CN103371837B - 用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置。该往复式运动装置由电机来驱动。一种用于往复式运动装置的抗碰撞方法包括：创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型；根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩；如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行。一种用于往复式运动装置的抗碰撞装置包括位置感测器、速度和方向感测器、电机和驱动该电机的电机驱动器以及控制器。采用本发明的技术方案能够高效地判断碰撞并使电机停止运转。

Description

用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置

技术领域

本发明总体涉及医疗器械领域，且尤其涉及一种用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置。

背景技术

在医疗器械产品中，诸如U形臂X光机、X射线诊断设备等产品都包括往复运动式运动装置，例如，电动滑车。通常X射线诊断设备包括影像链、控制台、电源和机械定位装置，其中影像链的球管、限束器和探测器都是由机械定位装置来定位，需要根据病人的检测体位调整球管以及限束器和探测器的位置和方向。例如：常用的机械定位装置有：吊架结构，双立柱结构和U形臂结构等。球管和探测器往往固定在电动滑车上，需要做一些限定行程内的运动。电动滑车由电机驱动而在针对其每种运动形式的运动路线上进行往复运动。该往复运动可以为升降运动或者水平运动等等。运动形式可以指垂直式、纵向式、横向式以及旋转运动等。X射线诊断设备在对受检者进行X射线扫描时，电动滑车需要进行往复式运动，如果诸如人的手等的障碍物碰撞到电动滑车，可能会对诸如人的手等的障碍物造成损害，因此，当诸如人的手等的障碍物碰撞到电动滑车时，电动滑车需要停止运动，这是X射线诊断设备需要具备的功能之一。

为了实现上述功能，大多数抗碰撞方法是采用超声或其它无线技术。但是这样的方法很难适用于电动滑车与障碍物灵活定位的那些环境中。以U形臂为例，当臂向上运动时，有时探测器上部分在前进方向的前面，有时中间部分在前，有时球管的阳极部分在前，有时是阴极部分在前，而且形状异构，很难精确安装超声定位装置。

还有的电动抗碰撞方法是在电动滑车的前面安装触发板。如果有障碍物触到了该触发板，就使电机停止，从而使电动滑车停止运动，这样可以保护障碍物的安全。如果电动滑车的前表面大而复杂，那么就不容易在其上安装触发板，从而就不适合采用此方法。

在进行X射线诊断过程中，电机由电机驱动器驱动，而电机驱动器受到控制器的控制。控制器发送控制信号给电机驱动器，由电机驱动器来驱动电机运转。为了使电动滑车达到所要求的恒定速度或变化速度，电机驱动器通常根据电动滑车的阻力来提供适当的驱动力。通常的电机控制器可以设置电机的输出的最大力矩，而这个输出力矩必须要比遇到的阻力大，电机才能运转。为了保证电机在整个行程中都能运转，常规的办法是找出最大的阻力，再加上一定的余量来作为电机的最大限制力矩。当遇到障碍物，阻力增加到最大限制力矩时，电机停止运转，能起到防撞保护作用。由于电动滑车受到的阻力不是恒定的，最大的地方和最小的地方差别有时非常大，在其整个运动路线中甚至是非常不同的，当在阻力小的区间遇到障碍物时，障碍物受到的撞击力需要非常大才能达到电机的最大输出力矩，安全性能不好，因此，该方法也不是很优质的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高效的用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置。

