CN110755142A - 采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统及方法，包括用于接收空间定位信息的控制单元，以及通过控制单元发送控制信号并执行定位动作的执行单元；所述执行单元包括由水平设置的横梁和竖直设置在横梁两端用于支撑所述横梁的两根立柱组成的机架；所述横梁上安装有平移机构，所述平移机构上转动连接有旋转机构，所述旋转机构下端头滑动连接有第一弧形滑移机构，所述第一弧形滑移机构上设置有用于动态依次多点定位的第一激光发射头；以及分别对称设置在两根立柱上的第一水平激光定位机构和第二水平激光定位机构；本发明采用激光定位，精准度高，适用范围广。

Description

采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及控制系统及装置领域，尤其涉及采用激光导向实现空间三维坐标的定位系统及装置，具体涉及采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统及方法。

背景技术

空间定位机构在精细化制造相关领域都具有广泛的应用，譬如目前已经相对成熟的3D打印技术也是基于三维空间的精准定位系统加上打印机构实现的特定结构的设备或者产品打印。构成三维空间的定位可以分解成多个单一运动，包括水平、竖直和旋转，其中旋转运动可以是竖直旋转，亦可以是水平旋转。

三维空间的定位机构应用的领域非常之广泛，包括精密电路的点焊，密封点胶，亦譬如比较典型的有数控机加工、3D打印、物料堆垛机械手，甚至医疗领域的外科手术等，其主要解决的就是某一空间领域内的无死角定位操作，针对不同的领域或者解决不同的技术问题在执行机构的终端可以安装对应的机构或者装置，譬如打印头、机械手，穿刺针或者切削刀具等。对于非全自动机械执行的需要人工干预的操作，同样需要精准定位才能保证定位、安装和装配的精度。

本申请提供的一种采用激光进行导向定位，对目标坐标点和空间向量进行精准照射定位、定向，为空间定位方案的执行提供便捷和执行精度的保证。

发明内容

为了更好的解决自动化机械对三维空间的精准定位的技术问题，本申请提供采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，用于实现对三维空间中的多个离散点通过激光进行精准定位导向，为复杂、密集的空间定位提供精准的控制和引导，能够更好的优化以点、线为主要定位单元的空间定位系统在各个领域中的应用。

为了达到上述目的，本申请所采用的技术方案为：

采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，包括用于接收空间定位信息的控制单元，以及通过控制单元发送控制信号并执行定位动作的执行单元；所述执行单元包括由水平设置的横梁和竖直设置在横梁两端用于支撑所述横梁的两根立柱组成的机架；机架的作用是用于支撑涉及参与执行定位的所有机构，在执行定位动作时，机架始终是相对于地面是静止的，本系统所要实现的是对某一特定的，具有边界的三维空间内的多个离散点进行精准定位的技术效果，所述的多个需要进行定位的目标离散点可以是具有规律的，亦可以无规律的均可。上述内容中述及的某一特定的、具有边界的三维空间是指本申请所述控制系统提供的执行定位的机构的有效定位范围是有限的，即涵盖目标定位点的集合所构成的最小三维空间应能够被本申请所述控制系统提供的执行机构最大有效定位空间范围所涵盖。

所述横梁上安装有平移机构，所述平移机构上转动连接有旋转机构，所述旋转机构下端头滑动连接有第一弧形滑移机构，所述第一弧形滑移机构上设置有用于动态依次多点定位的第一激光发射头；以及分别对称设置在两根立柱上的第一水平激光定位机构和第二水平激光定位机构；

所述控制单元包括用于接收并将接收的定位信息转换成坐标信息的解码器，与解码器连接的控制器，所述控制器分别连接包括分别用于控制所述平移机构、旋转机构、第一弧形滑移机构、第一水平激光定位机构和第二水平激光定位机构移动的伺服驱动模块和步进驱动模块；

还包括用于进行设备原点P校准的三向激光定位单元，所述三向激光定位单元包括发出的激光均相交于所述设备原点P的第一激光发射头、安装在第一水平激光定位机构上的第二激光发射头和安装在第二水平激光定位机构上的第三激光发射头。

