CN109432610B - 一种用于激光引导的共面机构及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光引导设备技术领域，公开了一种用于激光引导的共面机构及其控制系统，包括激光轨道设备以及设置在激光轨道设备底部的第一滑动臂和第二滑动臂，其特征在于，所述第一滑动臂的底部设有与第二滑动臂相连并且带动第二滑动臂相对第一滑动臂滑动的第一滑轨机构，所述第二滑动臂的底部设有用于连接激光发射头并带动激光发射头相对第二滑动臂滑动的第二滑轨机构；本发明的共面机构通过第一伺服电机控制第一滑轨机构进行平面位移，不仅可以对角度进行精确定位，还能够对角度进行位置调整，使得激光发射头发射的激光位置及角度更加全面，其体积更小，避免了移动误差，活动范围更加精确，因此更加适用于小范围的精确调整。

Description

一种用于激光引导的共面机构及其控制系统

技术领域

本发明属于激光引导设备技术领域，尤其涉及激光引导共面机构领域，具体涉及一种用于激光引导的共面机构及其控制系统。

背景技术

放射性粒子植入治疗技术是根据超声、CT、MRI等影像检查结果，首先利用放射性粒子治疗计划系统(Treatment Planning System，TPS)准确设计放射性粒子植入的位置、数量、植入途径，制定出治疗方案；然后在CT、B超、内窥镜引导或手术直视下经皮穿刺，通过粒子植入枪将放射性粒子按计划植入实体恶性肿瘤间；最后通过放射粒子发出的持续低能量的X射线或γ射线，使肿瘤组织受到最大程度杀伤，从而达到治疗目的。由于采用TPS计划系统，可使肿瘤在得到最大照射剂量的同时，减少正常组织的照射量，从而很大程度地改善患者的治疗效果及治疗后的生活质量。此外，持续低剂量的适形照射治疗，可以使肿瘤组织内分裂周期不同的肿瘤细胞得到均匀地照射治疗，符合肿瘤生长的规律，因此，近年来放射性粒子植入治疗技术在恶性肿瘤的治疗方面得到了广泛应用。

为了提高放射治疗精度，在手术前，医生需依据TPS系统设计优化的穿刺布源方案，即：首先根据超声、CT、MRI等影像检查结果，勾勒并重建肿瘤的三维形态；随后，依据肿瘤致死有效等剂量区的计算结果，并结合人体解剖结构，设计放射粒子植入的位置、数量及植入途径；然后医生需要根据所设计的放射性粒子植入的方案进行粒子植入，而放射性粒子植入过程是手术设计的核心。通过现有技术中的激光轨道设备，可以很好地与穿刺引导相结合，利用激光的引导，可以确定粒子针穿刺的路径，误差小，操作方便；但是由于TPS系统在设计布源方案时，每个粒子针的穿刺位置和角度均不同，因此要求激光轨道设备具有灵活的位置变换功能，但是目前用于激光引导的轨道设备，往往具有水平旋转以及竖直面的旋转变换，位置变换单一，不方便使用，而且即使具有共平面内的旋转，往往是要带动整个设备一起移动，一方面不方便操作，另一方面由于移动的部件较大，容易造成误差，不适用于对精度要求很高的操作。

发明内容

本发明提供一种用于激光引导的共面机构及其控制系统，用于解决现有技术中采用激光引导的轨道设备，往往具有水平旋转以及竖直面的旋转变换，位置变换单一，不方便使用，而且即使具有共平面内的旋转，往往是要带动整个设备一起移动，不方便操作，而且由于移动的部件较大，容易造成误差，不适用于对精度要求很高的操作的技术问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于激光引导的共面机构，为解决现有的激光引导的轨道设备，往往具有水平旋转以及竖直面的旋转变换，位置变换单一，不方便使用，而且即使具有共平面内的旋转，往往是要带动整个设备一起移动，不方便操作，而且由于移动的部件较大，容易造成误差，不适用于对精度要求很高的操作的问题，包括激光轨道设备以及设置在激光轨道设备底部的第一滑动臂和第二滑动臂，所述第一滑动臂的底部设有与第二滑动臂相连并且带动第二滑动臂相对第一滑动臂滑动的第一滑轨机构，所述第二滑动臂的底部设有用于连接激光发射头并带动激光发射头相对第二滑动臂滑动的第二滑轨机构。