在本发明的一个方面，本发明的用于往复式运动装置的抗碰撞方法的技术方案包括：

创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型；

根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩；

如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行。其中，该往复式运动装置由电机来驱动

优选地，创建校准模型进一步包括：

在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度；

在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩；

以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型。

其中，电机的力矩从电机驱动器读取。

此外，计算电机的期望力矩是通过根据实际位置、实际速度以及实际方向对所述校准模型的拟合来实现的。

优选地，可以基于对往复式运动装置的控制策略通过实际测试来调整所述阈限范围。

在本发明的另一方面，本发明用于往复式运动装置的抗碰撞装置的技术方案包括位置感测器、速度和方向感测器、电机和驱动该电机的电机驱动器以及控制器，其中，

所述速度和方向感测器用于感测往复式运动装置的速度和方向；

所述位置感测器用于感测往复式运动装置的位置；

所述电机用于驱动往复式运动装置进行往复式运动；

所述控制器根据所感测的速度、位置、方向和电机的力矩以及校准模型来确定是否使所述电机停止运行。

所述校准模型是以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩而建立的。

其中，如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则所述控制器使电机停止运行。

在本发明的再一方面，本发明用于往复式运动装置的抗碰撞装置包括：

用于创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型的装置；

用于根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩的装置；

用于如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行的装置。

其中，用于创建校准模型的装置还包括：

用于在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度的装置；

用于在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩的装置；

用于以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型的装置。

与现有技术相比，本方面用于往复式运动装置的抗碰撞方法和装置的有益效果为：

由于本发明采用创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型，然后根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩；如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行。这样能够高效地确定往复式运动装置是否碰到了障碍物，从而保护了障碍物的安全。

附图说明

参照附图根据仅作为例子给出的如下描述，将更清楚地理解本发明，在附图中：

图1图示了依据本发明的一个示例性实施例的用于往复式运动装置的抗碰撞方法的流程图；

图2图示了依据发明的一个示例性实施例的校准模型；

图3图示了通过对校准模型的拟合得到期望力矩的示意图；

图4图示了依据本发明的一个示例性实施例的用于往复式运动装置的抗碰撞装置的示意图。

具体实施方式

对于X射线诊断设备而言，其往复式运动装置，诸如电动滑车，在其整个运动路线上，在某固定位置且以某固定速度，该往复式运动装置受到的阻力（不包括不期望的突然的碰撞所产生的阻力）是固定的。本发明正是利用电动滑车的这一特性来开发的。另外，由于在恒定速度下往复式运动装置受到的阻力与驱动该往复式运动装置的电机的力矩是相等的（方向相反），从而电机的力矩能够反映往复式运动装置受到的阻力（不包括不期望的突然的碰撞所产生的阻力）。因此，在本文中，采用了电机的力矩。

如图1所示，其公开了一种依据本发明的一个示例性实施例的用于往复式运动装置的抗碰撞方法，该往复式运动装置由电机来驱动，该抗碰撞方法包括：

步骤1）创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型；

步骤2）根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩；

步骤3）如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行。

其中，步骤1）进一步包括：

在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度；

在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩；

以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型。当然，也可以以校准位置为X轴，以校准速度或校准运动方向为Y轴或Z轴；也可以校准运动方向为X轴，以校准速度或校准位置为X轴或Z轴。

其中，电机的力矩从电机驱动器读取。

优选地，计算电机的期望力矩是通过根据实际位置、实际速度以及实际方向对所述校准模型的拟合来实现的。

另外，可以基于对往复式运动装置的控制策略通过实际测试来调整所述阈限范围。

从上述可知，在本公开内容的一个实施例中，校准模型是由四个变量来形成的，该四个变量为往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩。根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩。如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行。该实际力矩可以从电机驱动器读取。如果电机的实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，就表明有不期望的障碍物触碰到了该往复式运动装置，应该使电机停止转动以便保护障碍物的安全。对于阈限范围而言，可以基于对往复式运动装置的控制策略通过实际测试来调整。

对于任何一个X射线诊断设备而言，其所包括的往复式运动装置，例如电动滑车的正常工作速度、运动路线等都是固定的。因此为了建立校准模型，首先，在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度，例如速度V1、V2、V3等等, 所选取的各速度之间是等间隔的，例如V1=1cm/s、V2=3cm/s、V3=5cm/s。一般情况下可以选择10个速度值，当然可以选择更少或更多的速度值。本文为了举例说明，选择3个速度值，如图2中所示。

然后，使电动滑车以速度V1，在向上的方向上恒定地运行，在该电动滑车的运动路线上记录下四个校准位置，例如位置P1, P2, P3和P4。在电动滑车运行在位置P1时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P2, P3以及P4时电机的力矩；接着使电动滑车以速度V1，在向下的方向上恒定地运行，在电动滑车运行在位置P4时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P3, P2以及P1时电机的力矩。再接着，使电动滑车以速度V2，在向上的方向上恒定地运行，在电动滑车运行在位置P1时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P2, P3以及P4时电机的力矩；然后使电动滑车以速度V2，在向下的方向上恒定地运行，在电动滑车运行在位置P4时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P3, P2以及P1时电机的力矩。最后，使电动滑车以速度V3，在向上的方向上恒定地运行，在电动滑车运行在位置P1时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P2, P3以及P4时电机的力矩；然后使电动滑车以速度V3，在向下的方向上恒定地运行，在电动滑车运行在位置P4时从电机驱动器读取电机的力矩，依次读取位置P3, P2以及P1时电机的力矩。

