CN108056783A - 一种c形臂的自动平衡装置和自动平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于具有C形臂的X光机技术领域,公开了一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法。自动平衡装置包括可绕旋转轴转动且滑动连接于支架的C形臂,支架转动连接有摆杆装置,摆杆装置与C形臂之间连接有用于使摆杆装置与C形臂具有相同的旋转角度的同步传动件,摆杆装置与支架之间连接有恒力部件;恒力部件连接有用于驱动恒力部件转动的转动驱动部件。自动平衡方法,采用上述的自动平衡装置。本发明所提供的一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法,可以产生与不利转矩时时大小相等、方向相反的平衡转矩,可以保证C形臂的运动过程平稳可靠,X光机成像质量佳,且结构简单可靠,易于推广使用。
Description
技术领域
本发明属于具有C形臂的X光机技术领域,尤其涉及一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法。
背景技术
具有C形臂的X光机,其C形臂的两端分别装有X射线源和平板探测器用于发射和采集X射线。对于具备三维成像功能的C形臂X光机而言,在三维成像过程中需要C形臂自动绕其中心轴线作滑动运动,同时按需求采集多张二维投影再进行三维重建,这一动态过程导致C形臂的重心变化而难以与其成像运动中心保持重合,产生了额外的不利转矩。在这一不利转矩会影响C形臂工作时的平衡性,使C形臂产生严重的振动,成像质量欠佳。
现有技术中,方法一是通过配重设计和机械加工使C形臂的重心与成像运动中心严格重合,但这一方法对加工和校准技术要求很高,且需要定期校准,导致成本增加;方法二是对C形臂额外施加一个转矩,此转矩与不利转矩大小相等、方向相反,使C形臂在任何位置都处于不受力状态,实现转矩平衡,要增加转矩,就需要提供力臂和力的平衡装置。目前的此类平衡装置,其力臂的实现形式有凸轮平衡装置、齿轮平衡装置等,力的产生多是依靠悬挂质量恒定的配重块,由于C形臂在进行三维成像滑动运动之前,可以通过升降、平移以及绕横轴旋转等运动调节成像角度,尤其是绕横轴旋转的调节会改变C形臂在三维成像过程中的重心变化情况。而现有的此类平衡装置没有考虑C形臂绕横轴旋转的情况,只是简单地采用自然悬挂且质量恒定的配重块,并不能产生合适的平衡转矩,而且采用齿轮或者凸轮机构也较为复杂,可靠性欠佳。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足,提供了一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法,其可以使C形臂运行平稳,且平衡装置结构简单可靠,易于推广使用。
本发明的技术方案是:一种C形臂的自动平衡装置,包括可绕旋转轴转动且滑动连接于支架的C形臂,所述支架转动连接有摆杆装置,所述摆杆装置与所述C形臂之间连接有用于使所述摆杆装置与所述C形臂具有相同的旋转角度的同步传动件,所述摆杆装置与所述支架之间连接有恒力部件;所述恒力部件连接有用于驱动所述恒力部件转动的转动驱动部件。
可选地,所述摆杆装置包括摆动轴和摆臂,所述摆动轴转动连接于所述支架,所述摆臂的一端连接于所述摆动轴的端部,所述恒力部件的一端转动连接于所述支架,所述恒力部件的另一端连接于所述摆臂的另一端。
可选地,所述摆动轴转动穿过于所述支架,所述摆臂设置有两个,两个所述摆臂的一端分别连接于所述摆动轴的两端。
可选地,所述C形臂或/和所述旋转轴设置有用于检测所述C形臂或旋转轴转动角度的传感器;
或者,所述支架或/和转轴连接有用于驱动所述C形臂的驱动电机,所述驱动电机具有用于反馈转动角度的反馈模块或感应模块。
可选地,所述恒力部件包括转动件和恒力提供件,所述转动件通过转轴转动连接于所述支架,所述恒力提供件的一端连接于所述转动件,所述恒力提供件的另一端通过绳索或直接连接于所述摆臂。
可选地,所述恒力提供件为恒力弹簧或直线电机。
可选地,所述转动驱动部件包括驱动电机,所述电机具有输出轴,所述输出轴直接连接于所述转轴或所述转动件;
或者,所述电机的输出轴通过传动机构连接于所述转轴或所述转动件。
可选地,所述传动机构包括连接于所述输出轴的蜗杆,所述转轴设置有与所述蜗杆啮合的蜗轮。
本发明还提供了一种C形臂的自动平衡方法,采用上述的一种C形臂的自动平衡装置,包括以下步骤:
C形臂相对C形臂的中心轴或/和相对支架的横轴旋转,C形臂产生不利转矩;
