CN101449965B - 视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，检测仪的金属臂形成弧形滑槽，滑槽内置第一齿轮，该齿轮与第一电机的输出轴固定相连；镜筒固接第一扇形齿轮，该扇形齿轮与第一齿轮啮合，由第一电机驱动，镜筒绕水平轴线作弧形运动；金属臂的下部转轴固定连接第二扇形齿轮，第二扇形齿轮啮合第二齿轮，第二齿轮与第二电机的输出轴固定相连，第二齿轮转动地定位于底板，第二电机驱动金属臂连带镜筒绕垂直轴线作内收或外展运动；底板与水平横轴啮合，水平横轴由第三电机驱动而转动，水平横轴的另一端转动地定位于底座，在第三电机驱动下，镜筒作水平方向的平移运动。其解决了现有机械式同视机存在人工调节不精确、操作麻烦等问题。

Description

视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统

【技术领域】

本发明属于眼科医疗技术领域，特别是具有多功能视力检查和治疗的数字化视功能检测仪。

【背景技术】

目前，眼视光患者的数量十分惊人，眼视光一般通过眼科医疗仪器来检查和治疗。目前专用于双眼视功能检查和治疗的仪器主要是机械式同视机，其基本构造如下：其底座之上设有一金属箱，箱内储藏一些转动部件及电路；底座上设有一对金属臂，金属臂连接镜筒，每个镜筒包括目镜、反射镜及画片夹，画片夹内插入检查或治疗所用的画片。反光镜装于镜筒内部，其与视线呈45度角，这样能够使两只镜筒分别向左右两个方向弯曲90度，使患者感觉物象来自正前方。镜筒的外端装有目镜，内端插装画片，中间安放一只+7D屈光度的球镜，使画片置于球镜的焦点上，可使光线平行，经目镜看到的画片相当于来自无限远的效果。金属臂的底座上设有刻度盘，其上刻有两行刻度，一行为圆周度，另一行为三棱镜度，以指示镜筒旋转的角度。两镜筒可内转50度、外转40度，镜筒上附有画片的高度及旋转的刻度，可以上下移动及旋转。镜筒各方向的运动都是以眼球为中心点运动的，镜筒以三条轴线为中心作各方向的运动：绕垂直轴线作内收和外展两个方向运动；绕水平轴线作上下方向运动；绕矢状轴作旋转运动。镜筒的运动是通过相对应金属臂的运动来完成的，即由金属臂控制着画片的各个运动。两个金属臂可以单独运动，也可以用锁定后做集合或外展的异向运动，还可以做平移运动。通过不同旋钮可以使画片做垂直和旋转运动，从而医生能把镜筒调到各个合适的诊断眼位进行检查或治疗。

机械式同视机的原理是利用两个镜筒将两眼视野分开，左眼看左画片，右眼看右画片，通过凸透镜将物象投射到两眼视网膜的一定位置上，再通过视中枢传导到视皮层进行加工、分析、综合。如果有双眼视觉，便可以将分别来自双眼的物象合二为一，感觉为一个物体；如无双眼视觉，可以借助于同视机面板的刻度了解患者的斜视度，并对其进行双眼的同视治疗。

现有机械式同视机存在以下缺点：首先，检查或治疗时，左右镜筒及画片都通过手动方式调整至合适位置才能进行，但，手动控制存在调整不精确、操作麻烦的缺陷。其次，画片内容单一、功能单一、无法扩展，如要更换画片，必须通过人工抽插来完成。最后，医生不能看到受检者所检查或治疗的画片内容，从而无法了解和指导其操作，检查和治疗数据也无法自动记录和分析，只能根据受检者的口述，医生才知道结果。这样，就存在较大的检查误差，治疗效果也差。因此，现有机械式同视检查治疗仪器已无法较好地满足眼科临床的需求。

【发明内容】

本发明提供了一种视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其解决了现有机械式同视机存在人工调节不精确、操作麻烦等技术问题。