得到这些数据之后，以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型，如图2所示，该图即为根据本实施例建立的校准模型。在图2中，V1、V2、V3表示电动滑车的校准速度；Up表示电动滑车向上运动；Down表示电动滑车向下运动；P1、P2、P3和P4表示电动滑车所处的位置；X111表示电动滑车处于位置P1，以速度V1向上运动时电机的力矩；X211表示电动滑车处于位置P2，以速度V1向上运动时电机的力矩；X121表示电动滑车处于位置P1，以速度V2向上运动时电机的力矩；X131表示电动滑车处于位置P1，以速度V3向上运动时电机的力矩。

本示例只列举了三个校准速度和4个校准位置。当然，可以选择更多的校准速度和校准位置来建立校准模型。理论上，所选择的校准速度和校准位置越多，所得到的校准模型就越精确。

校准模型确定之后，就可以进行抗碰撞测定了。根据电动滑车的实际位置、实际速度以及实际方向，来查找校准模型，可以得到电机的期望力矩，这是通过对所述校准模型的拟合来实现的。

例如，假定电动滑车的当前位置（也即实际位置）在Px，并且Px在位置P2和位置P3之间；电动滑车的当前速度为Vx，并且Vx在速度V1和速度V2之间，如图3所示，拟合线Px和Vx之间的交叉点，即为电机的期望力矩。

把此期望力矩与从电机驱动器读取的当前力矩的阈限范围进行比较。如果当前力矩大于该期望力矩的阈限范围，则使电机停止运转。可以基于对往复式运动装置的控制策略通过实际测试来调整所述阈限范围。例如阈限为3%，假定期望力矩为10Nm的话，则当前力矩若大于10+10×3%，则使电机停止运转。

在本公开内容的一个示例中，在创建校准模型时，要确保电动滑车没有碰撞任何东西（即，障碍物），在顺时针方向上，假设V1=30mm/s，则以速度V1跑一趟全程，记录下若干位置上采集的力矩，此处只给出位置P2和位置P3处的力矩，分别为T211和T311。

同样，在顺时针方向上，以V2=40mm/s跑一趟全程，记录位置P2和位置P3处的力矩。

最后得到校准模型如下：

位置P2=310mm处，速度V1=30mm/s时的力矩采样值T211=30Nm

位置P2=310mm处，速度V2=50mm/s时的力矩采样值T221=32Nm

位置P3=320mm处，速度V1=30mm/s时的力矩采样值T311=35Nm

位置P3=320mm处，速度V2=50mm/s时的力矩采样值T321=42Nm

在没有碰撞任何障碍物的情况下，此校准模型的力矩值在同样的位置和速度下是不变的。

当该电动滑车正常运行时，我们可以根据测得的位置和速度来从该校准模型表中查找预期的力矩值，同时从电机驱动器读取实际的力矩值。如果实际的力矩值大于预期的力矩值的阈限范围，那么运行中肯定碰到了障碍物，电机必须立即停止，从而可以实现抗碰撞保护。

在电动滑车正常运行时，如果测得的位置和速度不是刚好等于校准模型中的值，查表不能直接进行，那么就需要做插值运算，具体计算过程为：

假设在Px=318mm，Vx=38mm/s处

那就查找Px的上一点P2和下一点P3，再查找P2/P3的Vx的上一个速度V1和下一处速度V2，即T211,T221,T311,T321，这4个值是我们求插值的基础点。

首先求V1、Px的线性插值力矩Tx11：Tx11=T211+（（T311-T211）/（P3-P2））×（Px-P2）= 30 +（（35-30）/（320-310））×（318-310）= 30 + 4 = 34Nm

同理求V2、Px的线性插值力矩Tx21：Tx21=T221+（（T321-T221）/（P3-P2））×（Px-P2）= 32 +（（42-32）/（320-310））×（318-310）= 32 + 8 = 40Nm