摆杆装置在同步传动件的作用下与C形臂转动相同的角度,转动驱动部件驱动恒力部件转动,使摆杆装置的转矩与C形臂产生不利转矩实时抵消。
具体地,所述C形臂产生的不利转矩为T=M*cos(b)*L*cos(a),其中,M为所述C形臂的自重;b为所述C形臂相对中心轴旋转的角度,L为C形臂的重心M到滑动运动中心点的距离,a为C形臂的重心M到滑动运动中心点之间的连线与旋转轴的轴线之间夹角;
所述摆杆装置产生的平衡转矩T’=F*cos(β)*h*cos(α),其中,F为恒力部件中恒力提供件所提供的恒力,β为恒力提供件的恒力与恒力部件中绳索的夹角,h为摆杆装置中摆臂的有效长度,α为摆杆装置随所述C形臂旋转的角度,在同步传动件的作用下,α与a相等,β由转动驱动部件驱动并控制至与b相等,平衡转矩与不利转矩完全实时抵消。
本发明所提供的一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法,可以产生与不利转矩时时大小相等、方向相反的平衡转矩,可以保证C形臂的运动过程平稳可靠,不会产生振动,X光机成像质量佳,且平衡装置结构简单可靠,易于推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂绕中心轴(Z轴)的滑动受力分析图;
图2是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂绕旋转轴(X轴)的滑动受力分析图;
图3是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂处于初始状态时的正视图;
图4是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂绕Z轴和X轴旋转一定角度时的正视图;
图5是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂绕Z轴和X轴旋转一定角度时的受力分析图;
图6是本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置中C形臂处于初始状态时的俯视图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
还需要说明的是,本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语,仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的,而不应该认为是具有限制性的。
如图1至6所示,本发明实施例提供的一种C形臂的自动平衡装置,包括可绕旋转轴4转动且滑动连接于支架11的C形臂1,C形臂1可以沿支架11相对支架11滑动,旋转轴4可以横向连接于支架11,即C形臂1可绕垂直于C形臂1平面的等中心轴8(Z轴)滑动,也可绕旋转轴4(横轴,X轴)旋转。所述支架11转动连接有摆杆装置,所述摆杆装置与所述C形臂1之间连接有用于使所述摆杆装置与所述C形臂1具有相同的旋转角度的同步传动件2,同步传动件2可以为同步皮带或同步链条等。所述摆杆装置与所述支架11之间连接有恒力部件;所述恒力部件连接有用于驱动所述恒力部件转动的转动驱动部件,以使摆杆装置产生的平衡转矩与不利转矩抵消。C形臂1在初始状态时,如图3所示,其不利转矩为零或基本为零,C形臂1转动时,会产生不利转矩。在同步传动件2的作用下,摆杆装置转动角度与C形臂1相对初始状态转动的角度相同,通过使转动驱动部件驱动恒力部件旋转,使摆杆装置提供的平衡转矩与C形臂1所产生的不利转矩抵消。具体分析可以参考如下:
所述C形臂1产生的不利转矩为T=M*cos(b)*L*cos(a),其中,M为所述C形臂1的自重);b为所述C形臂1相对等中心轴旋转的角度,L为C形臂1的重心10到滑动运动中心点9的距离,a为C形臂1的重心M到滑动运动中心点9之间的连线与旋转轴4的轴线7之间夹角;
通过分析可以知道,不利转矩的公式为T=M*cos(b)*L*cos(a),因此平衡转矩的力臂、力也都需要遵循余弦变化规律。摆杆装置与C形臂1通过皮带传动,保证了摆杆装置与C形臂1在中心轴方向上具有相同的旋转角度,使平衡转矩的力臂具有相同的余弦变化规律。当C形臂1绕横轴旋转时,C形臂1自重提供的有效力遵循余弦函数,当恒力部件也旋转同样的角度,平衡转矩的力也具有余弦函数的变化规律,这样就产生了与不利转矩时时大小相等,方向相反的平衡转矩,可以保证C形臂1运动过程平稳可靠,不会产生振动,成像质量佳,且平衡装置结构简单可靠。