定位的准确性是基于初始位置校准而定的，即定位系统的目的是将已经制定好的精准的含有一个或者多个定位点的定位计划或者定位信息或者定位方案通过本控制系统来执行或者实现，即本控制系统所执行的定位点须与目标定位点一一重合，那么本控制系统的系统初始位置原点P须与目标定位计划或者定位信息或者定位方案中的初始位置原点P重合。本控制系统的初始位置原点P是通过所述的第一激光发射头、第二激光发射头和第三激光发射头所发出激光的焦点确定。通过激光与目标初始位置原点P重合实现初始位置的校准。再通过所述旋转机构、平移机构、第一弧形滑移机构的协同运动实现所述第一激光发射头在有效空间定位范围内对任一点进行激光照射定位或角度定位引导。值得说明的是，所述第一激光发射头的定位角度范围大小取决于所述第一弧形滑移机构的实际弧长对应圆心角的角度大小；当第一激光发射头在任一纵向平面内偏转的最大角度范围等于九十度，那么第一激光发射头则可以实现以初始位置原点P为中心的任意正向入射角度的全覆盖。所述的任意正向入射角度是激光的传播方向是从远离初始位置原点P为中心点的任意位置发射最终发射的激光线束将穿过所述初始位置原点P₀所述的任意正向入射角度的激光线束组成的集合是过初始位置原点P的水平面将以初始位置原点P为圆心的球体分割的上半部分，所述球体的半径是所述第一激光发射头的发射表面距离所述初始位置原点P的长度值。该球体的上半部分即定义为本系统的某一特定的、具有边界的三维空间。影响该三维空间大小的因素是初始位置原点P与第一激光发射头的距离，以及所述第一激光发射头相对于初始位置原点P的偏移角度。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述平移机构包括固定安装在所述横梁上平行设置的两根平直滑轨，滑动连接在所述平直滑轨上的用于支撑所述平移机构和旋转机构的骨架；所述骨架上沿平直滑轨长度方向分别设置有通过传送皮带驱动连接的第二步进电机和导向轮，所述传送皮带的下层皮带通过压紧器与所述骨架固定连接。在进行水平移动时，第二步进电机驱动皮带带动固定在骨架上的压紧器沿皮带运动方向，从而带动整个平移机构在平直滑轨上往复滑动，滑动的距离由步进驱动模块发送到第二步进电机上的脉冲电信号决定，而脉冲电信号是通过解码器将定位信息转换的坐标信息依次转换而来，由于平移机构是整个控制系统中精度要求最低的，只需要将控制系统所能够定位的空间范围涵盖目标定位点的集合所构成的最小三维空间即可；诚然，若将第二步进电机替换为具有反馈的伺服电机亦是完全可以的，这对于本领域技术人员而言是不言自明的，在此不做赘述。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述旋转机构包括竖直转动连接在所述骨架上的纵转臂，所述纵转臂的上端头驱动连接有安装在骨架上的第一步进电机，纵转臂下端头贯穿骨架并向下延伸与用于滑动连接第一弧形滑移机构的U型支座固定连接。旋转机构是实现第一激光发射头以纵转臂为轴线实现圆周运动的机构。工作原理是通过第一步进电机驱动纵转臂旋转实现，第一步进电机与纵转臂的驱动连接方式可以采用联轴器、齿轮组，以及其他现有的刚性传动方式，具体采用的驱动方式可以根据实际第一步进电机与所述纵转臂之间的安装角度决定，但应当避免柔性驱动连接，否则极难保证旋转机构转动角度的精准度。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第一弧形滑移机构包括弧形臂，固定设置在弧形臂一侧并与所述U型支座滑动连接的第一弧形滑轨，固定设置在弧形臂上并与第一弧形滑轨处于相对侧的第一弧形齿条，所述U型支座靠近第一弧形齿条一侧安装有与第一弧形齿条啮合驱动的第一伺服电机；所述弧形臂内侧弧形面边缘安装有所述第一激光发射头。

工作原理：U型支座与所述弧形臂滑动连接，通过第一伺服电机，与第一弧形齿条啮合驱动，由于第一伺服电机固定安装在所述U型支座上因此，在第一伺服电机的驱动下弧形臂沿第一弧形滑轨来回滑动，从而实现第一激光发射头的角度偏转，满足更大范围的定位需要。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第一弧形滑移机构还包括靠近所述弧形臂内侧弧形面边缘的两侧面分别对应安装有第二弧形滑轨和第二弧形齿条，所述第二弧形滑轨滑动连接有第二弧形滑移机构，第二弧形滑移机构通过第二伺服电机啮合第二弧形齿条驱动安装有所述第一激光发射头的第二弧形滑移机构沿第二弧形滑轨往复滑动。设置第二弧形齿条和第二弧形滑轨的目的是在有限的设备空间和尺寸前提下提供更大的定位角度范围，减小定位盲区，进一步扩大本控制系统的实用性。其工作原理是：弧形臂相对于U型支座来回滑移，滑移的最大偏转角度为弧形臂的两个端头的左右极限与第一激光发射头之间的弧线对应的圆心角角度。设置第二弧形滑移机构能够使第一激光发射头在弧形臂上通过第二伺服电机驱动实现往复滑移，这相对于单一的第一弧形滑移机构具有更大的自由度和可调节性。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第二弧形滑移机构包括与所述第二弧形滑轨滑动连接的支座，所述支座上还安装有通过第四伺服电机驱动并相对于支座旋转的共面定位机构，所述第一激光发射头安装在所述共面定位机构上。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述共面定位机构包括与所述第四伺服电机驱动连接并转动连接在支座上的丝杆单元，与所述丝杆单元驱动连接的第三伺服电机，所述丝杆单元与所述第一激光发射头驱动连接，通过第三伺服电机驱动使第一激光发射头沿所述丝杆单元往复滑移。当在目标定位空间范围内，需要对多个处于同一平面的离散点和/或平行空间向量进行定位时，单纯依赖于上述第一弧形滑移机构和第二弧形滑移机构是不能实现同一定位平面相对平移的；

