CN114452549B - 一种可实现自动快速切换的准直系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现自动快速切换的准直器装置、准直器装置精准运动控制方法，以及准直器识别方法，准直器装置包括传动组件和至少2组准直器装配组件，传动组件与准直器装配组件相连接，传动组件至少包括旋转座组件，准直器装配组件上包括准直器，传动组件可通过旋转动作实现不同准直器装配组件的自动切换。本发明通过转盘机构的自动旋转、自动识别、自动锁定，实现不同准直器的快速切换，在治疗过程中治疗头可根据治疗计划快速切换准直器。克服了现有技术在更换准直器时延误时间的缺点，在大多数情况下无需中止治疗更换准直器，装置重复定位精度高，三级锁定保护保证可系统的安全可靠，盲孔准直器可以降低暗电流对患者的损伤。

Description

一种可实现自动快速切换的准直系统

技术领域

本发明属于放射外科机器人设备技术领域，具体涉及一种可实现自动快速切换的二级准直器装置。

背景技术

图像引导放射治疗(Image Guided Radiation Therapy,IGRT)是近十几年来逐步发展起来的肿瘤放射治疗新技术，它通过先进的影像设备及图像处理方法，在治疗计划阶段，对患者进行准确靶区探测、勾画和治疗射束分布规划、剂量分布计算，在治疗照射前进行精确靶区定位、在治疗过程中进行靶区运动跟踪，实现对肿瘤的精确放射治疗，降低对肿瘤周边正常组织及关键器官的损伤。图像引导技术是现代新兴精确放射治疗的基础，如头颈部立体定向放射外科手术(SRS)、立体定向体部放射治疗(SBRT)。精准放射治疗SRS和SBRT也统称为放射外科治疗。

放射外科机器人系统是放射外科治疗专用设备，主要用于全身实体肿瘤精确放射治疗，结合多模态图像引导、现代机器人和小型化直线加速器等先进技术，实现了精确图像引导下的精准放疗，以大剂量、低分次(1至5次)治疗不同大小的肿瘤。

放射外科机器人系统，在球面治疗空间，采用多束非共面高剂量小野照射，使加速器治疗射束可以在球面上不同位置不同方向投射到患者靶区，以达到最优化的治疗剂量分布，获得最好的治疗效果。以放射外科系统治疗中心为球中心，以SAD为半径，定义一个球面。在球面上规划均匀分布的多个节点(可以多达数千个)，称为治疗节点，球面上所有治疗节点的集合即为球面治疗空间。治疗计划系统从球面治疗空间中选择针对具体患者的优化治疗节点(数十至上百个)，满足最佳剂量分布的临床要求。每个分次治疗通常需要使用多个不同孔径的射野，以实现治疗计划制定的剂量分布。每个分次治疗需要使用多个不同孔径的射野照射，通过更换直线加速器中的不同孔径二级准直器来实现。

在目前的放射治疗设备上使用圆形准直器时，每次仅安装一只准直器。机器人放射外科加速器系统主要进行立体定向放射治疗，通常完成其治疗计划需要使用多个不同孔径的准直器。在治疗过程中，即使机器人自动更换准直器，也会延误时间，降低工作效率。

在解决更换准直器导致的延误时间和降低效率问题方面，专利CN201711349474.7公开了了一种准直器，包括：安装在固定板上的滑板；安装在滑板上的准直器轮和旋转驱动装置，旋转驱动装置带动准直器轮转动，且准直器轮沿圆周方向上设置有至少两个不同尺寸的开孔，开孔所在的圆周的圆心位于准直器轮的转动轴线上。该专利的目的使其快速实现不同尺寸开孔的更换。由于在治疗过程中，准直器壁需要一定厚度，防止漏射，故在一个准直器上设置有至少两个不同尺寸的开孔会导致设计体积大，准直器过重，产生安全隐患，在机器人运动过程中不便利。采用电机搭载同步带方式运动，同步带传动精度低，易老化，变形量大，定位精度差，不符合临床使用需求。

专利94247384.1同样公开了与201711349474.7类似的方案，在准直器柱体上开有若干不同孔径的偏心准直孔，利用分度传动机构改变准直器柱体的回转角度，使不同孔径的准直孔与射线通道对接，实现射线束径的变换。上述设计同样具有体积非常巨大，传动装置驱动复杂的问题。