本共面机构用于与激光轨道设备配合工作，激光轨道设备包括最顶部的水平行走机构，水平行走机构下方设置有水平旋转机构，在水平旋转机构下方连接竖直平面旋转机构，激光发射器连接在竖直平面旋转机构底部，通过上述机构的协同工作，基本达到了向各个位置和角度发射激光的效果，但是在做细微位移时，通过水平行走机构则会带动整个轨道设备一起移动，很容易造成移动误差，精度较低；而采用本共面机构后，在完成整体的水平和角度调节后，可以通过第一滑轨机构进行平面位移，由于可以通过X轴和Y轴的坐标系对平面内的点进行定位，因此在第一滑轨机构的下方设置第二滑轨机构，并且第一滑轨机构和第二滑轨机构的移动平面互相平行，便可以对下方患者体表的每个点位都能够进行定位，在第一滑轨机构对X轴定位完成后，再通过第二伺服电机控制第二滑轨机构进行Y轴定位，即完成定位，然后通过激光发射头向患者的体表进行激光标记，使得不仅可以对角度进行精确定位，还能够对角度进行位置调整，使得激光发射头发射的激光位置及角度更加全面，并且由于第一滑轨机构和第二滑轨机构相对与水平行走机构，其体积更小，避免了移动误差，活动范围更加精确，因此更加适用于小范围的精确调整

进一步的，所述第一滑动臂包括固定连接在激光轨道设备底部的第一外壳以及设置在第一外壳上的第一滑轨机构，第一滑轨机构的上连接有第一滑块，所述第一滑块的底部与第二滑动臂的第二外壳相连，所述第一滑轨机构通过滑块带动第二滑动臂在第一滑动臂下方左右移动；所述第二外壳上设有第二滑轨机构，所述第二滑轨机构上连接有第二滑块，所述第二滑块底部用于连接激光发射头，所述第二滑轨机构通过第二滑块带动激光发射头在第二滑动臂下方左右移动。

进一步的，为了保证第一滑轨机构的运行，第一滑轨机构包括第一伺服电机和第一传动带，所述第一外壳底部设有第一外壳，所述第一伺服电机竖直设置在第一外壳的一端，第一伺服电机的转轴上连接有第一主动齿轴，所述第一外壳的另一端连接有第一从动齿轴，所述第一主动齿轴和第一从动齿轴之间连接有第一传动带，所述第一滑块的顶部连接在第一传动带上。

进一步的，为了保证第二滑轨机构的运行，第二滑轨机构包括第二伺服电机和第二传动带，所述第二外壳底部设有第二外壳，所述第二伺服电机竖直设置在第二外壳的二端，第二伺服电机的转轴上连接有第二主动齿轴，所述第二外壳的另一端连接有第二从动齿轴，所述第二主动齿轴和第二从动齿轴之间连接有第二传动带，所述第二滑块的顶部连接在第二传动带上。

进一步的，为了方便对共面机构的点位进行计算和编程，第一滑轨机构的滑动方向与第二滑轨机构的滑动方向互相垂直，即构成平面的X轴和Y轴的直角坐标系，使得共面机构下方与共面机构共面的点位都能够通过直角坐标系中进行坐标标记，方便点位的定位。

进一步的，第一外壳的底部连接有第一底板，所述第一底板与第一外壳构成用于放置第一传动带和第一滑块的腔体，所述第一滑块的底部设有扣接在第一底板上的槽体，所述槽体上设有用于在第一底板上滑动的滚珠，所述第一槽体的两端设有用于与第二外壳螺纹相连的螺纹孔。

进一步的，第二外壳的底部连接有第二底板，所述第二底板与第二外壳构成用于放置第二传动带和第二滑块的腔体，所述第二滑块的底部设有扣接在第二底板上的槽体，所述槽体上设有用于在第二底板上滑动的滚珠，所述第二槽体的两端设有用于与所述激光发射头螺纹相连的螺纹孔。

