CN103322991B - 一种激光定位仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光定位仪，包括激光灯以及带动激光灯动作的自旋机构、位移机构和倾斜机构，所述自旋机构包括自旋驱动装置、自旋蜗杆蜗轮传动副，自旋驱动装置通过自旋蜗杆蜗轮传动副带动激光灯绕第一轴线为中心转动，第一轴线为激光灯自身的中心轴线；所述位移机构包括位移驱动装置、位移传动螺杆，位移驱动装置通过位移传动螺杆带动激光灯沿第二轴线直线移动，第二轴线为传动螺杆的中心轴线；所述倾斜机构包括倾斜驱动装置、倾斜蜗杆蜗轮传动副，倾斜驱动装置通过倾斜蜗杆蜗轮传动副带动激光灯沿第三轴线为中心转动，所述第三轴线、第一轴线、第二轴线在三维空间相互垂直。本发明可以实现自动、精确的激光灯定位调节，单人操作，降低工作量。

Description

一种激光定位仪

技术领域

本发明涉及空间位置的定位装置，具体上涉及一种激光定位仪。

背景技术

使用一个或者多个激光灯进行空间定位的电气控制和机械模块总成叫做激光定位仪。在医学领域，常常需要各种类型的激光定位仪发出的激光线作为可视参考坐标系，用来模拟病灶三维重建过程中所依赖的理论坐标系，从而配合人体三维扫描与病灶治疗中的重复定位工作。其中，医学放射检查设备(如：CT机等)需要与单轴大行程的移动式激光定位仪(简称：“移动式”激光定位仪)配合使用，这种“移动式”激光定位仪发射出“一”字型定位光斑；医学放射治疗设备(如：医用直线加速器、Co60治疗机、模拟定位机等)需要与壁挂固定式激光定位仪(简称：“固定式”激光定位仪)配合使用，这种“固定式”激光定位仪发射出“十”字型定位光斑。另外，在生产加工行业(如服装裁剪、石材加工等)，也都需要利用激光定位仪发出的激光线来产生加工时的定位基准。因此，为使各类激光定位仪发出的激光线所代表的可视参考坐标系真正能拟合理论坐标系，技术人员必须将这两个坐标系的相对位置公差严格限制在一个治疗或者生产许可的位置公差带范围内，这样才能使治疗或者生产达到所规定的精度。

在实践中，一般使用单个激光灯发射出长条形的“一”字型光斑定位线；考虑到正交角度的可控性，一般使用两个能发射出“一”字型光斑的激光灯垂直组合，产生“十”字型光斑定位线。对于工作中所需要的“一”字型激光定位线，需要限制产生该定位光斑的激光灯的三个自由度(即位移、倾斜和自旋)，来保证照射姿态的稳定；同理，对于“十”字型激光定位线，如果要保证该组合体中两个独立产生“一”字型光斑的激光灯的照射姿态稳定，就要有六个自由度需要限制，即A激光灯的位移、倾斜和自旋和B激光灯的位移、倾斜和自旋。

在现有各种激光定位仪中，如医用直线加速器机房内安装的“固定式”激光定位仪和医用CT机房内安装的“移动式”激光定位仪等，它们在安装调试的时候，都需要技术人员去根据理论要求，反复地调节限制激光灯各个自由度的参数以便得到最佳的照射姿态，以保证利用可视激光坐标系去模拟理论坐标系的精准性。在现有各种激光定位仪使用过程中，由于地基震动、墙的变形、温度漂移、机械磨损等种种原因，激光线又会产生新的偏移，技术人员也需要经常去校核激光线偏移量是否超出了位置公差带要求，进而调节这些位置偏差，使偏差回归到公差许可范围内。

现有各种激光定位仪控制单个“一”字型激光灯的发射姿态用的还是纯机械人工调节的办法。如图1所示，在医用直线加速器机房内，调节墙壁102上固定的激光定位仪101时，一般需要两个技术员配合操作，N处的技术员首先在墙壁102侧打开激光定位仪101的产品外壳，松开限制激光灯自由度的锁紧螺钉(亦叫紧定螺钉)，用工具旋转激光灯姿态调节旋钮(亦叫调节螺栓)进行微调，另一个技术员在2米之外的理论坐标系原点M处观察从激光定位仪101发射出的激光束(沿B_2轴)照射到M处的光斑姿态，通知N处的技术员该调节哪个激光灯自由度以及朝哪个方向去微调多少，当M处技术员认为调节后的光斑位置精度满足公差带约束后，N处的技术员需要重新旋紧已调激光灯的锁紧螺钉，最后安装激光定位仪101的产品外壳。如图1所示，在医用直线加速器机房内需要安装多个激光定位仪(如墙壁106上固定的激光定位仪105，墙壁104上固定的激光定位仪103)共同构建出一个可视激光坐标系，因此，日常对各个方向激光定位仪的发射姿态校核工作是相当繁重地。现有激光定位仪及其调整工作流程中的不足之处体现在：