最后根据Vx与V1和V2的差距来求Vx、Px的线性插值力矩Tx：

Tx=Tx11+((Tx21-Tx11)/(V2-V1))×(Vx-V1) = 34 +（（40-34）/（50-30））×（38-30） = 34 + 2.4 = 36.4Nm

从而，可以得到在Px=318mm，Vx=38mm/s处的期望力矩为36.4Nm。

在本公开内容的另一方面，公开了一种用于往复式运动装置的抗碰撞装置，其包括速度和方向感测器2、位置感测器3、电机4和驱动该电机4的电机驱动器5以及控制器6，其中，

所述速度和方向感测器2用于感测往复式运动装置1的速度和方向；

所述位置感测器3用于感测往复式运动装置1的位置；

所述电机4用于驱动往复式运动装置1进行往复式运动；

所述控制器6根据所感测的速度、位置、方向和电机的力矩以及校准模型来确定是否使所述电机4停止运行。

其中，所述校准模型是以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩而建立的。

其中，如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则所述控制器使电机停止运行。

该校准模型的建立与图2的校准模型的建立方式是一样的，因此在此不再赘述。

对于速度和方向感测器2可以用编码器或电位计等等来实现。

对于位置感测器3可以用电位计或编码器等等来实现。

在公开内容的又一个方面，公开了一种用于往复式运动装置的抗碰撞装置，该往复式运动装置由电机来驱动，该抗碰撞装置包括：

用于创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型的装置；

用于根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩的装置；

用于如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行的装置。

其中，用于创建校准模型的装置还包括：

用于在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度的装置；

用于在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩的装置；

用于以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型的装置。

在上述描述中，阐述了许多细节以提供对本发明的理解。然而，本领域的技术人员将理解的是，本发明可以在没有这些细节的情况下实现。虽然已经针对有限数量的实施例公开了该发明，但是本领域的技术人员将了解由此而来的许多修改和变化。目的是所附的权利要求覆盖落入本发明的真正精神和范围之内的所有这样的修改和变化。

Claims (6)

1.一种用于往复式运动装置的抗碰撞方法，该往复式运动装置由电机来驱动，其特征在于，包括：

创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型；

根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩；

如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行，

其中，创建校准模型进一步包括：

在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度；

在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩；

以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型。

2.根据权利要求1所述的用于往复式运动装置的抗碰撞方法，其中，电机的力矩从电机驱动器读取。

3.根据权利要求2所述的用于往复式运动装置的抗碰撞方法，其中，计算电机的期望力矩是通过根据实际位置、实际速度以及实际方向对所述校准模型的拟合来实现的。

4.根据权利要求3所述的用于往复式运动装置的抗碰撞方法，其中，可以基于对往复式运动装置的控制策略通过实际测试来调整所述阈限范围。

5.一种用于往复式运动装置的抗碰撞装置，其特征在于，包括位置感测器、速度和方向感测器、电机和驱动该电机的电机驱动器以及控制器，其中，

所述速度和方向感测器用于感测往复式运动装置的速度和方向；

所述位置感测器用于感测往复式运动装置的位置；

所述电机用于驱动往复式运动装置进行往复式运动；

所述控制器根据所感测的速度、位置、方向以及校准模型计算出电机的期望力矩，并且在电机的力矩大于所述期望力矩的阈限范围时使所述电机停止运行，

其中，校准模型是通过下述方式创建的：

在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度；

在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩；

以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型。

6.一种用于往复式运动装置的抗碰撞装置，该往复式运动装置由电机来驱动，其特征在于，包括：

用于创建往复式运动装置的校准运动方向、校准位置、校准速度以及电机的力矩的校准模型的装置；

用于根据往复式运动装置的实际位置、实际速度和实际运动方向以及校准模型计算出电机的期望力矩的装置；

用于如果实际力矩大于所述期望力矩的阈限范围，则使电机停止运行的装置，

其中，用于创建校准模型的装置还包括：

用于在往复式运动装置的正常工作速度范围内，选择若干校准速度的装置；

用于在不同的方向上，以所选择的不同的校准速度使往复式运动装置进行往复运动，并且记录往复式运动装置处于若干校准位置时电机的力矩的装置；

用于以校准速度为X轴、以校准位置为Y轴、以校准运动方向为Z轴并且以XYZ所建立的空间的点为电机的力矩来建立校准模型的装置。