进一步的，一种用于激光引导的共面机构的控制系统，包括控制面板、PLC、伺服驱动器、第一伺服电机和滑轨装置，

所述控制面板，用于输入编程控制数据以及调试控制系统的运行；

所述PLC，用于编译编程控制数据得到运行指令，并将运行指令传递给伺服驱动器；

所述伺服驱动器，用于驱动控制第一伺服电机根据运行指令转动；

所述滑轨装置，将伺服电机的圆周运动转换成直线运动形式。

值得注意的是，伺服控制系统实际上是一种对机械工作过程实现精细化控制的反馈控制系统，多用于对机械的运动矢量进行控制，PLC作为控制设备，也称为上位机；控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；伺服驱动器沟通上位机和伺服电机，作用类似于变频器作用于普通交流马达，作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机上，调节电动机转矩的大小；另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；伺服电动机为执行设备，接受来自驱动器的控制信号；同时作为优选的，可以设置各类传感器和继电器，用于检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或驱动器做为某些动作的判断标准。

进一步的，伺服驱动器包括位置控制器、速度控制器和电流控制器，所述伺服电机上设有与电流控制器相连的编码器，编码器将伺服电机的角位移换成电信号并反馈给电流控制器。

电流控制器是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现，应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变；位置控制器一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值，由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置，位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度；速度控制器通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位。

进一步的，伺服驱动器为松下A5II系列伺服驱动器或松下A6系列伺服驱动器；所述伺服电机为松下A5II系列伺服马达或松下NEW E系列伺服马达。

本发明的有益效果为：

本发明的共面机构通过第一伺服电机控制第一滑轨机构进行平面位移，在第一滑轨机构对X轴定位完成后，再通过第二伺服电机控制第二滑轨机构进行Y轴定位，即完成定位，然后通过激光发射头向患者的体表进行激光标记，使得不仅可以对角度进行精确定位，还能够对角度进行位置调整，使得激光发射头发射的激光位置及角度更加全面，并且由于第一滑轨机构和第二滑轨机构相对与水平行走机构，其体积更小，避免了移动误差，活动范围更加精确，因此更加适用于小范围的精确调整。

附图说明

图1是本发明的共面机构安装在激光轨道设备上的示意图；

图2是本发明的第一滑动臂和第二滑动臂底面朝上的装配图；

图3是本发明共面机构控制系统的系统原理图。

图中：1-激光轨道设备；2-第一外壳；3-第一滑块；4-第二外壳；5-第二滑块；6-第一伺服电机；7-第一传动带；8-第一主动齿轴；9-第一从动齿轴；10-第二伺服电机；11-第二传动带；12-第二主动齿轴；13-第二从动齿轴；14-第一底板；15-槽体；16-滚珠；17-第二底板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1：

如图1所示，一种用于激光引导的共面机构，包括激光轨道设备1以及设置在激光轨道设备1底部的第一滑动臂和第二滑动臂，所述第一滑动臂包括固定连接在激光轨道设备1底部的第一外壳2以及设置在第一外壳2上的第一滑轨机构，第一滑轨机构的上连接有第一滑块3，所述第一滑块3的底部与第二滑动臂的第二外壳4相连，所述第一滑轨机构通过滑块带动第二滑动臂在第一滑动臂下方左右移动；所述第二外壳4上设有第二滑轨机构，所述第二滑轨机构上连接有第二滑块5，所述第二滑块5底部用于连接激光发射头，所述第二滑轨机构通过第二滑块5带动激光发射头在第二滑动臂下方左右移动；本共面机构用于与激光轨道设备1配合工作，激光轨道设备1包括最顶部的水平行走机构，水平行走机构下方设置有水平旋转机构，在水平旋转机构下方连接竖直平面旋转机构，激光发射器连接在竖直平面旋转机构底部，通过上述机构的协同工作，基本达到了向各个位置和角度发射激光的效果，但是在做细微位移时，通过水平行走机构则会带动整个轨道设备一起移动，很容易造成移动误差，精度较低；而采用本共面机构后，在完成整体的水平和角度调节后，可以通过第一伺服电机6控制第一滑轨机构进行平面位移，由于可以通过X轴和Y轴的坐标系对平面内的点进行定位，因此在第一滑轨机构的下方设置第二滑轨机构，并且第一滑轨机构和第二滑轨机构的移动平面互相平行，便可以对下方患者体表的每个点位都能够进行定位，在第一滑轨机构对X轴定位完成后，再通过第二伺服电机10控制第二滑轨机构进行Y轴定位，即完成定位，然后通过激光发射头向患者的体表进行激光标记，使得不仅可以对角度进行精确定位，还能够对角度进行位置调整，使得激光发射头发射的激光位置及角度更加全面，并且由于第一滑轨机构和第二滑轨机构相对与水平行走机构，其体积更小，避免了移动误差，活动范围更加精确，因此更加适用于小范围的精确调整。