1、调节的精确度难以保证。由于激光光臂的放大作用，技术员在N处手动对激光灯照射姿态的任意微小角度调节，在M处形成的激光照射光斑位置变化都会很大，从而使得手动调节以满足光斑位置公差(如正负1mm以内)要求变得非常困难。

2、调节容易受到干扰。当技术员在N处调节激光定位仪101中相对应自由度的姿态调节旋钮(亦叫调节螺栓)，M处技术员告诉N处技术员调节合格，N处技术员需要去旋紧限制相对应自由度的锁紧螺钉(亦叫紧定螺钉)以及盖上激光定位仪101的外壳。此时，N处技术员与激光定位仪101接触所产生的外力干扰以及机械震动，常常使已经调节好的定位精度再次丢失。

3、调节工作效率低。调节工作一般由两个人来完成，单个技术员在N处通常是无法准确观测到2米之外M处的激光照射光斑的毫米级别(甚至十分之一毫米级别)的微小变化量，造成人均工作效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服以上缺陷，提出一种激光定位仪，提高调节的精确度，实现单人自动调节，提高操作效率。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的。

一种激光定位仪，包括激光灯，以及带动激光灯动作的自旋机构、位移机构和倾斜机构，所述自旋机构包括自旋驱动装置、自旋蜗杆蜗轮传动副，所述自旋驱动装置通过自旋蜗杆蜗轮传动副带动激光灯以第一轴线为中心转动，所述第一轴线为激光灯自身的中心轴线；所述位移机构包括位移驱动装置、位移传动螺杆，所述位移驱动装置通过位移传动螺杆带动激光灯沿第二轴线直线移动，所述第二轴线为传动螺杆的中心轴线，所述第二轴线与第一轴线垂直；所述倾斜机构包括倾斜驱动装置、倾斜蜗杆蜗轮传动副，所述倾斜驱动装置通过倾斜蜗杆蜗轮传动副带动激光灯以第三轴线为中心转动，所述第三轴线、第一轴线、第二轴线在三维空间相互垂直。

进一步，上述激光定位仪中，所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆的螺旋线升角小于当量摩擦角；所述位移传动螺杆的螺旋线升角小于当量摩擦角；所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆的螺旋线升角小于当量摩擦角。

所述自旋机构还包括自旋固定支架、滑块，所述自旋驱动装置固定在自旋固定支架上，所述自旋固定支架固定在滑块上，所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆与自旋驱动装置连接；所述激光灯设有激光灯套，所述激光灯套通过第一轴承安装在滑块上，所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗轮为扇形蜗轮，且与激光灯套连接。

所述滑块上还设有自旋限位开关，用于限制激光灯转动的最大角度。

所述滑块上设有位移传动螺孔，所述位移机构还包括位移固定支架，所述位移驱动装置固定在位移固定支架上，所述位移传动螺杆的一端与位移驱动装置连接，所述位移传动螺杆的螺纹段与位移传动螺孔螺旋连接。

所述滑块上还设有导杆安装孔，所述位移机构还包括位移导杆，所述位移导杆的两端固定在位移固定支架上，导杆中段穿过导杆安装孔，且位移导杆的轴线与位移传动螺杆的轴线平行。

所述位移固定支架上还设有位移限位开关，用于限制位移传动螺杆所驱动滑块的极限移动位置。

所述位移固定支架上还设有第二轴承，所述倾斜机构还包括倾斜固定支架，所述位移固定支架通过第二轴承连接在倾斜固定支架上；所述倾斜驱动装置固定在倾斜固定支架上，所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆与倾斜驱动装置连接，所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗轮为扇形蜗轮，且与位移固定支架连接固定。

进一步，该激光定位仪包括两个激光灯，以及分别带动两个激光灯动作的两套自旋机构、两套位移机构和两套倾斜机构，且两套位移机构中的位移传动螺杆的轴线垂直布置。

还包括激光定位仪主板、无线通信接口；所述激光灯与激光定位仪主板电连接；所述无线通信接口与激光定位仪主板电连接；所述自旋驱动装置、位移驱动装置、倾斜驱动装置分别与激光定位仪主板电连接。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

1、激光定位仪的各个方向的定位姿态调节工作通过驱动装置自动控制完成，无需手工调节，而且采用蜗杆蜗轮传动副传动调节，利用蜗杆蜗轮传动副具有大齿数比的特性，提高了激光灯自由度的姿态控制分辨率，即提高了激光灯的定位精度。

