灸穴位足三里和關(guān)元穴作為實(shí)驗(yàn)穴位。經(jīng)調(diào)研［25］，設(shè)定兩種穴位目標(biāo)溫度分別為44 ℃、43 ℃，施灸距離為4 cm，安全閾值為1 cm，設(shè)置施灸距離低于3 cm 時(shí)發(fā)出預(yù)警，艾灸時(shí)長(zhǎng)20 min。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，從施灸距離達(dá)到10 cm 左右時(shí)開始記錄溫度、距離隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖17 所示。

圖17 足三里和關(guān)元穴的溫度距離關(guān)系Fig.17 Temperature distance relationship of Zusanli and Guanyuan acupoints

由圖17（a）可以看出，當(dāng)施灸距離減少到4 cm時(shí)，穴位溫度為36.4 ℃，未達(dá)到目標(biāo)溫度44 ℃。此時(shí)，距離繼續(xù)減少至3.24 cm 左右，溫度達(dá)到43.89 ℃。隨后，距離逐漸增大，保持溫度在目標(biāo)溫度44 ℃左右。在12 min 左右后，施灸距離持續(xù)高于4 cm，分析原因在于艾灸時(shí)間較長(zhǎng)，穴位蓄熱溫度升高，需要機(jī)械臂帶動(dòng)艾灸器增加施灸距離，以保持溫度的穩(wěn)定。

由圖17（b）可以看出，當(dāng)施灸距離減少到4 cm時(shí)，穴位溫度未達(dá)到目標(biāo)溫度43 ℃，施灸距離在設(shè)置的安全閾值內(nèi)持續(xù)減少，在艾灸8 min 左右時(shí)，溫度達(dá)到43 ℃，隨后施灸距離持續(xù)高于4 cm，分析其原因和圖17（a）一致。

對(duì)比圖17（a）和圖17（b）可以看出，足三里比關(guān)元穴提前5 min 左右達(dá)到目標(biāo)溫度，且兩者溫度上升速度相差較大，主要是因?yàn)殛P(guān)元穴位于腹部，由于人體生理組織影響，升溫較慢［25］。

在選取艾灸過(guò)程中，對(duì)達(dá)到目標(biāo)溫度之后的階段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表4 所示。

表4 恒溫艾灸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Experimental data of constant temperature moxibustion 單位：℃

由表4 可以看出，通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)行距離控制后，目標(biāo)穴位的溫度偏差小于0.5 ℃，滿足艾灸溫度控制的精度要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在艾灸過(guò)程中，系統(tǒng)可在設(shè)置的距離參數(shù)狀態(tài)下持續(xù)以目標(biāo)溫度對(duì)穴位進(jìn)行溫?zé)岽碳?，解決了艾灸過(guò)程中溫度不均衡、高溫燙傷的問(wèn)題，提升艾灸療效和受灸者的醫(yī)療體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種艾灸機(jī)器人系統(tǒng)，首先對(duì)從端艾灸器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在結(jié)構(gòu)和硬件兩方面進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)艾灸過(guò)程中信息的實(shí)時(shí)采集傳輸和艾條自動(dòng)推進(jìn)功能，在使用過(guò)程中無(wú)須掛載電源線和通信線，能更加方便地在其他機(jī)械臂上部署，使艾灸系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性得到提高。對(duì)主端控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息的整合處理和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，在主端的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)艾灸參數(shù)的靈活調(diào)節(jié)、流程的編輯和艾灸過(guò)程的可視化，可面向不同受灸者、環(huán)境或任務(wù)制定合適的艾灸過(guò)程，并幫助醫(yī)護(hù)人員實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，從端艾灸器設(shè)計(jì)合理，在艾灸過(guò)程中可保持穴位溫度的穩(wěn)定，為艾灸機(jī)器人的控制及應(yīng)用提供了解決方案，在中醫(yī)艾灸領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。下一步將在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上對(duì)單個(gè)主端控制多個(gè)從端進(jìn)行擴(kuò)展研究。