实施例2：

如图1、图2所示，在上述实施例的基础上，作为一种优选方案，第一滑轨机构包括第一伺服电机6和第一传动带7，所述第一伺服电机6竖直设置在第一外壳2的一端，第一伺服电机6的转轴上连接有第一主动齿轴8，所述第一外壳2的另一端连接有第一从动齿轴9，所述第一主动齿轴8和第一从动齿轴9之间连接有第一传动带7，所述第一滑块3的顶部连接在第一传动带7上；第二滑轨机构包括第二伺服电机10和第二传动带11，所述第二伺服电机10竖直设置在第二外壳4的二端，第二伺服电机10的转轴上连接有第二主动齿轴12，所述第二外壳4的另一端连接有第二从动齿轴13，所述第二主动齿轴12和第二从动齿轴13之间连接有第二传动带11，所述第二滑块5的顶部连接在第二传动带11上。

实施例3：

如图1、图2所示，在上述实施例的基础上，作为一种优选方案，第一滑轨机构的滑动方向与第二滑轨机构的滑动方向互相垂直，即构成平面的X轴和Y轴的直角坐标系，使得共面机构下方与共面机构共面的点位都能够通过直角坐标系中进行坐标标记，方便点位的定位。

实施例4：

如图1、图2所示，在上述实施例的基础上，作为一种优选方案，第一外壳2的底部连接有第一底板14，所述第一底板14与第一外壳2构成用于放置第一传动带7和第一滑块3的腔体，所述第一滑块3的底部设有扣接在第一底板14上的槽体15，所述槽体15上设有用于在第一底板14上滑动的滚珠16，所述第一槽体15的两端设有用于与第二外壳4螺纹相连的螺纹孔；第二外壳4的底部连接有第二底板17，所述第二底板17与第二外壳4构成用于放置第二传动带11和第二滑块5的腔体，所述第二滑块5的底部设有扣接在第二底板17上的槽体15，所述槽体15上设有用于在第二底板17上滑动的滚珠16，所述第二槽体15的两端设有用于与所述激光发射头螺纹相连的螺纹孔。

实施例5：

如图3所示，一种用于激光引导的共面机构的控制系统，包括控制面板、PLC、伺服驱动器、第一伺服电机6和滑轨装置，

所述控制面板，用于输入编程控制数据以及调试控制系统的运行；

所述PLC，用于编译编程控制数据得到运行指令，并将运行指令传递给伺服驱动器；

所述伺服驱动器，用于驱动控制第一伺服电机6根据运行指令转动；

所述滑轨装置，将伺服电机的圆周运动转换成直线运动形式。

值得注意的是，伺服控制系统实际上是一种对机械工作过程实现精细化控制的反馈控制系统，多用于对机械的运动矢量进行控制，PLC作为控制设备，也称为上位机；控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；伺服驱动器沟通上位机和伺服电机，作用类似于变频器作用于普通交流马达，作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机上，调节电动机转矩的大小；另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；伺服电动机为执行设备，接受来自驱动器的控制信号；同时作为优选的，可以设置各类传感器和继电器，用于检测工业控制环境下的各种信号送给上位机或驱动器做为某些动作的判断标准。

实施例6：

在上述实施例的基础上，作为一种优选方案，伺服驱动器包括位置控制器、速度控制器和电流控制器，所述伺服电机上设有与电流控制器相连的编码器，编码器将伺服电机的角位移换成电信号并反馈给电流控制器。

电流控制器是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现，应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变；位置控制器一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值，由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置，位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度；速度控制器通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位；伺服驱动器为松下A5II系列伺服驱动器或松下A6系列伺服驱动器；所述伺服电机为松下A5II系列伺服马达或松下NEW E系列伺服马达。