200780044846.3专利公开了一种自动准直器更换装置，是采用插拔式更换方式，通过机械手方式进行自动的更换放射治疗系统的一个或多个准直器。该自动准直器更换系统需要依赖于机械手，每次机械臂需要离开治疗位置，实现一定的运动、抓取准直器、拧紧等过程的时间，更换后，再回到治疗位置，会导致重复定位精度差，每个分次的治疗时间的延长，同时机械手在运动过程中，也会对患者产生一定的安全隐患。

同时在放射治疗整个过程中，磁控管一直在输出微波，会对加速管内的杂散电子进行加速，导致低能射线产生，这种低能射线即为暗电流。暗电流是客观存在的现象，目前现有的加速器对暗电流没有防护措施，暗电流会直接照射到患者体内，造成治疗计划以外的照射。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明公开了一种可实现自动快速切换的二级准直器装置。将至少2个准直器同时安装在治疗头上，在治疗过程中治疗头可根据治疗计划快速切换准直器。在大多数情况下无需中止治疗就可以更换准直器，克服现有技术在更换准直器时延误时间的缺点。

本发明完整的技术方案包括：

一种可实现自动快速切换的准直器装置，包括传动组件和至少2组准直器装配组件，所述传动组件与准直器装配组件相连接，所述传动组件至少包括所述准直器装配组件上包括准直器，所述传动组件可通过旋转动作实现不同准直器装配组件的自动切换；

所述的传动组件包括旋转座组件、准直器固定座、电机组件和电磁销钉组件，所述电机组件与准直器固定座、准直器旋转座组件相连接，在电机组件的驱动下，准直器旋转座组件带动准直器固定座进行运动；所述准直器固定盘上设有束流孔径，电机组件带动旋转座组件，将指定的准直器旋转至束流孔径下方，实现准直器工位的自动快速切换；

所述电磁销钉组件用以实现准直器旋转座组件的自动定位、鉴别和锁定，包括：电磁销钉、安装环和第一微动开关；所述电磁销钉通过安装环固定在准直器旋转座上，随着准直器旋转座一起转动，当电机带动准直器旋转座转动时，电磁销钉通电，金属杆缩回，转到需要的位置时，电磁销钉断电，金属杆伸出，插入到固定座的锥形孔中，使准直器旋转座不能转动；并与对应位置的第一微动开关接触，第一微动开关触发，发送电信号，使系统识别束流孔径中心下的准直器型号。

还包括调节架组件，所述调节架组件包括连接板，螺杆，螺母，所述连接板将传动组件与初级准直器装置末端相连接；通过调节所述螺杆和螺母可以调整二级准直器到靶点的距离。

所述旋转座组件包括：准直器旋转座、轴承内圈端盖、两个薄壁轴承、轴承外圈端盖；

所述两个薄壁轴承安装于准直器旋转座和准直器固定座之间，所述两个薄壁轴承外壁设有轴承外圈端盖和轴承内圈端盖，所述旋转座通过薄壁轴承，在电机的作用下旋转；

所述两个薄壁轴承外壁、轴承外圈端盖和轴承内圈端盖，对轴承进行固定；准直器的重量由上而下传递；二级准直器向下方式时，轴承外圈端盖承受重力，起到承重作用；如果二级准直器旋转到向上方向，轴承内圈端盖起到承重作用。

优选的，所述准直器旋转座组件上设置有至少1个盲孔准直器和至少2个圆孔，所述盲孔准直器安装在准直器旋转座上，所述至少两个圆孔等分分布，用于固定连接准直器装配组件；所述盲孔准直器位于圆孔中间，与准直器装配组件处于同一圆周上，在非治疗状态下，通过调整电机运动控制将盲孔准直器切换旋转到束流孔径的位置。

优选的，所述电磁销钉组件中，所述电磁销钉是推拉式电磁销钉，为常闭状态；断电时金属杆保持伸出状态；通电时金属杆缩回；所述第一微动开关数量等于盲孔准直器和圆孔数量之和，所述第一微动开关固定在固定座上，位置分别对应盲孔准直器和圆孔的位置。