本发明所采用的技术方案是：视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，所述视功能检测仪的底座上方设有一对金属臂，金属臂下部通过一转轴转动地定位于一底板，该底板通过水平杆定位于底座，底板与水平杆间滑动配合；所述的图像观察装置包括一对镜筒，镜筒内装目镜、反射镜及供视功能检测的图像，金属臂的上部形成弧形滑槽，滑槽内置第一齿轮，该齿轮与第一电机的输出轴固定相连；镜筒固定连接第一扇形齿轮，该扇形齿轮与第一齿轮啮合，由第一电机驱动，镜筒绕水平轴线作弧形上下运动；所述金属臂的下部转轴固定连接第二扇形齿轮，第二扇形齿轮啮合第二齿轮，第二齿轮与第二电机的输出轴固定相连，第二齿轮转动地定位于底板，在第二电机驱动下，金属臂连带镜筒绕垂直轴线作内收或外展运动；所述的底板与一水平横轴啮合，水平横轴由第三电机驱动而转动，水平横轴的另一端转动地定位于底座，在第三电机驱动下，底板连带金属臂及镜筒作水平方向的平移运动。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，于金属臂上固定设置一传感器，于第一扇形齿轮的上下部各固定一标杆，第一扇形齿轮向上或向下运动至极限位置时，上标杆或下标杆触碰传感器，使第一电机停止运转。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，于所述的底板上安装一对传感器，于第二扇形齿轮上固定一标杆，第二扇形齿轮向前或向后运动至极限位置时，标杆触碰其中一传感器，使第二电机停止运转。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，于底座内安装具有一定间距的两传感器，于底板上设一标杆，底板向内或向外平移至极限位置时，标杆触碰其中一传感器，使第三电机停止运转。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，传感器为光电开关。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，镜筒内的图像采用显示器显示。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，设一电机控制系统，该电机控制系统包括AVR电路板，AVR电路板通过电机驱动板来控制五个电机的运转。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，电机控制系统通过串口与上位机之间进行数据的传递，并按照自定义协议进行传输。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，串口与上位机之间进行数据传递的实现方法为：上下位机通讯一次，上位机传输最后一次使用后保存的数据给电机控制系统，使电机控制系统复位到初始状态。

所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，串口与上位机之间进行数据传递，当电机控制系统收到上位机传递的开始指令后，相对应的电机开始转动相应的数值，否则重新传递；当电机控制系统收到上位机传递的结束指令后，停止相应的操作和数据传递，相对应的电机停止运转。

本发明图像观察装置的运动控制系统应用于数字化视觉功能检测仪中，其利用电机控制技术解决了现有机械式同视机存在的人工控制不精确、操作困难等技术问题，又利用微显技术解决了现有机械式同视机存在画片功能单一、无法扩展等技术问题。

另外，在检查或治疗时，医生与患者可同步交流，方便医生设置更合理的检查方法或治疗方案，在患者检查或治疗过程前，系统根据医生为患者设定的参数自动完成准备工作；在检查或治疗过程中，患者操作的具体信息会实时传输到主显示屏上；并且整个操作过程，借助于电机控制系统与PC之间的传输实时地检测和记录相关数据值，充分利用AVR单片机的外部接口资源，如I/O口、USART接口等，提高了患者和医生之间操作的精确性和操作效率。

本发明不仅实现了同视机数字化的目标，而且扩展了斜视、弱视检查和治疗的功能。检查功能包括：客观斜视角、眼位检查、主观斜视角、同时视、立体视及融合视等功能；治疗功能包括：弱视治疗、认知功能治疗、双眼视功能治疗、旁中心注视治疗等功能。