通过共面定位机构和丝杆单元能够使得第一激光发射头能够在同一平面内旋转，平移，就这样就可以精准，快速的实现统一平面内的多个离散点之间的定位。具体地，当多个离散点位于同一平面的圆周上时，只需要定义该圆周上的任意点，在通过第四伺服电机驱动共面定位机构带动第一激光发射头旋转即可实现；同理，亦可以通过第三伺服电机驱动第一激光发射头沿丝杆单元移动。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述伺服驱动模块包括分别与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机电连接的第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器，以及与分别与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机和第四伺服电机电连接并将执行情况反馈给所述伺服驱动模块的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器；所述步进驱动模块包括分别与所述第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和第四步进电机电连接的第一步进驱动器、第二步进驱动器、第三步进驱动器和第四步进驱动器。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述解码器解码的定位信息包括至少一根由所述第一激光发射头发射的激光所在直线L重合直线的空间坐标；所述坐标信息包括在所述直线L上的多个离散点坐标。

本发明还提供一种激光引导定位方法，具体采用上述的控制系统实现，具体包括如下步骤：步骤S100 零点定位，将控制系统的设备原点P与定位信息中的计划定位零点P₁点重合；零点定位的步骤还包括校验的步骤：在待定位空间内按照定位信息中的坐标实际设定定位零点P₂，以机架任一不动点为参考，获取P₂点与P₁点的空间坐标差{△x,△y,△z}；将P₂点按照{△x,△y,△z}调整获取到实际的P₁点坐标；

移动待定位空间或者装置使得P₁点与第一激光发射头、第二激光发射头和第三激光发射头发出的激光交点重合，完成设备原点P与定位信息中的计划定位零点P1点重合；

步骤S200 执行定位，通过解码器将定位信息坐标转换成第一弧形滑移机构和/或第二弧形滑移机构，以及旋转机构、平移机构的驱动脉冲信号驱动执行定位，使得第一激光发射头实现激光精准路径引导定位，具体地，第一伺服电机、第二伺服电机驱动第一激光发射头滑动，获得倾斜角α₁；控制第三伺服电机，获得值：ρ₁；控制第四伺服电机，获得值：θ₁；控制第一步进电机获得旋转角β₁；

且满足如下关系：

x=ρ₁cosθ₁；y=ρ₁sinθ₁；

ρ₁ ²=x²+y²；tanθ₁=

（x≠0）

ρ₁=

；

θ₁=arctan

；

其中，

α₁为任一定位点所在第一激光发射头64引导发射的激光线上定义在在世界坐标系Z-Y面中与Z轴的夹角；

ρ₁为任一定位点所在第一激光发射头64引导发射的激光线上定义在在世界坐标系X-Y面中移动的距离；

θ₁为任一定位点所在第一激光发射头64引导发射的激光线上定义在在世界坐标系X-Y面中与X轴的夹角；

β₁为任一定位点所在第一激光发射头64引导发射的激光线上定义在在世界坐标系Z-X面中与Z轴的夹角；

该任一点位点的坐标和角度表示为{x,y,z}，{α₁,β₁}。

有益效果：

1、本发明提供的三向激光定位实现空间多点定位的控制系统和方法的配合能够自动将通过上位机系统制定并下发的空间定位指令在预定空间范围内快速实现定位，与现有的定位系统最大的区别在于可以实现在不透明的预设空间内将上位机系统制定的空间定位位置基准G与本发明所述系统的设备原点P通过三向激光进行重合定位，使得整个执行过程中的精度得以保证。

2、本系统定位是基于设备原点P为初始点，以过设备原点P的无数射线构成的空间为预设定位空间，以任意射线上的任意点为定位点，使得在预设定位空间中的任一点都可以快速定位，且以激光照射引导，能够对置于预设空间范围内待定位的不透明的物体内部实现精准定位，这一点是现有定位设备都无法实现的，同时，激光的引导照射还给针对不透明物体内部定位深度确定实现人工干预提供可操作依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的后视图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的立体图；

图4是执行机构的正向轴测图；

图5是执行机构的背向轴测图；

图6是弧形臂旋转一周形成的可定位立体空间示意图；

图7是在图6的基础上加上平移机构平移后形成的可定位范围立体空间示意图；

图8是控制单元的工作的逻辑框图；

图9是实施例1中针道位于世界坐标系中的Z-Y面；

图10是实施例1中针道位于世界坐标系中的Z-X面。

图中：1-横梁；11-骨架；2-立柱；

3-旋转机构；31-第一步进电机；32-纵转臂；33-U型支座；4-平移机构；41-第二步进电机；42-传送皮带；43-导向轮；44-压紧器；45-平直滑轨；

5-第一弧形滑移机构；51-第一伺服电机；52-弧形臂；53-第一弧形齿条；54-第二弧形滑轨；55-第二弧形齿条；56-第一弧形滑轨；

6-第二弧形滑移机构；61-第二伺服电机；62-第三伺服电机；63-第四伺服电机；64-第一激光发射头；65-支座；

7-第一水平激光定位机构；71-第三步进电机；72-丝杆；73-安装支架；74-第二激光发射头；8-第二水平激光定位机构；81-第四步进电机；82-第三激光发射头；