所述电机组件包括：电机支架、步进电机和联轴器；所述步进电机安装在电机支架上，同时与联轴器相连，所述联轴器与准直器旋转座连接。

所述准直器装配组件还包括：准直器识别组件和锁定组件；所述锁定组件包括弹簧、准直器外套、内锥形套和滚珠，所述准直器外套与内锥形套之间固定，所述内锥形套与滚珠接触，所述滚珠与准直器的滚珠槽接触，所述弹簧位于内锥形套下方并与内锥形套连接；

所述内锥形套具有3个锥面部分，分别为第一锥形面、第二锥形面和第三锥形面，所述第一锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小；所述第二锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐增大；所述第三锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小；

所述第一个锥形面、第二个锥形面和滚珠分别接触时均相切，所述滚珠与准直器的滚珠槽的两个锥角也相切。

优选的，所述锁定组件具有三级锁定方式，包括两级机械锁定和一级锁定检验保护。

一级机械锁定方式为弹簧处于正常工作状态时，弹簧对内锥形套施加压力，保证滚珠与内锥形套第一个内锥面有效接触，并使第一锥形面压紧滚珠进行准直器锁定，二级机械锁定方式为当弹簧失效失去对内锥形套的拉力时，准直器外套与内锥形套向上运动，滚珠不再压紧准直器，准直器向下移动一定距离，直到内锥形套的第二锥形面重新压紧最外侧的滚珠，滚珠重新压紧准直器的滚珠槽以实现准直器二级机械锁定；保证准直器不会脱落；

一级锁定检验保护方式，包括安装在准直器外套上的位置传感器，准直器锁紧时，向下拉准直器外套，使准直器外套上的与位置传感器接近，位置传感器检测金属片，保证次级准直器被安装锁定到位；

准直器安装与锁定方式为：将准直器安装到准直器旋转座中，用手向下拉准直器外套，使内锥形套压紧滚珠，使得滚珠压紧准直器的沟槽，锁紧准直器；更换准直器时，先用手托住准直器，向上推外套，使滚珠移动，解除锁紧状态，准直器便可以向下滑落。

所述准直器识别组件至少包括：设置于准直器顶部表面的凹部和凸部、带弹簧伸缩的探针和编码识别电路；

所述准直器识别采用物理编码方式，准直器表面顶部表面在对应的位置处，设置凹部或凸部，准直器上方有带弹簧伸缩的探针与之相对应并探测出相应的电信号；当探针下方为凹部状态时，探针与二级准直器没有接触，没有电流通过该探针，电压信号为“1”，当探针下方为凸部时，探针与二级准直器接触，有电流通过探针，电压信号为“0”，

优选的，在准直器顶部表面不同半径处，加工出一定数量的凹部和凸部，识别时形成一组由0和1组成的编码，不同型号准直器采用不同的编码；探针设于PCB板上，编码识别电路通过电压信号组成的编码对准直器型号进行识别。

更优选的，在准直器顶部表面的凹部和凸部数量为4，识别时形成四位由0和1组成的编码，对应16种准直器型号。

还包括保护盘组件，所述保护盘组件位于准直器下方并与准直器具有一定间隙，不影响准直器自动锁定的检测，同时在准直器脱落时，能够起到保护承重作用；

所述保护盘组件包括保护盘安装杆、保护盘、，保护盘旋转螺母和第二微动开关，保护盘外壳位于准直器底部和保护盘螺母；保护盘安装杆内装有第二微动开关；

所述第二微动开关用以在拧紧保护盘螺母时检测螺母是否安装到位，所述保护盘安装杆内部开有通孔，用以让每个准直器的沟槽编码识别装置电线通过通孔穿出。

优选的，所述准直器设有凹部、凸部、滚珠槽；所述滚珠槽的角度与用于锁定的滚珠相切。

一种实现自动快速切换的准直器装置精准运动控制方法，步进电机直接带动联轴器旋转，联轴器与准直器旋转座连接，联轴器吸收运动过程中导致的偏心，保证精准运动，按照如下控制步骤实现精确定位：

步骤1，上位机软件输出计划序列，

步骤2，读取输出计划序列，读取预设准直器序列；

步骤3，将预设的准直器分别装入底座中；

步骤4，通过判断当前束轴位置准直器是否与预设一致，若一致，将执行输出计划；若判断当前束轴位置准直器与预设不一致，则需要将预设位置1、2或3转至束轴中心位置，若成功，发送到位信号，若失败，上报故障信号；