2、利用蜗杆蜗轮传动副传动调节具有大传动比的特性，采用小体积小扭矩驱动装置就能产生较大的激光灯自由度定位力矩，使得整个产品结构紧凑、驱动装置质量减小。

3、利用蜗杆蜗轮传动副的单向传动原理(即当蜗杆螺旋线升角小于当量摩擦角时，蜗轮无法反向驱动蜗杆)，使得激光定位仪即使在断电情况下，也能保持激光灯定位姿态的机械自锁。

4、利用外部遥控器远距离无线操控激光定位仪多自由度的姿态调整，简化了原有的双人工作配置，提高了工作效率。

5、用户可以通过激光定位仪上的LCD显示屏读取激光灯各个自由度的当前位置数字信息。而且激光定位仪的定位姿态调节工作全部由数字化传输、控制完成，本发明的产品能够形成信息化智能化网络节点，与其它信息化智能化设备交换激光灯定位数字信息。

附图说明

图1为利用激光定位仪进行空间定位的演示图；

图2为具体实施方式内部结构图；

图3为具体实施方式中激光灯和自旋机构的结构图；

图4为具体实施方式中包含位移机构的结构图；

图5为具体实施方式中包含倾斜机构的结构图；

图6为具体实施方式正面外观图；

图7为具体实施方式的电路模块连接图。

具体实施方式

如图2所示的一种激光定位仪，为构造“十”字型光斑，在底板40上装有两个激光灯头及其调节驱动机构，调节驱动装置包括自旋机构、位移机构、倾斜机构，分别为第一激光灯10A，第一自旋机构01A，第一位移机构02A，第一倾斜机构03A，第二激光灯10B，第二自旋机构01B，第二位移机构02B，第二倾斜机构03B。两个激光灯头及其调节驱动机构的结构相同，下面对其结构做详细描述。

图3中显示了控制单个激光灯自旋姿态的自旋机构01。自旋机构01包括固定支架13、滑块14，自旋驱动电机11和作为传动机构的自旋蜗杆蜗轮传动副。

自旋机构的自旋驱动电机11固定在自旋固定支架13上面，自旋固定支架13固定在滑块14上面。作为传动机构的自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆12与自旋驱动电机11连接。

激光灯10固定在激光灯套19内部，并与激光灯套19同轴，该轴为第一轴线A_1。激光灯10发出的扇形激光束沿第一轴线A_1轴为中心向外传播。激光灯套19通过第一轴承16安装在滑块14上，作为传动机构的自旋蜗杆蜗轮传动副中的扇形蜗轮121固定在激光灯套19外侧，扇形蜗轮121的加工中心轴在A_1轴，使得激光灯套19能在蜗轮121的带动下围绕第一轴线A_1轴在滑块14上旋转。限位开关18限制了激光灯套19的旋转范围，使其只能沿着扇形蜗轮121的分度圆上的一段圆弧a1摆动。当自旋驱动电机11驱动蜗杆12转动时，螺杆12带动扇形蜗轮121、激光灯套19和激光灯10绕第一轴线A_1轴转动，这样，用户就可以通过控制自旋驱动电机11来对激光灯10的自旋角度进行精确定位。

上述蜗杆12和蜗轮121配合设计具有以下优点：(1)蜗杆和蜗轮的传动比一般远大于其它类型的机械传动结构，使得自旋驱动电机11只需要一个很小的扭矩就能克服激光灯套19的旋转阻力。因此，自旋驱动电机11在选型上就可以选择小体积小质量小扭矩的型号，从而使得整个激光定位仪产品结构紧凑和质量减小。(2)由于蜗轮和蜗杆的齿数比很大，自旋驱动电机11旋转定位的最小分辨角度除以该齿数比，可得出激光灯自旋定位的最小分辨角度，使得激光灯10的自旋定位精度大幅提高。(3)蜗杆和蜗轮的单向传动性能好，确保蜗杆12的螺旋线升角小于当量摩擦角，当自旋驱动电机11停止动作或者断电后，激光灯10能保持可靠的自旋角度定位机械自锁。(4)蜗杆和蜗轮的传动具有啮合平稳，噪声低的特点。