9-显示器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

为了更好的说明本发明的结构及工作原理，本实施例以直线针道穿刺定位为例具体阐述采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，结合说明书附图1-3所示内容包括用于接收空间定位信息的控制单元，以及通过控制单元发送控制信号并执行定位动作的执行单元；所述执行单元包括由水平设置的横梁1和竖直设置在横梁1两端用于支撑所述横梁1的两根立柱2组成的机架；所述横梁1上安装有平移机构4，所述平移机构4上转动连接有旋转机构3，所述旋转机构3下端头滑动连接有第一弧形滑移机构5，所述第一弧形滑移机构5上设置有用于动态依次多点定位的第一激光发射头64；以及分别对称设置在两根立柱2上的第一水平激光定位机构7和第二水平激光定位机构8；

所述控制单元包括用于接收并将接收的定位信息转换成坐标信息的解码器，与解码器连接的控制器,本实施例采用三菱电机MELSEC iQ-R系列执行，所述控制器分别连接包括分别用于控制所述平移机构4、旋转机构3、第一弧形滑移机构5、第一水平激光定位机构7和第二水平激光定位机构8移动的伺服驱动模块和步进驱动模块；机架的作用是用于支撑涉及参与执行定位的所有机构，在执行定位动作时，机架始终是相对于地面是静止的，本系统所要实现的是对某一特定的，具有边界的三维空间内的多个离散点进行精准定位的技术效果，所述的多个需要进行定位的目标离散点可以是具有规律的，亦可以无规律的均可。上述内容中述及的某一特定的、具有边界的三维空间是指本申请所述控制系统提供的执行定位的机构的有效定位范围是有限的，即涵盖目标定位点的集合所构成的最小三维空间应能够被本申请所述控制系统提供的执行机构最大有效定位空间范围所涵盖。如图6所示的阴影面积就是在任意纵向平面内，第一激光发射头64在第一弧形滑移机构5的极限滑移位移范围内形成的有效的定位平面范围，在这一状态下，旋转机构3旋转360°，那么该有效的定位平面范围就形成以该定位平面范围为截面的半球体，即有效定位空间范围。当然，作为本领域普通技术人员应当理解到，当在任意纵向平面内，若第一激光发射头64处于极限位置时发射的激光相交角度小于90°，那么形成的有效定位空间范围则不是半球体，而是上表面成球面的锥形体，锥形体的大小取决于所述第一激光发射头64处于极限位置是发射的激光相交角度值的大小。基于平移机构4的作用可以将有效定位空间范围进行平移，以进一步增大有效定位空间范围，提高本申请的兼容性和实用性。具体如图7示出的内容，其中阴影部分即为有效定位空间范围的主视图。

本实施例所述控制系统还包括用于进行设备原点P校准的三向激光定位单元，所述三向激光定位单元包括发出的激光均相交于所述设备原点P的第一激光发射头64、安装在第一水平激光定位机构7上的第二激光发射头74和安装在第二水平激光定位机构8上的第三激光发射头82。定位的准确性是基于初始位置校准而定的，即定位系统的目的是将已经制定好的精准的含有一个或者多个定位点的定位计划或者定位信息或者定位方案通过本控制系统来执行或者实现，即本控制系统所执行的定位点须与目标定位点一一重合，那么本控制系统的系统初始位置原点P须与目标定位计划或者定位信息或者定位方案中的初始位置原点P₀重合。本控制系统的初始位置原点P是通过所述的第一激光发射头64、第二激光发射头74和第三激光发射头82所发出激光的焦点确定。通过激光与目标初始位置原点P₀重合实现初始位置的校准。再通过所述旋转机构3、平移机构4、第一弧形滑移机构5的协同运动实现所述第一激光发射头64在有效空间定位范围内对任一点进行激光照射定位或角度定位引导。值得说明的是，所述第一激光发射头64的定位角度范围大小取决于所述第一弧形滑移机构5的实际弧长对应圆心角的角度大小；当第一激光发射头64在任一纵向平面内偏转的最大角度范围等于九十度，那么第一激光发射头64则可以实现以初始位置原点P为中心的任意正向入射角度的全覆盖。所述的任意正向入射角度是激光的传播方向是从远离初始位置原点P为中心点的任意位置发射最终发射的激光线束将穿过所述初始位置原点P。所述的任意正向入射角度的激光线束组成的集合是过初始位置原点P的水平面将以初始位置原点P为圆心的球体分割的上半部分，所述球体的半径是所述第一激光发射头64的发射表面距离所述初始位置原点P的长度值。该球体的上半部分即定义为本系统的某一特定的、具有边界的三维空间。影响该三维空间大小的因素是初始位置原点P与第一激光发射头64的距离，以及所述第一激光发射头64相对于初始位置原点P的偏移角度。

本实施例中，以放射性粒子植入肿瘤对针道进行定位照射为例进行具体说明，对于应用于医疗穿刺定位领域，具体的初始位置原点P与定位方案中的初始位置原点P₀进行重合操作的原理及方法具体如下：