步骤5，通过判断预设输出计划序列是否执行完毕，若完成，此过程结束；

步骤6，若预设输出计划序列未执行完毕，则转至步骤2。

优选的，准直器旋转座上有限位挡块，通过步进电机接收命令后，自动旋转，确定初始位置，步进电机的定位流程如下：

步骤1，步进电机确认状态是否就绪，若是则进行下述步骤，若否，则上报故障，结束；

步骤2，判断当前位置与预设位置是否一致，若一致，则结束，若否，则执行下述步骤；

步骤3，旋转准直器位置，判断是否已转至预设位置，若是，则按照预设过程到达预设位置状态就绪；若否，则控制电机转动，到达预设位置；

步骤4,预设位置未到达，则上报故障；

电磁销钉配合步进电机实现精准定位、鉴别与锁定，所述电磁销钉通过安装环固定在准直器旋转座上，随着准直器旋转座一起转动；包括N个第一微动开关，N为大于等于三的自然数，等于盲孔准直器和数量之和，其中N-1个第一微动开关固定在固定座上，位置分别对应N-1个准直器，1个对应盲孔准直器；电磁销钉是推拉式电磁销钉，是常闭状态的；断电时，金属杆保持伸出状态；通电时，金属杆缩回。

优选的，电磁销钉实现自动定位、鉴别、锁定的流程如下：

步骤1，当电机带动准直器旋转座转动时，电磁销钉通电，金属杆缩回，转到需要的位置时；

步骤2，电磁销钉断电，金属杆伸出，插入到固定座的锥形孔中，准直器旋转座不能转动；

步骤3，电磁销钉的金属杆与对应位置的第一微动开关接触，第一微动开关触发，检测到电磁销钉是否锁定到位，从而确定束流中心下的工位。

本发明相对于现有技术的优点在于：

1.本发明公开的装置安装在加速器机头内转盘机构上的多个不同孔径二级准直器，将至少两组准直器同时安装在治疗头上，在治疗过程中治疗头可根据治疗计划快速切换准直器。克服了现有技术在更换准直器时延误时间的缺点，在大多数情况下无需中止治疗更换准直器。

2.本发明通过转盘机构的自动旋转、自动识别、自动锁定，实现不同准直器的快速切换，节省治疗时间。

3.本发明在转盘机构上安装的盲孔准直器，在治疗分次内非射线照射状态下，选择旋转到盲孔准直器位置，以大幅度阻挡暗电流，降低暗电流对患者的损伤。

4.本发明的传动系统采用直接传动方式，选用步进电机直接带动轴旋转，减少了传动级数，提高传动精度和效率；结构紧凑，满足空间限制要求。实现自动定位、鉴别和锁动。同时步进电机将电脉冲转化为角位移，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的。没有累积误差，重复定位精度高，可以满足定位精度要求。

5.本发明采用滚珠锁定方式固定准直器。三级锁定保护，通过滚珠进行自动锁定，并可以在弹簧正常和失效时候，均形成保护作用。保证次级准直器被安装锁定到位，保证安全可靠。

6.本发明提出的精确运动控制方法、和准直器识别方法，显著提高了整个装置的自动化程度、精度、可靠性以及安全性。

附图说明

图1为本发明可实现自动快速切换的准直器装置总装图；

图2为本发明调节架组件结构示意图；

图3为本发明传动组件结构示意图；

图4为本发明旋转座组件结构示意图；

图5为本发明电机组件结构示意图；

图6为本发明电磁销钉组件结构示意图；

图7为本发明准直器装配组件结构示意图；

图8为本发明准直器锁定组件结构示意图；

图9为本发明锥形套结构示意图；

图10为本发明保护盘组件结构示意图；

图11为本发明运动控制流程图；

图12为本发明步进电机定位流程图；

图13为本发明精准运动控制方式流程图；

图14为本发明沟槽识别PCB探针组件示意图；

图15为本发明沟槽物理编码原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种可实现自动快速切换的准直系统，包括：调节架组件1、传动组件2、准直器装配组件3、二级保护组件4、准直器5、盲孔准直器6。调节架组件1位于传动组件上方，通过3组螺杆和螺母将传动组件与初级准直器相连接，准直器装配组件3位于传动组件2下方，固定在传动组件2上的准直器旋转座机构上，准直器装配组件3通过电机带动准直器装配组件进行运动；准直器5位于准直器装配组件内并进行锁定。

