智能艾灸机械臂的软硬件开发与调试优化策略

智能艾灸机械臂的软硬件开发与调试优化策略

李迎朝

南京宇丰晔禾信息科技有限公司，江苏南京，211500

摘要：本文对智能艾灸机械臂的软硬件开发和调试优化进行了研究。开展了软件需求分析和规划；设计了控制系统的计算机编程和用户界面；对智能艾灸机械臂的开发、调试和优化提出了一套完善的策略。研究结果为智能艾灸机械臂的开发和应用提供了有益的参考。

关键词：智能艾灸机械臂；软件；硬件；调试优化；控制系统；传感器

0引言

随着健康意识的增强和医疗技术的不断发展，中医治疗在当今社会受到了越来越多的关注。艾灸作为中医治疗的一种重要形式，以其独特的疗效和安全性逐渐成为人们关注的焦点。传统的艾灸方式存在诸多局限性，包括操作不便、效果难以精确控制等，这也催生了智能艾灸机械臂的诞生和发展。目前，艾灸机械臂已经成为一种集先进控制技术、传感技术、人机交互技术于一体的智能艾灸机械臂，能够实现自动控制和艾灸过程实时监测，大大提高了艾灸治疗的效率和准确性。为了实现智能艾灸机械臂的有效运行，有必要进行全面的软硬件开发和调试优化。

1 智能艾灸机械臂的软件开发

1.1 软件需求分析与规划

软件需求分析阶段包括对智能艾灸机械臂的功能需求、性能指标以及用户需求进行详细的调研和分析。在软件需求分析阶段，需要明确智能艾灸机械臂的基本功能，包括艾灸位置控制、温度控制、工作模式切换等功能。还需要考虑用户的操作习惯和需求，设计出符合用户习惯的界面交互方式，提高用户的使用体验。

软件规划阶段，需要根据需求分析的结果，制定软件开发的计划和时间表，明确开发的阶段目标和完成时间。同时，还需要确定软件开发的技术路线和开发工具，选择合适的开发平台和编程语言，确保软件开发的高效性和可维护性[1]。

1.2 控制系统设计与编程

控制系统设计与编程是智能艾灸机械臂软件开发的核心环节之一。在控制系统设计阶段，需要根据软件需求分析的结果，设计艾灸机械臂的运动控制算法、温度控制算法等核心控制算法。同时，还需要设计艾灸机械臂的控制逻辑，包括工作模式切换逻辑、异常处理逻辑等。

在控制系统编程阶段，需要进行控制算法的编码实现，将设计好的控制算法转化为可执行的代码。在编程过程中，需要考虑控制算法的实时性和稳定性，采用合适的数据结构和算法实现，确保艾灸机械臂的控制精度和稳定性。同时，还需要编写控制逻辑的代码，实现艾灸机械臂的工作模式切换、异常处理等功能。

1.3 用户界面设计与优化

对智能艾灸机械臂软件的开发进行用户界面设计及优化是十分必不可少的一个环节。在用户界面设计过程中，为了保证整体美观与功能完整的要求，需要对界面的布局与结构加以考虑，对各个功能模块与控制按钮进行合理编排设计。另外，对于控件与图标的选型也是重点之一，力求界面简洁大方符合用户对审美上的要求。而且对于界面的交互方式也是重要的设计要点之一，为了有效地提高用户的操作效率与体验感，在设计上要采用直观明了反应灵敏的交互方式。

在用户界面优化阶段，根据用户的反馈意见和使用数据对现有用户界面进行进一步的优化和调整，以期达到完美呈现用户界面的目的。主要途径是开展用户调查和用户测试来了解用户的需求和偏好，并发现用户界面中存在的问题和不足之处，然后有针对性地加以改进和优化。

2 智能艾灸机械臂的硬件开发

2.1 硬件架构设计与选型

主要硬件架构包括主控制器作为核心部件来负责系统的控制与协调，运动控制模块用于实现机械臂的精确运动控制，温度控制模块用于在艾灸过程中维持温度的精确稳定，以及包括位置感应器和温度感应器在内的传感器模块用于采集关键数据并向控制系统进行反馈，以实现对艾灸过程的实时监控与调节，从而保证艾灸的精确性以及温度的控制。

在硬件的选择上，要选择适合自己的硬件设备，这需要根据硬件架构设计的要求来进行。如针对运动控制模块，可选择Allen-BradleyKinetix系列等高性能运动控制器；对于温控模块，如芯片式温度传感器TMP36等，可选用精密稳定的温度传感器；对于传感器采集模块，可选用模拟光电传感器模块TSL2561等精度较高的传感器模块。

2.2 传感器与执行器的集成与调试

传感器与执行器的集成与调试是智能艾灸机械臂硬件开发中至关重要的一环，涉及到很多方面的内容。先要保证传感器与执行器的连接和接口设置是正确可靠的，从而保证传感器对艾灸过程中的关键数据进行正确的采集[2]。然后还要对执行器进行驱动和连接设置，使执行器能按照控制系统的指令对机械臂进行准确的动作。所以，传感器和执行器的集成与调试是一项复杂的工作，需要在设计和实现阶段充分考虑。

进行集成与调试的过程，对各个硬件模块之间的通信与数据传输进行测试，保证数据的准确传输和实时更新。对传感器与执行器进行性能测试，以验证其性能指标是否达到软件需求分析中的要求，从而发现并解决硬件系统中存在的问题和不足，最终达到智能艾灸机械臂硬件系统稳定运行的目的。

