基于 PLC 的中医按摩机器人步进电机控制系统

引 言

我国的中医历史悠久，对亚健康疾病患者的治疗很有疗效。各大商场和公共场所购进了大批的按摩椅，但是这些按摩椅手法单一，不能够起到很好的治疗作用。这就促使了人们对具有良好按摩性能的康复医疗机器人进行了大量的研究。结合计算机、机电传动、自动控制等多种技术研究基于原始点按摩疗法的按摩机器人，缓解了当前中医按摩资源相对匮乏、人们日益关注的亚健康状况及相关的疾病。

1 机械系统设计

按摩机器人有 3 个自由度，采用龙门式机械结构，可进行 X，Y，Z 三个轴方向的步进运动控制 [1]。按摩机器人主要由 3 个步进电机和步进驱动器、传感器、PLC 控制器、按摩头、按摩台、传动丝杠、光杠等组成。机械结构采用仿机床结构的设计保证了轴向运动的精确性，该机器人的机械结构见图 1。

2 控制系统工作原理

中医按摩机器人通过摄像头的反馈来手动调节实现对运动轴的控制，结合患者体型的不同，对照原始点按摩疗法寻找穴位，控制按摩头实现精确找点 ；还可以通过调节力度、温度、振动大小等参数实现不同的治疗方案，数据通过以太网通信 [2-5] 传输到 PLC 中，并实时地显示在触摸屏上，从而实现按摩机器人 X，Y，Z 三轴的精确控制。图 2 为按摩机器人的系统组成。

3 系统的硬件接线

PLC 选择的是西门子 S7-200SMART 系列的 ST30。PLC是西门子标准的晶体管输出的 CPU，集成 3 路高速脉冲输出， 支持 100 kHz 的 PTO 输出模式 [1]，控制所有的伺服驱动器。Q0.0，Q0.1，Q0.2 产生 3 轴的高速脉冲信号和方向控制信号。由于 PLC 输出的电压为 24 V，需要串联 1 kΩ 电阻才能连接步进电机驱动器。系统的电气连接图如图 3 所示。

4 系统软件设计

系统通过 PLC 产生的高低电平信号进行方向的控制，实现电机的正反转。设定脉冲量实现速度的控制，可以采用手动控制模式，实现上下、左右、前后的点动，通过 X，Y，Z 三轴的限位传感器进行限位。人机界面采用 MCGS 触摸屏软件 [6-7] 进行设计，实现了按摩器手法的切换、力度的调整、振动和加热的设置、时间的显示等功能。控制系统的上位机主界面如图 4 所示。

5 结 语

本文主要介绍中医按摩机器人步进电机的控制部分，利用 PLC 控制步进电机进行工作，通过步进电机控制器实现精确控制 ；上位机软件采用 MCGS 触摸屏进行设计，简单易操作。经试验验证分析，中医按摩机器人效果良好。