如图2所示，所述的调节架组件1，包括连接板11，螺杆12，螺母13。二级准直器支撑结构通过调节架组件1中的连接板11固定在初级准直器装置末端，通过调节螺杆12和螺母13可以调整二级准直器到靶点的距离。所述螺杆和螺母有3组。

如图3所示，所述的传动组件包括准直器固定座21、准直器旋转座组件22、电机组件23、电磁销钉组件24。准直器固定盘上设置一个束流孔径，电机组件23带动旋转座组件22，将指定的准直器5旋转至束流孔径下方，实现准直器多工位的自动快速切换。

如图4所示，所述旋转座组件包括：准直器旋转座221、轴承内圈端盖222、薄壁轴承223、轴承外圈端盖224。

所述准直器旋转座221和准直器固定座21之间安装有两个薄壁轴承223。旋转座通过薄壁轴承，在电机的作用下旋转。薄壁轴承的内径大(内孔径大于直径180mm)，截面尺寸小，重量轻，以承受轴向力和径向力，转速一般在3000rpm左右。为了使准直器系统工作平稳，采用两个轴承配对安装，有助于整体准直器工作时受力均匀，转动平稳。轴承垂直工况下，准直器系统的重量由两个薄壁轴承承受轴向力。轴承水平工况下，准直器系统的重量由两个薄壁轴承承受径向力。

所述两个薄壁轴承外壁加两个轴承端盖，包括轴承外圈端盖222和轴承内圈端盖223，起到固定轴承的作用。准直器的重力从滚珠传下来到底部。二级准直器向下方式时，轴承外圈端盖承受重力，起到承重作用。如果二级准直器旋转到向上方向，轴承内圈端盖起到承重作用。

所述准直器旋转座组件上设置有盲孔准直器6和三个圆孔，盲孔准直器安装在准直器旋转座上，在非治疗状态下，盲孔准直器旋转至束流孔径下方的位置，可以阻挡暗电流对患者的伤害。

三个圆孔为120°等分分布，盲孔准直器位于其中2个圆孔中间。盲孔准直器材质为钨镍铜或者钨镍铁合金；三个圆孔用于固定连接准直器装配组件。

如图5所示，所述电机组件包括：电机支架231、步进电机232、联轴器233。步进电机232通过电机支架231固定在准直器固定座上，当根据治疗计划选择某一孔径准直器时，步进电机输出轴通过联轴器带动准直器旋转座旋转，本实施方式中，准直器旋转座上安装有三个准直器，可以将需要的准直器旋转至束流中心下；在旋转过程中联轴器233能够吸收运动过程中导致的偏心。

电机组件采用直接传动方式，选用步进电机232直接带动轴旋转，最大输出扭矩为2.4N/m，内部带有减速比为1:100的减速器。可以减少传动级数，提高传动精度和效率；结构紧凑，满足空间限制要求。联轴器为NBK的挠性联轴器MFBS-20。

本发明中，步进电机是一级自动定位、鉴别和锁定，将电脉冲转化为角位移，通过控制脉冲个数来控制角位移量以达到准确定位的目的。没有累积误差，重复定位精度高，可以满足定位精度要求。如图11、13所示，操作流程如下：

步骤1，上位机软件输出计划序列；

步骤2，读取输出计划序列，读取预设准直器序列；

步骤3，将预设的准直器分别装入底座中；

步骤4，通过识别组件判断当前束轴位置准直器是否与预设一致，若一致，将执行输出计划；若判断当前束轴位置准直器与预设不一致，则需要将预设位置1、2或3转至束轴中心位置，若成功，发送到位信号，若失败，上报故障信号。

