四、醫(yī)療機(jī)器人的干擾抑制技術(shù)

1.布局

電柜設(shè)計(jì)必須使用金屬材料，根據(jù)EMC的區(qū)域原則，合理的布局。將不同的設(shè)備規(guī)劃在不同的區(qū)域中，伺服驅(qū)動(dòng)器單元應(yīng)盡量靠近安裝在柜子的底部，使用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離，或者獨(dú)立安裝在金屬電柜中。

電柜中保證良好的通風(fēng)和散熱，不要阻擋風(fēng)扇的正常流通。

電柜中布線應(yīng)強(qiáng)弱分開(kāi)，信號(hào)線和動(dòng)力線要分開(kāi)走線。

AC接觸器和DC繼電器安裝要遠(yuǎn)離I/O部件和信號(hào)電纜，并且要使用正確的RC抑制組件和二極管，減少線圈吸合時(shí)噪音污染。

2.接地

合理和可靠的接地是解決傳導(dǎo)性干擾最為有效的方法，同時(shí)也會(huì)消除共模干擾的影響。錯(cuò)誤的接地不但不能減少干擾，反而成為干擾的“幫兇“。

接地根據(jù)用途分類可以分為信號(hào)地、屏蔽地、保護(hù)地。

電柜中所有的電氣組件接地端子（變頻器、PLC）都要使用短而粗的接地線可靠的連接到公共接地點(diǎn)或者接地母排PE上。

機(jī)器人的框架的連接處不要有油漆隔離，實(shí)現(xiàn)有效連接后，接入系統(tǒng)地PE，有效的接地，可以減少脈沖群、輻射騷擾的影響。

3.濾波

總電源和各分支電源輸入（AC380/220V）的濾波，主要使用EMI濾波器和磁環(huán)。

DC電源輸出的濾波，EMI濾波器和磁環(huán)。

驅(qū)動(dòng)器的輸入的濾波，EMI濾波器和磁環(huán)。

PCB的濾波，主要是低頻和高頻濾波，使用共模電感，RC，磁珠等。

有刷電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，碳刷在不斷的拉電弧，電弧產(chǎn)生高頻噪聲。高頻噪聲通過(guò)電機(jī)引線及外殼縫隙往外輻射。電機(jī)金屬外殼能對(duì)內(nèi)部輻射噪聲進(jìn)行反射和吸收。抑制噪聲往外輻射。雖然這樣還是會(huì)有很多輻射噪聲通過(guò)電機(jī)引線往外輻射。因此我們對(duì)電機(jī)的輻射整改更多的是針對(duì)電機(jī)引線進(jìn)行處理。重點(diǎn)介紹BDL濾波器在電機(jī)的運(yùn)用。

4.屏蔽

伺服驅(qū)動(dòng)放大器單元到電機(jī)動(dòng)力電纜應(yīng)使用金屬屏蔽層的電纜，電纜線應(yīng)該盡量的短，同時(shí)屏蔽層用金屬夾子將電線屏蔽層固定在接地的安裝板上，以避免功率損耗，減少干擾。電柜通風(fēng)開(kāi)了要使用密集金屬網(wǎng)絡(luò)，切口越小越好。因?yàn)楠M孔可能在電柜中輻射高頻座號(hào)。電柜的柜門和電纜的進(jìn)線口要可靠接地，避免電柜內(nèi)部的干擾磁場(chǎng)通過(guò)屏蔽電纜泄漏出去。柜門要使用有傳導(dǎo)性的密封墊，緊貼柜體。

伺服驅(qū)動(dòng)、通信口，PC以及液晶顯示器進(jìn)行有效的屏蔽，可有效減少EMI的影響。

五、結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)中的干擾是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，只有設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)過(guò)程中做到“未雨綢繆，防微杜漸”，堅(jiān)持“預(yù)防是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法”的準(zhǔn)則，來(lái)綜合和全面的考慮各方面的因素，才能夠有效地避免系統(tǒng)干擾的的發(fā)生，從而保證設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

ROS（Robot OperatingSystem）是開(kāi)源的機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)。使用這個(gè)之后，機(jī)器人就可以看見(jiàn)東西、測(cè)繪、導(dǎo)航，或是以最新的算法作用于周圍的環(huán)境當(dāng)中。假如想要制造復(fù)雜的機(jī)器人，已經(jīng)準(zhǔn)備好的ROS程序代碼就能派上用場(chǎng)。ROS能在最低限度下運(yùn)用。這可以透過(guò)Raspberry Pi等級(jí)的計(jì)算機(jī)安裝。

做為ROS的入門篇我們來(lái)看看如何控制伺服機(jī)。伺服機(jī)的缺點(diǎn)是會(huì)盡快遵照指令運(yùn)轉(zhuǎn)，因此頭部常常會(huì)突然活動(dòng)，以至于失去平衡。不過(guò)使用ROS之后，就可以進(jìn)行正弦曲線運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人保持穩(wěn)定。由于可以在ROS當(dāng)中進(jìn)行這項(xiàng)操作，因此無(wú)須改寫控制用的程序代碼。另外，連接伺服機(jī)和ROS的程序代碼，以及伺服機(jī)的硬件都無(wú)須變更。再者，程序代碼還可以任意使用。