本发明具有显著的技术进步和效果：采用数字式的图片，并且通过电机控制系统实现的按键式操作方便医生进行客观斜视角等的检查或治疗，无需人工手动调节同视机的金属臂以及其他装置，使画片调整至合适状态，彻底解决了现有机械式同视机存在的诸多问题。利用光电开关以及传感技术结合控制系统对电机的极限转动数值进行控制，使得数字化视觉功能检测仪的稳定性得到进一步的提高。控制系统中的USART接口连接RS-232串口与上位机主机部分相连进行数据的实时传输，使该仪器可以对患者眼球的运动进行实时显示和记录。数字化视觉功能检测仪控制系统刻度精度达到0.1，克服了机械式同类仪器中需要人工观察数值而使得数据记录不精确的缺点。

【附图说明】

图1为本发明数字化视力检测仪的立体结构图。

图2为本发明数字化视力检测仪拆去底座后的主视图。

图3为本发明数字化视力检测仪拆去底座后的立体结构图。

图4为本发明数字化视力检测仪拆去底座后的另一立体结构图。

图5为本发明数字化视图检测仪拆去底座后的仰视图。

图6为本发明AVR电路原理框图。

图7为本发明电机控制系统图。

图8为本发明下位机软件流程图。

图9为左键盘结构图。

图10为右键盘结构图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作详细说明。

如图1-5所示，视功能检测仪包括一底座1，底座1为一金属箱，该金属箱内置一些零部件及电路板，底座1的前侧面设有操作键盘2，底座1的上方设有一对金属臂3，金属臂3的上部形成弧形槽4；金属臂3上固定设置一传感器10，该传感器为光电开关。

图像观察装置包括镜筒5，镜筒5内装目镜、反射镜及微型显示屏，微型显示屏用于图像。显示镜筒5穿过一扇形件6，两者固定相连。扇形件6的一端面呈弧形且形成齿牙，该扇形件6的弧形端面置于金属臂3的弧形槽4，两者形状、大小相适配；镜筒5的图像端7处于金属臂3的外侧。靠近扇形件6的弧形端面上下部各固定一标杆61、62。

金属臂3的外侧固定安装电机8，电机8的输出轴穿过金属臂3，其输出轴端外固定一齿轮9，该齿轮9与扇形件6的弧形端面的齿牙相啮合。

启动电机8，其输出轴带动端部的齿轮9正向或反向旋转，与齿轮9相啮合的扇形件6便沿金属臂的滑槽4向上或向下运动，从而与扇形件6固定相连的镜筒5也随之运动，该运动便是以水平轴线为中心的上下运动，以调节其高度。镜筒5的运动量程范围是-30～30°(保持最小精度为：0.1°，一个脉冲转动0.225°，采用周期1ms的脉冲宽度)即镜筒5向下运动至倾角30°时，下标杆62触碰传感器10，电机8断电而停止运转，金属臂3及镜筒5随即停止运动；当镜筒5向上运动至倾角30°时，上标杆61触碰传感器10，电机8断电而停止运转，金属臂3及镜筒5随即停止运动。

金属臂3的下端固定连接一横条11，横条11的一端下方固定相连竖向转轴12，转轴12转动式地定位于底板13，底板13通过两根圆形杆141、142相连于底座1，底板13与圆形杆141、142间可滑动。底板13上安装一对传感器171、172，传感器为光电开关。转轴12与一扇形件15固定相连，扇形件15的弧形端面呈齿牙状，该端面与齿轮16啮合，齿轮16通过电机18的输出轴19定位于底板13，电机18固定于底板13的下侧面。靠近扇形件15弧形端面的中部固定设置标杆151。

启动电机18，带动齿轮16转动，进而带动与其啮合的扇形件15转动，从而金属臂3及镜筒5也随之转动。该运动以纵向轴线为中心而进行的转动，其量程范围为-40°～50°，保持最小精度为：0.1°，当转至极限位置时，标杆151触发其中光电开关171或172动作，电机18断电而停止运转，金属臂3及镜筒5也立即停止转动。