图4中还显示了控制单个激光灯位移姿态的位移机构02。位移机构02包括位移固定支架22、位移驱动电机21和作为传动机构的位移传动螺杆26。

如图3和图4所示，在滑块14的中间位置设有位移传动螺孔15，两侧的位置设有导杆安装孔17。

位移驱动电机21固定在位移固定支架22上。作为传动机构的位移传动螺杆26的一端与位移驱动电机21连接，螺杆26的螺纹段与位移传动螺孔15螺旋连接，位移传动螺杆26的中心轴线为第二轴线A_2。电机支架22上还设有位移导杆24，位移导杆24的两端固定在位移固定支架22上，导杆中段穿过导杆安装孔17，且位移导杆24的轴线与位移传动螺杆26的轴线平行。另外，滑块14的侧面与位移固定支架22的侧面滑动接触，在位移导杆24的辅助导向下，可以确保螺杆26不会带动滑块14绕第二轴线A_2旋转，这样，位移驱动电机21可驱动滑块14以及整个自旋机构01沿第二轴线A_2往复移动。位移限位开关23固定在位移固定支架22的两端部，防止自旋机构01在运动过程中与位移固定支架22产生机械碰撞。这样，用户就可以通过控制位移驱动电机21对激光灯10的位移进行精确定位。

当选型的位移传动螺杆26的螺杆螺旋线升角小于当量摩擦角时，自旋机构就可以在第二轴线A_2方向获得反向机械自锁性能。例如，当位移驱动电机21断电时，激光灯10及其附属机构也不会因为自身重力使其在第二轴线A_2方向的定位位移a2发生任何变化。

在图5中还显示了控制单个激光灯倾斜姿态的倾斜机构03。倾斜机构03包括倾斜固定支架、倾斜驱动电机31和作为传动机构的倾斜蜗杆蜗轮传动副。

如图4、图5所示，倾斜固定支架包括电机支架34和转轴支架32。在位移固定支架22两侧面还安装有第二轴承25，位移固定支架22通过第二轴承25安装在转轴支架32上，转轴支架32固定在激光定位仪底板40上。第二轴承25上的回转轴线为第三轴线A_3。第一轴线、第二轴线、第三轴线在空间上相互垂直。位移固定支架22上固定倾斜蜗杆蜗轮传动副中的扇形蜗轮331，扇形蜗轮331的加工中心轴也在第三轴线A_3上，扇形蜗轮331可以带动位移机构02绕第三轴线A_3旋转，a3为扇形蜗轮331的分度圆方向。

倾斜驱动电机31固定在电机支架34上，电机支架34固定在激光定位仪底板40上。倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆33固定在倾斜驱动电机31的电机轴上，并与固定在位移机构02上的扇形蜗轮331啮合。倾斜驱动电机31控制蜗杆33旋转定位，蜗杆33又带动扇形蜗轮331以及整个位移机构02旋转。这样，通过倾斜驱动电机31就可以精确控制激光灯10相对于激光定位仪底板40的倾斜角度。同理，由于蜗杆蜗轮的反向机械自锁性能，当倾斜驱动电机31停止动作或者断电后，激光灯10及其附属机构依然可以保持可靠的倾斜角度机械自锁。

图2中，让两条位移传动螺杆的轴线垂直布局，控制激光灯10A和激光灯10B分别发射出的扇形激光束在图1中M处形成的两条“一”字型激光光斑正交，从而构成一个“十”字型光斑，以此来构造可视激光坐标系。这样，通过控制总共6个驱动电机运行，就可以分别控制两个激光灯在三个自由度方向(即位移、倾斜和自旋)的姿态。

为了使一个技术人员就能完成激光定位仪的校核工作，本激光定位仪产品除了设有激光定位仪主机，还配有外部遥控器。如图6所示，激光定位仪主机外壳41盖在激光定位仪底板40上面，激光灯10A和激光灯10B通过矩形窗口发射出激光束，还设有LCD显示屏43可以显示出当前激光灯的自由度姿态定位数据。还设有红外数据发射窗口44和红外数据接收窗口42用于无线通信。

如图7所示，最外层虚线内所示为“激光定位仪主机”的电气控制结构框图，外部遥控器通过红外通信与激光定位仪主机无线连接。用户使用“外部遥控器”，通过红外通信，给“激光定位仪主板”下达定位指令，“激光定位仪主板”分别控制各个“驱动器”驱动“步进电机”运行。“位置传感器”向“激光定位仪主板”反馈回当前位置信息，这些信息可以通过“LCD显示模块”显示给用户。“激光定位仪主板”还可以控制各个“驱动器”的电源开关，以便在非调整状态下切断“驱动器”电源，使“‘一’字激光灯(10A)”和“‘一’字激光灯(10B)”的自由度姿态保持机械自锁。