2.3 硬件系统测试与性能优化

研究进行了全面的功能测试和性能测试，测试结果如下表所示：

表1 功能测试和性能测试结果

通过测试发现，在运动控制方面，机械臂的位置控制精度可以满足要求，在艾灸过程中能够精确控制机械臂的位置；在温度控制方面，系统能够保持艾灸过程中的温度稳定，在设定范围内波动较小；在传感器数据采集方面，传感器模块的数据采集精度较高，能够准确地采集艾灸过程中的关键数据。

在性能优化方面，针对发现的问题和不足，采取了以下措施进行优化：

①运动控制精度优化：调整运动控制算法参数，优化控制逻辑，提高位置控制的精度。经过优化后，运动控制精度达到了±0.3mm，进一步提高了机械臂的运动控制精度。

② 温度控制稳定性优化：在温度传感器校准算法的基础上，增加了温度控制反馈的环节以增强温度控制的稳定程度。优化后可使温度波动幅度在0.5°C的范围内得到控制和缩小。从而在提高控制精度的同时，使系统运行稳定性得到提高。

③ 传感器数据采集优化：在采集算法的基础上进行优化处理，在频率和质量上都有所提高进行数据采集和精确度的提升。经过优化后的数据采集精确度可以达到99%以上。从而使数据的精确度得到进一步的提高。

性能的优化，使智能艾灸机械臂的硬件系统得到了很大的提高，使之在满足艾灸过程中的各种要求上有了更好的表现，并能更可靠地保证艾灸的效果的的稳定与可靠，从而使智能艾灸机械臂在实际应用中得以充分发挥。

4 智能艾灸机械臂的调试与优化

4.1 调试流程设计

调试流程设计的第一阶段为基础调试阶段，主要包括硬件连接测试和基本功能测试，确保各硬件模块连接正常，能够正常启动并执行基本功能。第二阶段为功能验证阶段，重点测试各功能模块的功能是否完整，包括运动控制、温度控制、传感器数据采集等功能。第三阶段为性能调试阶段，对各功能模块的性能进行全面测试和优化，确保系统的稳定性和性能指标达到要求。第四阶段为综合调试阶段，对整体系统进行综合测试，模拟实际使用场景，验证系统的完整性和可靠性。在每个阶段中，都设置了详细的调试步骤和测试指标，对调试过程进行了全面规划和管理，以确保调试工作的顺利进行[3]。同时，还设立了调试记录和问题反馈机制，及时记录调试过程中的问题和解决方案，保证调试工作的及时跟进和反馈，最终确保智能艾灸机械臂的调试工作顺利完成，达到预期的性能和稳定性要求。

4.2 算法优化与性能调整

在算法优化方面，针对运动轨迹规划算法，采用了基于PID控制器的位置控制方法，其中利用位置控制器的输出来调节艾灸机械臂的运动速度和加速度，从而达到流畅的运动轨迹，具体而言，位置控制器的输出计算公式为：

其中，为当前位置偏差，分别为位置比例、积分和微分系数，用于调节位置控制器的响应速度和稳定性。通过调节这些参数，可以优化位置控制器的性能，提高运动轨迹的精确度和稳定性。

温度控制算法则采用了基于模糊逻辑的温度控制方法，其中模糊控制器的输出被用于调节艾灸机械臂的加热功率，以实现对艾灸过程中温度的精确控制。具体地说，模糊控制器的输入变量包括以发热功率的变化为输出变量的当前温度偏差和温度变化率。针对不同工况下的温度控制需求，精心设计优化了模糊控制器的规则库和模糊化流程。在艾灸过程中，通过模糊控制器的输出，确保温度稳定，控制精准，从而实现精准的温度调节。

4.3 系统稳定性测试与故障排除

在系统稳定性测试与故障排除阶段，进行了全面的系统稳定性测试，包括连续运行测试、负载测试、温度波动测试等。结果显示，系统在连续运行72小时后，运行稳定，未发生系统崩溃或异常停止现象；在负载测试中，系统能够稳定运行并处理高负载情况下的任务；在温度波动测试中，系统温度波动范围保持在±0.5°C以内，稳定性良好。接着，针对可能出现的故障情况，制定了详细的故障排除方案。通过模拟故障并逐一排查，成功解决了部分传感器连接不良、控制器过热等常见故障，确保系统的稳定性和可靠性。同时，根据排查结果对系统进行了进一步优化，例如增加了散热装置以降低控制器温度，优化了传感器连接方式以提高连接稳定性。

5 结语

本文通过对智能艾灸机械臂的软硬件开发与调试优化策略的研究与实践，取得了显著的成果。在软件开发方面，通过对软件需求的分析与规划，控制系统的设计与编程，以及用户界面的设计与优化，实现了智能艾灸机械臂的功能完整与用户体验的提升。在硬件开发方面，通过对硬件架构的设计与选型，传感器与执行器的集成与调试，以及硬件系统的测试与性能优化，确保了智能艾灸机械臂硬件系统的稳定性和性能指标的达标。在调试与优化阶段，通过合理的调试流程设计，算法的优化与性能调整，以及系统稳定性测试与故障排除，进一步提高了智能艾灸机械臂的性能水平和可靠性。

参考文献

[1]夏世林;佃松宜;张浛芮;李应昆;涂海燕;赵国友.一种适用于多关节艾灸机械臂艾灸器的设计与应用[J].中国针灸,2020:4.

[2]王恋,王先全,文成杨,赵婷婷,方怡.基于“互联网+”的智能艾灸医疗器械设计[J].传感器与微系统,2020:109-112.

[3]赵国友;刘宜成;涂海燕;张浛芮;夏世林;李应昆.艾灸机械臂的设计与应用[J].针刺研究,2020:5.

作者简介：李迎朝（1995.01-），男，汉，湖北黄冈人，大专，助理工程师，研究方向：智能制造，光电智能研究，智能机械臂软硬件开发调试等。