第一步：将患者体内需要进行粒子植入治疗的肿瘤对应体表位置任一固定设置三个标记点（Q\W\E），然后让患者以某一特定术式（本实施例以平躺为例）躺在CT床上进行断层扫描，或者包含有肿瘤的扫描文件。

第二步：将第一步中获取到的断层扫描文件在计算机中进行三维重建，采用软件为3D Slicer或Mimics实现，获取到肿瘤的三维重建模型；

第三步：制作穿刺方案，穿刺方案包括若干植入放射性离子的针道，其中穿刺方案中会有一个用于布局针道的位置基准G点，所述位置基准G点则为上述的“定位方案中的初始位置原点P₀”。获取该P₀距离CT床上表面的距离h₁，以及该P₀点投影在患者体表的点P₁与“第一步”中所述三个标记点（Q\W\E）的相对距离P₁Q=L₁、P₁W=L₂和P₁E=L₃。

第四步：根据L₁、L₂和L₃在患者体表获取到实际的点P₂，并标记，同时根据h₁在患者身体表面侧壁进行标记，并用于对准第一水平激光定位机构7和第二水平激光定位机构8发射出的定位激光，完成水平方向的定位。

第五步：让患者以第一步相同的术式，如平躺；以点P₂为第一根针道的穿刺点进行穿刺10毫米，然后带针重复“第一步”的扫描和“第二步”的三维重建，以“第五步”中三维重建模型中的三个标记点（Q\W\E）和“第一步”中的三个标记点（Q\W\E）为基准重合，获取到P₂与P₁的空间位移向量，然后在“第三步”中所述穿刺方案中任一个针道均按照该P₂与P₁的空间位移向量进行调整，获取到最后执行的穿刺方案。

第六步：将第五步中调整后的最后执行的穿刺方案通过上位机系统（可以采用PC进行计算，上位机系统是用于制作穿刺方案的计算机系统，其可以采用与本控制系统通信连接的任一计算机系统完成，且该上位机系统可以排除到本申请所述控制系统之外，但是为了方便查看，上位机系统的显示器9可以安装在横梁1上），如图8所示，将穿刺方案即针道信息导入到控制单元中，再通过解码器解码成坐标信息并转换成脉冲电信号发送到控制器中，通过控制器将脉冲电信号发送到伺服驱动模块和步进驱动模块分别驱动包括平移机构4、旋转机构3、第一弧形滑移机构5、第一水平激光定位机构7协同动作实现定位实现激光引导路径规划。在实际离子植入时，医生只需要按照第一激光发射头发射的激光穿刺即可精准的实施穿刺方案，大大提高了手术的精准度。

为了更进一步说明解码器从获取上位机系统下发的信息到实现定位使得激光引导路径规划的计算方法及原理如下：

结合图9和图10所示内容，将图中的各点进行如下定义说明：

其中：

P₁点：体表计划定位零点，空间坐标{x₀,y₀,z₀}倾斜角α=0°，旋转角 β=0°；

P₂点：体表实际定位零点，空间坐标{x₀’,y₀’,z₀’}，倾斜角α₀’=0°，旋转角 β₀’=0°；

K点：计划针与皮肤穿刺点，空间坐标{x₁,y₁,z₁} 倾斜角 α₁，旋转角 β₁；

B点：实际定位针针尖点；

F点：第一根计划针针尖点 坐标{x₂,y₂,z₂}；

实际定位零点P₂点与P₁点存在{△x,△y,△z}的关系如下：

x₀=x₀’+△x；

y₀=y₀’+△y

z₀= z₀’+△z

P₂点相对P₁点的位置{△x,△y,△z}为P₂点（定位针）第一次带针CT扫描后，实际位置与计划位置的偏差的修订值，在以后所有针道计划中都加上此修订值，相当于将现在的实际定位零点整体移动{△x,△y,△z}，使之符合原有计划。

在这一步，体表实际定位针垂直于X-Y面即地面，此时：

α=α₀’=0°

β=β₀’=0°

设备原点P与计划定位零点P₁点重合，是通过移动整体设备及调节床高来完成，整个过程中控制系统不工作即整个设备回归初始点后，默认设备的初始点与通过移动整体设备及调节床高来获得与体表计划定位零点P₁重合，实现设备原点P与计划定位零点P₁点重合。