步骤5，通过判断预设输出计划序列是否执行完毕，若完成，此过程结束。

步骤6，若预设输出计划序列未执行完毕，则转至步骤2。

通过自动旋转可实现束轴方向准直器从1号准直器转到2号或3号准直器的状态。

如图13所示，精准运动控制方法流程图详解：

1、100:1超高减速比实现角度超高分辨率和足够的电机输出扭矩。

2、初次定位借助a-STEP闭环实现：电机内置细分型旋转编码器数据经减速器与传动机构反馈至驱动前级实现位置一级闭环。

3、一级闭环网络插入双二阶滤波算法，有效消除细分间隙及传动抖动，确保电机平稳定位。

4、电磁销钉二阶位置取样经差分馈入，并经双二阶滤波器闭环网络，同时并列比例放大器程控调节二阶闭环的增益，实现二级精确定位。

如图12所示，步进电机定位流程：

步骤1，步进电机确认状态是否就绪，若是则进行下述步骤，若否，则上报故障，结束；

步骤2，判断当前位置与预设位置是否一致，若一致，则结束，若否，则执行下述步骤；

步骤3，旋转准直器位置，判断是否已转至预设位置，若是，则按照预设过程到达预设位置状态就绪。若否，则控制电机转动，到达预设位置。

步骤4,预设位置超时未到达，则上报故障。

如图6所示，所述电磁销钉组件24包括：电磁销钉241、安装环242、第一微动开关243。电磁销钉241通过安装环242固定在准直器旋转座上，随着准直器旋转座一起转动。本实施方式中包括4个第一微动开关243，其中3个第一微动开关固定在固定座上，成120°圆周分布，位置分别对应3个准直器，另1个对应盲孔准直器。

电磁销钉是推拉式电磁销钉，是常闭状态的。断电时，金属杆保持伸出状态；通电时，金属杆缩回。电磁销钉组件可实现准直器旋转座组件的自动定位、鉴别和锁定。当电机带动准直器旋转座转动时，电磁销钉通电，金属杆缩回，转到需要的位置时，电磁销钉断电，金属杆伸出，插入到固定座的锥形孔中，准直器旋转座不能转动。并与对应位置的第一微动开关接触，第一微动开关触发，发送电信号，系统就会清楚束流中心下的准直器型号。

如图7-9、14-15所示，还包括弹簧探针31和环形PCB板33组成的准直器识别组件和锁定组件32。

所述准直器识别采用沟槽物理编码方式，准直器表面顶部表面在对应的位置处，设置凹部51或凸部52，准直器上方有带弹簧伸缩的探针31与之相对应并探测出相应的电信号；当探针下方为凹部状态时，探针与二级准直器没有电接触，没有电流通过该探针，电压信号为“1”，当探针下方为凸部时，探针与二级准直器接触，有电流通过探针，电压信号为“0”，

在准直器顶部表面不同半径处，加工出总数为4的凹部和凸部，识别时形成一组由0和1组成的四位编码，共对应16种准直器型号，不同型号准直器采用不同的编码；探针设于PCB板上，编码识别电路通过电压信号组成的编码对准直器型号进行识别。

如图8-9所示，所述锁定组件32采用滚珠锁定方式固定准直器。包括滚珠321、准直器外套322、内锥形套323和弹簧324，所述准直器外套与内锥形套之间固定，所述内锥形套与滚珠接触，所述滚珠与准直器的滚珠槽接触，所述弹簧位于内锥形套下方并与内锥形套连接；

所述内锥形套具有3个锥面部分，分别第一锥形面325、第二锥形面326和第三锥形面327，所述第一锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小，所述第二锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐增大，所述第三锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小；

所述第一个锥形面、第二个锥形面和滚珠分别接触时均是相切的，所述滚珠与准直器的滚珠槽的两个锥角也是相切的。

有三级锁定保护，一级机械锁定方式为通过滚珠321进行自动锁定，弹簧324处于正常工作状态时，弹簧对内锥形套323施加压力，保证滚珠与内锥形套323的第一锥形面325有效接触，并使第一锥形面压紧滚珠进行准直器锁定，二级机械锁定方式为当弹簧324失效失去对内锥形套323的拉力时，准直器外套与内锥形套向上运动，滚珠不再压紧准直器，准直器向下移动一定距离，直到内锥形套的第二锥形面326重新压紧最外侧的滚珠321，滚珠重新压紧准直器的滚珠槽以实现准直器二级机械锁定；保证准直器不会脱落；本发明二级锁定方式，当弹簧处于正常工作状态时，锥形面1压紧滚珠，可使滚珠压紧准直器的沟槽，锁紧准直器；准直器上的电阻压缩电路板上的探针，能够检测准直器的规格型号，并采用带有3个锥面的锥形套与滚珠的相互配合，可以在弹簧324正常和失效时候，均形成保护作用。