参考图1，因为设计了红外无线通讯端口，技术人员可位于M处，一边观察光斑位置，一边给N处的激光定位仪主机遥控发射相应的驱动电机运行参数，驱动电机又带动激光灯相应自由度的定位姿态微调。调节完毕后，技术员通过红外遥控器直接遥控关闭激光定位仪的“驱动器”和“步进电机”电源，则所有激光灯定位姿态均转为机械自锁模式。这样的操作流程，可以保证激光定位仪日常工作时在低功耗模式下运行，只提供“红外线收发模块”、“激光定位仪主板”和“‘一’字激光灯”的供电。直到下一次用户需要调节激光定位仪的时候，用户向“红外线收发模块”遥控发射开启指令，“红外线收发模块”从低功耗模式下唤醒“激光定位仪主板”并打开“驱动器”和“步进电机”电源，以使它们能够正常工作。

另一种实施方式中，若只需要产生“一”字型激光定位线，可将图4中的位移传动螺杆26和位移固定支架22加长，采用单个激光灯及其自旋机构01、位移机构02、倾斜机构03，即可满足单轴大行程移动式激光定位仪(简称：“移动式”激光定位仪)的机械驱动要求，可以限制产生“一”字型激光定位线的激光灯的三个自由度(即位移、倾斜和自旋)，从而满足照射姿态的稳定性，例如医学放射检查设备(如：CT机等)就需要与此类“移动式”激光定位仪配合使用。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光定位仪，包括激光灯，以及带动激光灯动作的自旋机构、位移机构和倾斜机构，其特征在于：

所述自旋机构包括自旋驱动装置、自旋蜗杆蜗轮传动副，所述自旋驱动装置通过自旋蜗杆蜗轮传动副带动激光灯以第一轴线为中心转动，所述第一轴线为激光灯自身的中心轴线；

所述位移机构包括位移驱动装置、位移传动螺杆，所述位移驱动装置通过位移传动螺杆带动激光灯沿第二轴线直线移动，所述第二轴线为位移传动螺杆的中心轴线；

所述倾斜机构包括倾斜驱动装置、倾斜蜗杆蜗轮传动副，所述倾斜驱动装置通过倾斜蜗杆蜗轮传动副带动激光灯以第三轴线为中心转动，所述第三轴线、第一轴线、第二轴线在三维空间相互垂直；

所述自旋机构还包括自旋固定支架、滑块，所述自旋驱动装置固定在自旋固定支架上，所述自旋固定支架固定在滑块上，所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆与自旋驱动装置连接；所述激光灯设有激光灯套，所述激光灯套通过第一轴承安装在滑块上，所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗轮为扇形蜗轮，且与激光灯套连接；

所述滑块上设有位移传动螺孔，所述位移机构还包括位移固定支架，所述位移驱动装置固定在位移固定支架上，所述位移传动螺杆的一端与位移驱动装置连接，所述位移传动螺杆的螺纹段与位移传动螺孔螺旋连接；

所述位移固定支架上还设有第二轴承，所述倾斜机构还包括倾斜固定支架，所述位移固定支架通过第二轴承连接在倾斜固定支架上；所述倾斜驱动装置固定在倾斜固定支架上，所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆与倾斜驱动装置连接，所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗轮为扇形蜗轮，且与位移固定支架连接固定。

2.如权利要求1所述的激光定位仪，其特征在于：所述自旋蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆的螺旋线升角小于当量摩擦角；所述位移传动螺杆的螺旋线升角小于当量摩擦角；所述倾斜蜗杆蜗轮传动副中的蜗杆的螺旋线升角小于当量摩擦角。

3.如权利要求2所述的激光定位仪，其特征在于：所述滑块上还设有自旋限位开关，用于限制激光灯转动的最大角度。

4.如权利要求2所述的激光定位仪，其特征在于：所述滑块上还设有导杆安装孔，所述位移机构还包括位移导杆，所述位移导杆的两端固定在位移固定支架上，导杆中段穿过导杆安装孔，且位移导杆的轴线与位移传动螺杆的轴线平行。

5.如权利要求2所述的激光定位仪，其特征在于：所述位移固定支架上还设有位移限位开关，用于限制位移传动螺杆所驱动滑块的极限移动位置。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的激光定位仪，其特征在于：包括两个激光灯，以及分别带动两个激光灯动作的两套自旋机构、两套位移机构和两套倾斜机构，且两套位移机构中的位移传动螺杆的轴线垂直布置。

7.如权利要求6所述的激光定位仪，其特征在于：还包括激光定位仪主板、无线通信接口、显示屏；所述激光灯与激光定位仪主板电连接；所述无线通信接口、显示屏与激光定位仪主板电连接；所述自旋驱动装置、位移驱动装置、倾斜驱动装置分别与激光定位仪主板电连接。