以上为实现硬件系统与计划零点重合、实际零点与计划零点修订的具体方法。整个系统完成以上操作后，设备准备完成，可以按修订后的计划针道坐标进行激光引导插针。

第一根针坐标{z₁’,y₁’,z₁’}与原有计划坐标关系：

x₁’=x₁+△x

y₁’=y₁+△y

z₁’=z₁+△z

旋转角及倾斜角不变仍为计划角度：α₁，β₁；

控制系统在做第一根针激光引导时开始运作。

上位机系统即计划系统向下位机控制系统传递第一根针引导坐标及角度：{x₁’,y₁’ ,z₁’}，{α₁,β₁}；

下位机控制系统接收到以上坐标及角度后通过命令转换发出相应的控制信号，驱动各电机相应的移动和转动。

在x-y平面内{x₁’,y₁’,z₁’}位置确定 ，通过如下极坐标转换而获得

{ρ₁，θ₁}；

即有：

控制器驱动X-Y平面：第三伺服电机62，获得值：ρ₁；

控制器驱动X-Y平面：第四伺服电机63，获得值：θ₁；

进一步地；

通过控制器驱动第一步进电机31获得旋转角β₁；控制器驱动第一伺服电机51、第二伺服电机61获得倾斜角α₁。

穿刺针道深度为穿刺K点与针尖F点的距离

以上为上位机坐标下发控制系统，实现激光引导路径规划实现的整个过程。

值得说明和强调的是，本实施例只是列举的本申请在个别领域的应用实例，并不应该理解成是对本申请所述控制系统应用领域的唯一限定。

实施例2：

为了更好的实现本申请精准定位的技术效果，在实施例1的基础上做进一步细化，具体结合说明书附图1-7，所述横梁1上安装有平移机构4，所述平移机构4上转动连接有旋转机构3，所述旋转机构3下端头滑动连接有第一弧形滑移机构5，所述第一弧形滑移机构5上设置有用于动态依次多点定位的第一激光发射头64；以及分别对称设置在两根立柱2上的第一水平激光定位机构7和第二水平激光定位机构8；

所述控制单元包括用于接收并将接收的定位信息转换成坐标信息的解码器，与解码器连接的控制器，所述控制器分别连接包括分别用于控制所述平移机构4、旋转机构3、第一弧形滑移机构5、第一水平激光定位机构7和第二水平激光定位机构8移动的伺服驱动模块和步进驱动模块；

还包括用于进行设备原点P校准的三向激光定位单元，所述三向激光定位单元包括发出的激光均相交于所述设备原点P的第一激光发射头64、安装在第一水平激光定位机构7上的第二激光发射头74和安装在第二水平激光定位机构8上的第三激光发射头82。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述平移机构4包括固定安装在所述横梁1上平行设置的两根平直滑轨45，滑动连接在所述平直滑轨45上的用于支撑所述平移机构4和旋转机构3的骨架11；所述骨架11上沿平直滑轨45长度方向分别设置有通过传送皮带42驱动连接的第二步进电机41和导向轮43，所述传送皮带42的下层皮带通过压紧器44与所述骨架11固定连接。在进行水平移动时，第二步进电机41驱动皮带42带动固定在骨架11上的压紧器44沿皮带42运动方向，从而带动整个平移机构4在平直滑轨45上往复滑动，滑动的距离由步进驱动模块发送到第二步进电机41上的脉冲电信号决定，而脉冲电信号是通过解码器将定位信息转换的坐标信息依次转换而来，由于平移机构4是整个控制系统中精度要求最低的，只需要将控制系统所能够定位的空间范围涵盖目标定位点的集合所构成的最小三维空间即可；诚然，若将第二步进电机41替换为具有反馈的伺服电机亦是完全可以的，这对于本领域技术人员而言是不言自明的，在此不做赘述。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述旋转机构3包括竖直转动连接在所述骨架11上的纵转臂32，所述纵转臂32的上端头驱动连接有安装在骨架11上的第一步进电机31，纵转臂32下端头贯穿骨架11并向下延伸与用于滑动连接第一弧形滑移机构5的U型支座33固定连接。旋转机构3是实现第一激光发射头64以纵转臂32为轴线实现圆周运动的机构。工作原理是通过第一步进电机31驱动纵转臂32旋转实现，第一步进电机31与纵转臂32的驱动连接方式可以采用联轴器、齿轮组，以及其他现有的刚性传动方式，具体采用的驱动方式可以根据实际第一步进电机31与所述纵转臂32之间的安装角度决定，但应当避免柔性驱动连接，否则极难保证旋转机构3转动角度的精准度。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第一弧形滑移机构5包括弧形臂52，固定设置在弧形臂52一侧并与所述U型支座33滑动连接的第一弧形滑轨56，固定设置在弧形臂52上并与第一弧形滑轨56处于相对侧的第一弧形齿条53，所述U型支座33靠近第一弧形齿条53一侧安装有与第一弧形齿条53啮合驱动的第一伺服电机51；所述弧形臂52内侧弧形面边缘安装有所述第一激光发射头64。工作原理：U型支座33与所述弧形臂52滑动连接，通过第一伺服电机51，与第一弧形齿条53啮合驱动，由于第一伺服电机51固定安装在所述U型支座33上因此，在第一伺服电机51的驱动下弧形臂52沿第一弧形滑轨56来回滑动，从而实现第一激光发射头64的角度偏转，满足更大范围的定位需要。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第一弧形滑移机构5还包括靠近所述弧形臂52内侧弧形面边缘的两侧面分别对应安装有第二弧形滑轨54和第二弧形齿条55，所述第二弧形滑轨54滑动连接有第二弧形滑移机构6，第二弧形滑移机构6通过第二伺服电机61啮合第二弧形齿条55驱动安装有所述第一激光发射头64的第二弧形滑移机构6沿第二弧形滑轨54往复滑动。设置第二弧形齿条55和第二弧形滑轨54的目的是在有限的设备空间和尺寸前提下提供更大的定位角度范围，减小定位盲区，进一步扩大本控制系统的实用性。其工作原理是：弧形臂52相对于U型支座33来回滑移，滑移的最大偏转角度为弧形臂52的两个端头的左右极限与第一激光发射头64之间的弧线对应的圆心角角度。设置第二弧形滑移机构6能够使第一激光发射头64在弧形臂52上通过第二伺服电机61驱动实现往复滑移，这相对于单一的第一弧形滑移机构5具有更大的自由度和可调节性。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述第二弧形滑移机构6包括与所述第二弧形滑轨54滑动连接的支座65，所述支座65上还安装有通过第四伺服电机63驱动并相对于支座65旋转的共面定位机构，所述第一激光发射头64安装在所述共面定位机构上。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述共面定位机构包括与所述第四伺服电机63驱动连接并转动连接在支座65上的丝杆单元，与所述丝杆单元驱动连接的第三伺服电机62，所述丝杆单元与所述第一激光发射头64驱动连接，通过第三伺服电机62驱动使第一激光发射头64沿所述丝杆单元往复滑移。当在目标定位空间范围内，需要对多个处于同一平面的离散点进行定位时，单纯依赖于上述第一弧形滑移机构5和第二弧形滑移机构6是不能实现同一定位平面相对平移的；