ROS很適合用在Ubuntu或Debian上，無(wú)須編譯。建置時(shí)要在Linux機(jī)器上執(zhí)行Ubuntu，使用業(yè)余用伺服機(jī)、Arduino和普通的導(dǎo)線。ROS要在Ubuntu機(jī)器上啟動(dòng)，訊息則透過(guò)USB傳送到Arduino。只要安裝二進(jìn)制的ROS套件，就會(huì)在主控臺(tái)程序（像是gnome-terminal或konsole）追加以下指令，這樣Arduino系統(tǒng)就能辨識(shí)ROS函式庫(kù)。

接下來(lái)要將程序代碼上傳到Arduino當(dāng)中，執(zhí)行低階的伺服機(jī)控制，以便能從Linux機(jī)器操作。這時(shí)要以限制范圍內(nèi)的百分比（0.0～1.0）指定伺服機(jī)的位置。之所以使用百分比而不是寫明角度，是因?yàn)锳rduino的程序代碼限制了正確的角度，要避免在指定角度時(shí)發(fā)生沖突。

就如各位所見(jiàn)，使用ROS之后，一般的循環(huán)函數(shù)就會(huì)變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。循環(huán)函數(shù)只會(huì)訂閱（subscribe）數(shù)據(jù)，任何Arduino循環(huán)都一樣。設(shè)定時(shí)要將ROS初始化，將各個(gè)ROS訊息訂閱者的訂閱叫出來(lái)。每個(gè)訂閱者會(huì)占據(jù)Arduino的RAM，數(shù)量取決于要用程序代碼做什么，以6個(gè)到12個(gè)為限。

#include

#include

#include

#include

#define SERVOPIN 3

Servo servo;

void servo_cb( const std_msgs::Float32& msg )

{

const float min = 45;

const float range = 90;

float v = msg.data;

if( v > 1 ) v = 1;

接下來(lái)要設(shè)法透過(guò)Arduino在ROS的世界說(shuō)話。最簡(jiǎn)單的方法是使用機(jī)器人啟動(dòng)檔。雖然以下的檔案內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，但是這里要追加啟動(dòng)檔，如此一來(lái)即使是非常復(fù)雜的機(jī)器人，也能用一個(gè)指令啟動(dòng)。

$ cat rosservo.launch

$ roslaunch ./rosservo.lanch

rostopic指令可以看出ROS訊息傳送到機(jī)器人的哪個(gè)部位。看了下面的程序代碼就會(huì)發(fā)現(xiàn)，「/head/tilt」可以透過(guò)Arduino使用。訊息要使用「rostopic」傳送。-1的選項(xiàng)只會(huì)發(fā)布（publish）訊息一次，通知/head/tilt傳送一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。

$ rostopic list

/diagnostics

/head/tilt

/rosout

/rosout_agg

$ rostopic pub -1 /head/tiltstd_msgs/Float32 0.4

$ rostopic pub -1 /head/tilt std_msgs/Float320.9

Terry和Houndbot都是ROS機(jī)器人，以6061個(gè)鋁合金零件制造而成。項(xiàng)目的目標(biāo)是要盡量讓這些機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)。

以下的Python腳本程序會(huì)監(jiān)聽(tīng)「/head/tilt/smooth」的訊息，朝「/head/tilt」發(fā)布許多訊息，好讓伺服機(jī)轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度之前慢慢加速，再慢慢延遲旋轉(zhuǎn)。當(dāng)訊息抵達(dá)「/head/tilt/smooth」時(shí)一定會(huì)呼叫「moveServo_cb」。這個(gè)回調(diào)函式會(huì)從-90到+90度之間每10度產(chǎn)生1個(gè)數(shù)值，追加到角度數(shù)組當(dāng)中?！竤in()」會(huì)取這個(gè)角度，數(shù)值從-1到+1慢慢增加。該數(shù)值加1之后，范圍就會(huì)變成0到+2，再除以2之后， 0到+1的曲線數(shù)值數(shù)組就完成了。然后再看看m數(shù)組當(dāng)中，每當(dāng)發(fā)布訊息時(shí)，就會(huì)稍微前進(jìn)一點(diǎn)，范圍在r之內(nèi)，直到1*r或是全范圍為止。

#!/usr/bin/env python

from time import sleep

import numpy as np

import rospy

pos = currentPosition + mi*r

print “pos: “, pos

pub.publish(pos)

sleep(0.05)

currentPosition = targetPosition

print “pos-e: “, currentPosition

pub.publish(currentPosition)

def listener():

if __name__ == ‘__main__’:

listener()

想要測(cè)試伺服機(jī)順暢的動(dòng)作，就要啟動(dòng)Python腳本，將訊息發(fā)布到「/head/tilt/smooth」，這樣一來(lái)即可檢視順暢的動(dòng)作。

$ ./servoencoder.py

$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 1

$ rostopic pub -1 /head/tilt/smoothstd_msgs/Float32 0

ROS當(dāng)中的名稱也可以重新測(cè)繪。只要將「/head/tilt/smooth」重新測(cè)繪為「/head/tilt」，程序就能向伺服機(jī)發(fā)出命令，而不會(huì)意識(shí)到正弦曲線的數(shù)值在變化。









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