可选地,所述摆杆装置包括摆动轴和摆臂3,所述摆动轴转动连接于所述支架11,所述摆臂3的一端连接于所述摆动轴的端部,所述恒力部件的一端转动连接于所述支架11,所述恒力部件的另一端连接于所述摆臂3的另一端。C形臂1的上下两端均设置有连接结构,同步皮带的两端分别连接于C形臂1的上下两端的连接结构,且同步皮带的中段绕于所述摆动轴或摆臂3,使摆臂3与C形臂1同步旋转。
本实施例中,所述摆动轴转动穿过于所述支架11,摆动轴与C形臂1平面的等中心轴7平行,且摆动轴与旋转轴4(横轴)相互垂直。所述摆臂3设置有两个,两个所述摆臂3的一端分别连接于所述摆动轴的两端。其中一个摆臂3可以固定连接于摆动轴的一端,另一个摆臂3可以螺纹连接于摆动轴的另一端。
可选地,所述C形臂1或/和所述旋转轴4设置有用于检测所述C形臂1或旋转轴4转动角度的传感器(角度传感器),所述转动驱动部件包括用于驱动所述恒力部件转动与所述C形臂1或旋转轴4转动角度相同的驱动电机;驱动电机可为伺服电机等。即通过角度传感器的方式实时感知C形臂1的旋转角度,进而通过驱动电机使恒力部件转动相应或相同的角度。
或者/和,所述支架11或/和转轴连接有用于驱动所述C形臂1的驱动电机14,所述驱动电机14可以具有用于反馈转动角度的反馈模块或感应模块,即通过反馈模块或感应模块的方式,实时感知C形臂1的旋转角度,进而通过驱动电机使恒力部件转动相应或相同的角度。
可选地,所述恒力部件包括转动件5和恒力提供件6,所述转动件5通过转轴12转动连接于所述支架11,所述恒力提供件6的一端连接于所述转动件5,恒力提供件6与转动件5同步旋转。所述恒力提供件6的另一端通过绳索13或直接连接于所述摆臂3。
可选地,所述恒力提供件6为恒力弹簧或直线电机。本实施例中,恒力提供件6为一直处于受拉伸状态的恒力弹簧。恒力弹簧可以套于转动件5上。
可选地,所述转动驱动部件包括驱动电机14,所述电机具有输出轴,所述输出轴直接连接于所述转轴12或所述转动件5,即驱动电机14直接驱动转动件5或转轴12旋转,进而带动恒力弹簧旋转。
或者,所述电机的输出轴通过传动机构连接于所述转轴12或所述转动件5,也可以带动恒力弹簧旋转。
本实施例中,所述传动机构包括连接于所述输出轴的蜗杆(螺杆13),所述转轴12设置有与所述蜗杆啮合的蜗轮,其传动过程可靠,且蜗轮蜗杆具有自锁功能,避免转轴或转动件5自行旋转。当然,传动机构也可以采用齿轮等机构。
本发明实施例所提供的一种C形臂的自动平衡装置,主要包括摆杆装置和恒力部件两个部分。
摆杆装置安装在支架11的末端上侧,从而避免与驱动C形臂1旋转的转轴转发生干涉。摆杆装置为对称结构,有两个摆臂3,其中一摆臂3与摆动轴固连,另一摆臂3通过螺纹等方式与摆动轴连接。摆臂3的横轴两侧用于安装皮带,摆臂3与C形臂1之间通过皮带传动。恒力弹簧装置包括恒力弹簧,转动件5(弹簧套),转轴和转动驱动部件,转动驱动部件包括螺杆13和驱动电机14。其中驱动电机14放置于支架11的底端,驱动电机14驱动螺杆13,螺杆13带动转轴旋转。转轴与弹簧套可通过螺纹连接,恒力弹簧底部固定在弹簧套内。其中弹簧套和恒力弹簧均设置有两个并在支架11的两侧对称安装。
两个恒力弹簧可通过绳索13分别与两侧的摆臂3的端部相连。其中恒力弹簧具有拉伸后弹力大小不会变化的特性,恒力弹簧一直处于拉伸状态,保证弹簧与摆臂3距离最近时,绳索13依然是绷直的。
图3为C形臂1工作的初始状态。C形臂1的滑动运动中心9(滑动运动中心轴8与滑动运动平面的交点)与C形臂1的重心10不重合,C形臂1的自重M,重心M到滑动运动中心9的有效距离为L*cos(α),使C形臂1本身产生不利转矩T,C形臂1具有顺时针旋转的不利趋势。另一方面,平衡装置摆杆的杆臂提供的有效力臂h*cos(α),恒力弹簧提供的拉力F,可以产生平衡转矩T’,只要选择恰当的杆臂长度h和弹力F,就可以达到T=T’,将不利转矩完全平衡掉。
图4为C形臂1绕中心轴9和横轴4旋转了一定角度的工作状态。由前述分析可知,此时不利转矩的大小T=M*cos(β)*L*cos(α)。另一方面,摆杆3与C形臂1通过皮带传动,使摆杆与C形臂1具有相同的旋转角度,保证平衡转矩的力臂h*cos(α)与不利转矩的力臂L*cos(α)具有同样的余弦变化规律。当横轴(旋转轴4)带动C形臂1横向旋转时,横轴(旋转轴4)上的角度传感器测定横轴(旋转轴4)的旋转角度,通过控制器,控制驱动电机14,使恒力弹簧也旋转相同的角度,恒力弹簧提供的有效力则变为F*cos(β),这样平衡转矩的大小T’=F*cos(β)*h*cos(α),可以实时地与不利转矩T相抵消,本实施例所提供的C形臂的自动平衡装置,考虑到了C形臂1绕横轴旋转的情况,利用恒力弹簧代替简单的配重块,可以实现两个方向的完全平衡,而且采用连杆结构,其结构简单,应用成本低且效果好。