通过共面定位机构和丝杆单元能够使得第一激光发射头64能够在同一平面内旋转，平移，就这样就可以精准，快速的实现统一平面内的多个离散点之间的定位。具体地，当多个离散点位于同一平面的圆周上时，只需要定义该圆周上的任意点，在通过第四伺服电机63驱动共面定位机构带动第一激光发射头64旋转即可实现；同理，亦可以通过第三伺服电机62驱动第一激光发射头64沿丝杆单元移动。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述伺服驱动模块包括分别与所述第一伺服电机51、第二伺服电机61、第三伺服电机62和第四伺服电机63电连接的第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器，以及与分别与所述第一伺服电机51、第二伺服电机61、第三伺服电机62和第四伺服电机63电连接并将执行情况反馈给所述伺服驱动模块的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器；所述步进驱动模块包括分别与所述第一步进电机31、第二步进电机41、第三步进电机71和第四步进电机81电连接的第一步进驱动器、第二步进驱动器、第三步进驱动器和第四步进驱动器。所述第二激光发射头74安装在丝杆72上，丝杆72通过所述第三步进电机71驱动进行旋转，所述第三步进电机71通过安装支架73固定安装在立柱2上。

为了更进一步的优化本发明，特别采用下述结构设置来实现：所述解码器解码的定位信息包括至少一根由所述第一激光发射头64发射的激光所在直线L重合直线的空间坐标；所述坐标信息包括在所述直线L上的多个离散点坐标。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，包括用于接收空间定位信息的控制单元，以及通过控制单元发送控制信号并执行定位动作的执行单元，其特征在于：

所述执行单元包括由水平设置的横梁（1）和竖直设置在横梁（1）两端用于支撑所述横梁（1）的两根立柱（2）组成的机架；所述横梁（1）上安装有平移机构（4），所述平移机构（4）上转动连接有旋转机构（3），所述旋转机构（3）下端头滑动连接有第一弧形滑移机构（5），所述第一弧形滑移机构（5）上设置有用于动态依次多点定位的第一激光发射头（64）；以及分别对称设置在两根立柱（2）上的第一水平激光定位机构（7）和第二水平激光定位机构（8）；

所述控制单元包括用于接收并将接收的定位信息转换成坐标信息的解码器，与解码器连接的控制器，所述控制器分别连接包括分别用于控制所述平移机构（4）、旋转机构（3）、第一弧形滑移机构（5）、第一水平激光定位机构（7）和第二水平激光定位机构（8）移动的伺服驱动模块和步进驱动模块；

还包括用于进行设备原点P校准的三向激光定位单元，所述三向激光定位单元包括发出的激光均相交于所述设备原点P的第一激光发射头（64）、安装在第一水平激光定位机构（7）上的第二激光发射头（74）和安装在第二水平激光定位机构（8）上的第三激光发射头（82）。

2.根据权利要求1所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述平移机构（4）包括固定安装在所述横梁（1）上平行设置的两根平直滑轨（45），滑动连接在所述平直滑轨（45）上的用于支撑所述平移机构（4）和旋转机构（3）的骨架（11）；所述骨架（11）上沿平直滑轨（45）长度方向分别设置有通过传送皮带（42）驱动连接的第二步进电机（41）和导向轮（43），所述传送皮带（42）的下层皮带通过压紧器（44）与所述骨架（11）固定连接。

3.根据权利要求2所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述旋转机构（3）包括竖直转动连接在所述骨架（11）上的纵转臂（32），所述纵转臂（32）的上端头驱动连接有安装在骨架（11）上的第一步进电机（31），纵转臂（32）下端头贯穿骨架（11）并向下延伸与用于滑动连接第一弧形滑移机构（5）的U型支座（33）固定连接。