底板13的下方形成两齿条20，齿条20与齿轮21啮合，两齿轮21固定于水平杆22，水平杆22的一端与电机23的输出轴相固定，另一端转动地定位于底座1的内壁。

启动电机23，带动水平杆22及两齿轮21转动，进而使底板13向内或向外平移，而使两金属臂3及镜筒5相向或背向平移。该运动是沿水平轴平移的运动，以调整两镜筒间的水平距离。平移的量程范围：45～75mm，电机约转一圈对应瞳距8mm，保持最小精度为：0.1mm。

底座1内装有一对传感器241、242，传感器是光电开关，两传感器间有一定的间距。底板13于两传感器间固定设置标杆131，当底1板3向内或向外平移至极限位置时，标杆131触碰传感器241或242，使电机23断电而停止运转，从而金属臂3及镜筒5也随即停止转动。

如图7所示：五个电机运转的控制系统包括以下几部分：

AVR控制电路板：该电路板为AVR单片机为核心扩展了多个I/O口、USART接口、JTAG口，为控制5个电机以及与上位机PC之间的传输提供驱动。

两个患者使用的键盘：患者通过这两个键盘对电机进行控制从而来控制患者在镜筒中所看到的画片位置。

5个电机驱动板：电机驱动板为光耦隔离模块，其为电机提供一定的驱动。

两块小屏：左眼屏与右眼屏，屏上显示的即为患者所能看到的两幅画片。

两块VGA驱动板：其型号为2621，驱动两块VGA小屏。

电机控制系统通过USART接口与上位机之间进行数据的传递，并按照自定义协议进行传输，数据的传递主要采用发送和接受中断。下位机USART接口与上位机之间需要传递的数据信号有以下几种：数据传递的开始、结束判断信号；下位机传上去的数值类型、对应的数值；上下位机之间判断传输正确与否的信号数据。

USART接口与上位机之间进行数据的传递关系，上电后的实现方法为：上下位机通讯一次，上位机传最后一次机子使用后保存的值给AVR，使AVR复位到初始状态。

USART接口与上位机之间进行数据的传递关系，在开始数据传递后，当AVR收到PC传递来的下发开始指令后，操作的方法为：当PC反馈过来的数据显示AVR成功传递给了PC后，相对应的电机开始转动相应的数值，否则重新传递；当AVR受到PC传递过来的下发结束指令后，停止相应的操作和数据传递，相应的电机停止运转。

如图6所示，通过键盘输入操控五个电机的运转状态，该控制信号传递至MCU芯片，由MCU芯片对该指令信号进行处理，后将其传递至电机驱动板，并与上位机进行相互通信，然后，电机驱动板控制电机的运转。

当五组行程控制开关通过光电开关检测到转动极限位置信号时，其将该信号反馈至MCU芯片，经MCU芯片处理后，传递至电机驱动板，再由电机驱动板控制电机，使其停止运转。

如图8所示即为数字化视觉功能检测仪中控制系统软件的流程图。通过系统软件，患者可以方便对显示屏的显示画片进行操作并实时的把数据传输给上位PC机。

如图9、10所示为键盘结构图，其共设置12个按钮，分配如下：

(1)、K0和K1分别控制水平视场角(左)正转和反转；

(2)、K2和PK3分别控制水平视场角(右)正转和反转；

(3)、K4和K5分别控制垂直视场角(左)正转和反转；

(4)、K6和K7分别控制垂直视场角(右)正转和反转；

通过键盘复用还可复用为：

K0：集合键测集合度；

K1：开散键测融合度。

当进行精细操作训练、CAM训练的操作时：上位机下发指令执行以上两种方式的操作时，下位机键盘进行锁定和开放，分配如下：

(1)、K0和K1分别控制左眼选定图像中的←和→；

(2)、K2和K3分别控制右眼选定图像中的←和→；

(3)、K4和K5分别控制左眼选定图像中的↑和↓；

(4)、K6和K7分别控制左眼选定图像中的↑和↓；

(5)、另外分配四个键盘分别控制左右眼的内旋和外旋如下：

K8、K9分别控制左眼的内旋和外旋；

K10、K11分别控制右眼的内旋和外旋。

本发明通过AVR单片机控制技术实现了用键盘输入控制电机正反转，即实现了对左右眼水平视场角、垂直视场角的角度变化、瞳距的调节以及上、下位机之间发送和接受数据的实现。