其中，所述所有伺服电机均通过型号为Link_AMC4030的位置控制器并进行预先编程控制其运动，其部分控制代码如下：

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于激光引导的共面机构，包括激光轨道设备(1)以及设置在激光轨道设备(1)底部的第一滑动臂和第二滑动臂，其特征在于，所述第一滑动臂的底部设有与第二滑动臂相连并且带动第二滑动臂相对第一滑动臂滑动的第一滑轨机构，所述第二滑动臂的底部设有用于连接激光发射头并带动激光发射头相对第二滑动臂滑动的第二滑轨机构；

所述第一滑动臂包括固定连接在激光轨道设备(1)底部的第一外壳(2)以及设置在第一外壳(2)上的第一滑轨机构，第一滑轨机构的上连接有第一滑块(3)，所述第一滑块(3)的底部与第二滑动臂的第二外壳(4)相连，所述第一滑轨机构通过第一滑块(3)带动第二滑动臂在第一滑动臂下方左右移动；所述第二外壳(4)上设有第二滑轨机构，所述第二滑轨机构上连接有第二滑块(5)，所述第二滑块(5)底部用于连接激光发射头，所述第二滑轨机构通过第二滑块(5)带动激光发射头在第二滑动臂下方左右移动；

所述第一滑轨机构包括第一伺服电机(6)和第一传动带(7)，所述第一伺服电机(6)竖直设置在第一外壳(2)的一端，第一伺服电机(6)的转轴上连接有第一主动齿轴(8)，所述第一外壳(2)的另一端连接有第一从动齿轴(9)，所述第一主动齿轴(8)和第一从动齿轴(9)之间连接有第一传动带(7)，所述第一滑块(3)的顶部连接在第一传动带(7)上；

所述第二滑轨机构包括第二伺服电机(10)和第二传动带(11)，所述第二伺服电机(10)竖直设置在第二外壳(4)的一端，第二伺服电机(10)的转轴上连接有第二主动齿轴(12)，所述第二外壳(4)的另一端连接有第二从动齿轴(13)，所述第二主动齿轴(12)和第二从动齿轴(13)之间连接有第二传动带(11)，所述第二滑块(5)的顶部连接在第二传动带(11)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光引导的共面机构，其特征在于：所述第一滑轨机构的滑动方向与第二滑轨机构的滑动方向互相垂直。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光引导的共面机构，其特征在于：所述第一外壳(2)的底部连接有第一底板(14)，所述第一底板(14)与第一外壳(2)构成用于放置第一传动带(7)和第一滑块(3)的腔体，所述第一滑块(3)的底部设有扣接在第一底板(14)上的槽体(15)，所述槽体(15)上设有用于在第一底板(14)上滑动的滚珠(16)，所述槽体(15)的两端设有用于与第二外壳(4)螺纹相连的螺纹孔。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光引导的共面机构，其特征在于：所述第二外壳(4)的底部连接有第二底板(17)，所述第二底板(17)与第二外壳(4)构成用于放置第二传动带(11)和第二滑块(5)的腔体，所述第二滑块(5)的底部设有扣接在第二底板(17)上的槽体(15)，所述槽体(15)上设有用于在第二底板(17)上滑动的滚珠(16)，所述槽体(15)的两端设有用于与所述激光发射头螺纹相连的螺纹孔。

5.一种用于激光引导的共面机构的控制系统，其特征在于：用于控制权利要求1所述的一种用于激光引导的共面机构，包括控制面板、PLC、伺服驱动器、第一伺服电机(6)和滑轨装置，

所述控制面板，用于输入编程控制数据以及调试控制系统的运行；

所述PLC，用于编译编程控制数据得到运行指令，并将运行指令传递给伺服驱动器；

所述伺服驱动器，用于驱动控制第一伺服电机(6)根据运行指令转动；

所述滑轨装置，将伺服电机的圆周运动转换成直线运动形式。

6.根据权利要求5所述的一种用于激光引导的共面机构的控制系统，其特征在于：所述伺服驱动器包括位置控制器、速度控制器和电流控制器，所述伺服电机上设有与电流控制器相连的编码器，编码器将伺服电机的角位移换成电信号并反馈给电流控制器。

7.根据权利要求6所述的一种用于激光引导的共面机构的控制系统，其特征在于：所述伺服驱动器为松下A5II系列伺服驱动器或松下A6系列伺服驱动器；所述伺服电机为松下A5II系列伺服马达或松下NEW E系列伺服马达。

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