4.根据权利要求3所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述第一弧形滑移机构（5）包括弧形臂（52），固定设置在弧形臂（52）一侧并与所述U型支座（33）滑动连接的第一弧形滑轨（56），固定设置在弧形臂（52）上并与第一弧形滑轨（56）处于相对侧的第一弧形齿条（53），所述U型支座（33）靠近第一弧形齿条（53）一侧安装有与第一弧形齿条（53）啮合驱动的第一伺服电机（51）；所述弧形臂（52）内侧弧形面边缘安装有所述第一激光发射头（64）。

5.根据权利要求4所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述第一弧形滑移机构（5）还包括靠近所述弧形臂（52）内侧弧形面边缘的两侧面分别对应安装有第二弧形滑轨（54）和第二弧形齿条（55），所述第二弧形滑轨（54）滑动连接有第二弧形滑移机构（6），第二弧形滑移机构（6）通过第二伺服电机（61）啮合第二弧形齿条（55）驱动安装有所述第一激光发射头（64）的第二弧形滑移机构（6）沿第二弧形滑轨（54）往复滑动。

6.根据权利要求5所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述第二弧形滑移机构（6）包括与所述第二弧形滑轨（54）滑动连接的支座（65），所述支座（65）上还安装有通过第四伺服电机（63）驱动并相对于支座（65）旋转的共面定位机构，所述第一激光发射头（64）安装在所述共面定位机构上。

7.根据权利要求6所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述共面定位机构包括与所述第四伺服电机（63）驱动连接并转动连接在支座（65）上的丝杆单元，与所述丝杆单元驱动连接的第三伺服电机（62），所述丝杆单元与所述第一激光发射头（64）驱动连接，通过第三伺服电机（62）驱动使第一激光发射头（64）沿所述丝杆单元往复滑移。

8.根据权利要求7所述的采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述伺服驱动模块包括分别与所述第一伺服电机（51）、第二伺服电机（61）、第三伺服电机（62）和第四伺服电机（63）电连接的第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、第四伺服驱动器，以及与分别与所述第一伺服电机（51）、第二伺服电机（61）、第三伺服电机（62）和第四伺服电机（63）电连接并将执行情况反馈给所述伺服驱动模块的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器；所述步进驱动模块包括分别与所述第一步进电机（31）、第二步进电机（41）、第三步进电机（71）和第四步进电机（81）电连接的第一步进驱动器、第二步进驱动器、第三步进驱动器和第四步进驱动器。

9.根据权利要求8所述的一种采用三向激光定位实现空间多点定位的控制系统，其特征在于：所述解码器解码的定位信息包括至少一根由所述第一激光发射头（64）发射的激光所在直线L重合直线的空间坐标；所述坐标信息包括在所述直线L上的多个离散点坐标。

10.一种激光引导定位方法，其特征在于：采用权利要求9中所述的控制系统实现，具体包括如下步骤：

步骤S100 零点定位，将控制系统的设备原点P与定位信息中的计划定位零点P₁点重合；

零点定位的步骤还包括校验的步骤：在待定位空间内按照定位信息中的坐标实际设定定位零点P₂，以机架任一不动点为参考，获取P₂点与P₁点的空间坐标差{△x,△y,△z}；将P₂点按照{△x,△y,△z}调整获取到实际的P₁点坐标；

移动待定位空间或者装置使得P₁点与第一激光发射头（64）、第二激光发射头（74）和第三激光发射头（82）发出的激光交点重合，完成设备原点P与定位信息中的计划定位零点P1点重合；

步骤S200 执行定位，通过解码器将定位信息坐标转换成第一弧形滑移机构（5）和/或第二弧形滑移机构（6），以及旋转机构（3）、平移机构（4）的驱动脉冲信号驱动执行定位，使得第一激光发射头（64）实现激光精准路径引导定位，具体地，第一伺服电机（51）、第二伺服电机（61）驱动第一激光发射头（64）滑动，获得倾斜角α₁；控制第三伺服电机（62），获得值：ρ₁；控制第四伺服电机（63），获得值：θ₁；控制第一步进电机（31）获得旋转角β₁；

且满足如下关系：

x=ρ₁cosθ₁；y=ρ₁sinθ₁；

ρ₁ ²=x²+y²；tanθ₁=（x≠0）；

ρ₁=；

θ₁=arctan；

其中，

α₁为任一定位点所在第一激光发射头（64）引导发射的激光线上定义在世界坐标系Z-Y面中与Z轴的夹角；

ρ₁为任一定位点所在第一激光发射头（64）引导发射的激光线上定义在世界坐标系X-Y面中移动的距离；

θ₁为任一定位点所在第一激光发射头（64）引导发射的激光线上定义在世界坐标系X-Y面中与X轴的夹角；

β₁为任一定位点所在第一激光发射头（64）引导发射的激光线上定义在世界坐标系Z-X面中与Z轴的夹角；

该任一定位点的坐标和角度表示为{x,y,z}，{α₁,β₁}。

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