本发明实施例还提供了一种C形臂1的自动平衡方法,采用上述的一种C形臂的自动平衡装置,包括以下步骤:
C形臂1相对C形臂1的中心轴或/和相对支架11的横轴旋转,C形臂1产生不利转矩;
摆杆装置(摆臂3)在同步传动件2的作用下与C形臂1转动相同的角度,转动驱动部件驱动恒力部件转动,使摆杆装置(摆臂3)的转矩与C形臂1产生不利转矩实时抵消。
具体地,所述C形臂1产生的不利转矩为T=M*cos(b)*L*cos(a),其中,M为所述C形臂1的自重;b为所述C形臂1相对中心轴旋转的角度,L为C形臂1的重心M到滑动运动中心点的距离,a为C形臂1的重心M到滑动运动中心点之间的连线与旋转轴4的轴线之间夹角;
所述摆杆装置产生的平衡转矩T’=F*cos(β)*h*cos(α),其中,F为恒力部件中恒力提供件6所提供的恒力,β为恒力提供件6的恒力与恒力部件中绳索13的夹角,h为摆杆装置中摆臂3的有效长度,α为摆杆装置随所述C形臂1旋转的角度,在同步传动件2的作用下,α与a相等,β由转动驱动部件驱动并控制至与b相等,平衡转矩与不利转矩完全实时抵消。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,包括可绕旋转轴转动且滑动连接于支架的C形臂,所述支架转动连接有摆杆装置,所述摆杆装置与所述C形臂之间连接有同步传动件,所述摆杆装置与所述支架之间连接有恒力部件;所述恒力部件连接有用于驱动所述恒力部件转动的转动驱动部件。
2.如权利要求1所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述摆杆装置包括摆动轴和摆臂,所述摆动轴转动连接于所述支架,所述摆臂的一端连接于所述摆动轴的端部,所述恒力部件的一端转动连接于所述支架,所述恒力部件的另一端连接于所述摆臂的另一端。
3.如权利要求2所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述摆动轴转动穿过于所述支架,所述摆臂设置有两个,两个所述摆臂的一端分别连接于所述摆动轴的两端。
4.如权利要求1所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述C形臂或/和所述旋转轴设置有用于检测所述C形臂或旋转轴转动角度的传感器;
或者,所述支架或/和转轴连接有用于驱动所述C形臂的驱动电机,所述驱动电机具有用于反馈转动角度的反馈模块或感应模块。
5.如权利要求2所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述恒力部件包括转动件和恒力提供件,所述转动件通过转轴转动连接于所述支架,所述恒力提供件的一端连接于所述转动件,所述恒力提供件的另一端通过绳索或直接连接于所述摆臂。
6.如权利要求5所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述恒力提供件为恒力弹簧或直线电机。
7.如权利要求5所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述转动驱动部件包括驱动电机,所述电机具有输出轴,所述输出轴直接连接于所述转轴或所述转动件;
或者,所述电机的输出轴通过传动机构连接于所述转轴或所述转动件。
8.如权利要求7所述的一种C形臂的自动平衡装置,其特征在于,所述传动机构包括连接于所述输出轴的蜗杆,所述转轴设置有与所述蜗杆啮合的蜗轮。
9.一种C形臂的自动平衡方法,其特征在于,采用如权利要求1至8中任一项所述的一种C形臂的自动平衡装置,包括以下步骤:
C形臂相对C形臂的中心轴或/和相对支架的横轴旋转,C形臂产生不利转矩;
摆杆装置在同步传动件的作用下与C形臂转动相同的角度,转动驱动部件驱动恒力部件转动,使摆杆装置的转矩与C形臂产生不利转矩实时抵消。
10.如权利要求9所述的一种C形臂的自动平衡方法,其特征在于,所述C形臂产生的不利转矩为T=M*cos(b)*L*cos(a),其中,M为所述C形臂的自重;b为所述C形臂相对中心轴旋转的角度,L为C形臂的重心M到滑动运动中心点的距离,a为C形臂的重心M到滑动运动中心点之间的连线与旋转轴的轴线之间夹角;
所述摆杆装置产生的平衡转矩T’=F*cos(β)*h*cos(α),其中,F为恒力部件中恒力提供件所提供的恒力,β为恒力提供件的恒力与恒力部件中绳索的夹角,h为摆杆装置中摆臂的有效长度,α为摆杆装置随所述C形臂旋转的角度,在同步传动件的作用下,α与a相等,β由转动驱动部件驱动并控制至与b相等,平衡转矩与不利转矩完全实时抵消。
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