本发明的串口通信协议编写技术实现了上、下位机之间命令和数据格式的统一。采用9600波特率，8位数据位，无校验位的通信方式，按数据包进行传输，每个数据包含有5帧的数据，其中包括起始位，参数位一，参数位二，校验位，结束位。这些参数即是上位机发送下位机AVR的命令码以及下位机AVR发送回上位机的数据值(水平视场角，垂直视场角，瞳距对应的刻度值)。

本发明的整体结构布局设计技术实现了下位机部分的镜筒、底座、键盘等整机的结构设计。

Claims (10)

1.视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，所述视功能检测仪的底座上方设有一对金属臂，金属臂下部通过一转轴转动地定位于一底板，该底板通过水平杆定位于底座，底板与水平杆间滑动配合；所述的图像观察装置包括一对镜筒，镜筒内装目镜、反射镜及供视功能检测的图像，其特征在于：金属臂的上部形成弧形滑槽，滑槽内置第一齿轮，该齿轮与第一电机的输出轴固定相连；镜筒固定连接第一扇形齿轮，该扇形齿轮与第一齿轮啮合，由第一电机驱动，镜筒绕水平轴线作弧形上下运动；所述金属臂的下部转轴固定连接第二扇形齿轮，第二扇形齿轮啮合第二齿轮，第二齿轮与第二电机的输出轴固定相连，第二齿轮转动地定位于底板，在第二电机驱动下，金属臂连带镜筒绕垂直轴线作内收或外展运动；所述的底板与一水平横轴啮合，水平横轴由第三电机驱动而转动，水平横轴的另一端转动地定位于底座，在第三电机驱动下，底板连带金属臂及镜筒作水平方向的平移运动。

2.如权利要求1所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：于金属臂上固定设置一传感器，于第一扇形齿轮的上下部各固定一标杆，第一扇形齿轮向上或向下运动至极限位置时，上标杆或下标杆触碰传感器，使第一电机停止运转。

3.如权利要求1所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：于所述的底板上安装一对传感器，于第二扇形齿轮上固定一标杆，第二扇形齿轮向前或向后运动至极限位置时，标杆触碰其中一传感器，使第二电机停止运转。

4.如权利要求1所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：于底座内安装具有一定间距的两传感器，于底板上设一标杆，底板向内或向外平移至极限位置时，标杆触碰其中一传感器，使第三电机停止运转。

5.如权利要求2-4任一项所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：所述的传感器为光电开关。

6.如权利要求1所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：所述镜筒内的图像采用显示器显示。

7.如权利要求1所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：设一电机控制系统，该电机控制系统包括AVR电路板，AVR电路板通过电机驱动板来控制五个电机的运转。

8.如权利要求7所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：所述的电机控制系统通过串口与上位机之间进行数据的传递，并按照自定义协议进行传输。

9.如权利要求8所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：所述的串口与上位机之间进行数据传递的实现方法为：上下位机通讯一次，上位机传输最后一次使用后保存的数据给电机控制系统，使电机控制系统复位到初始状态。

10.如权利要求9所述的视功能检测仪中图像观察装置的运动控制系统，其特征在于：所述的串口与上位机之间进行数据传递，当电机控制系统收到上位机传递的开始指令后，相对应的电机开始转动相应的数值，否则重新传递；当电机控制系统收到上位机传递的结束指令后，停止相应的操作和数据传递，相对应的电机停止运转。

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