该采用滚珠锁定的组件是轴对称的。

准直器外套322与内锥形套323之间用顶丝固定，运动时，两者同时运动。内锥形套由于需要压紧滚珠，硬度要求较高，采用黄铜材质。准直器外套考虑到装置要尽量轻，采用铝合金材质，密度小，重量轻。滚珠采用淬火钢珠。

一级锁定检验保护方式，包括安装在准直器外套上的位置传感器。准直器锁紧时，向下拉准直器外套，使准直器外套上的与位置传感器接近，当外套上的金属片与位置传感器距离小于2mm时，被位置传感器检测出来，由此能保证次级准直器被安装锁定到位，保证安全可靠。

准直器安装与锁定方式为：将准直器安装到准直器旋转座中，用手向下拉准直器外套，使内锥形套压紧滚珠，使得滚珠压紧准直器的沟槽，锁紧准直器；更换准直器时，先用手托住准直器，向上推外套，使滚珠移动，解除锁紧状态，准直器便可以向下滑落。

如图10所示，所述保护盘组件，包括保护盘安装杆41、保护盘42、保护盘螺母43、第二微动开关44，与准直器底部留有间隙。在准直器底部设计三级保护装置，一旦单个准直器的锁定组件中弹簧失效，准直器脱落时可以起到保护作用。

将3个准直器用弹簧滚珠方式锁定后，在底部安装保护盘外壳，再安装保护盘螺母。保护盘安装杆内装有第二微动开关。

拧紧保护盘螺母时，会压紧第二微动开关，可以检测螺母是否安装到位。保护盘安装杆内部开有3个通孔，便于让每个准直器的电阻识别装置电线通过通孔穿出，第二微动开关的电线也需要从中间孔穿出，以保证线路的整齐和易于维护。

本发明所用的准直器，在传统准直器基础上，还设有沟槽和滚珠槽，材质选用钨镍铜合金或者钨镍铁合金，带有锥度的孔径。滚珠槽的角度与用于锁定的滚珠是相切的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (14)

1.一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，包括传动组件和至少2组准直器装配组件，所述传动组件与准直器装配组件相连接，准直器位于准直器装配组件内，所述传动组件可通过旋转动作实现不同准直器装配组件的自动切换；

所述的传动组件包括旋转座组件、准直器固定座、电机组件和电磁销钉组件，所述电机组件与准直器固定座和准直器旋转座组件相连接，在电机组件的驱动下，准直器旋转座组件带动准直器进行运动；所述准直器固定座上设有束流孔径，电机组件带动旋转座组件，将指定的准直器旋转至束流孔径下方，实现准直器工位的自动快速切换；

所述电磁销钉组件用以实现准直器旋转座组件的自动定位、鉴别和锁定，包括：电磁销钉、安装环和第一微动开关；所述电磁销钉通过安装环固定在准直器旋转座上，随着准直器旋转座一起转动，当电机带动准直器旋转座转动时，电磁销钉通电，金属杆缩回，转到需要的位置时，电磁销钉断电，金属杆伸出，插入到固定座的锥形孔中，使准直器旋转座不能转动；并与对应位置的第一微动开关接触，第一微动开关触发，发送电信号，使系统识别束流孔径中心下的准直器型号；

所述准直器装配组件还包括：准直器识别组件和锁定组件；所述锁定组件包括弹簧、准直器外套、内锥形套和滚珠，所述准直器外套与内锥形套之间固定，所述内锥形套与滚珠接触，所述滚珠与准直器的滚珠槽接触，所述弹簧位于内锥形套下方并与内锥形套连接；

所述内锥形套具有3个锥面部分，分别为第一锥形面、第二锥形面和第三锥形面，所述第一锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小；所述第二锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐增大；所述第三锥形面所在部分，内锥形套的横截面积沿由上而下方向逐渐减小；

所述第一个锥形面、第二个锥形面和滚珠分别接触时均相切，所述滚珠与准直器的滚珠槽的两个锥角也相切；

所述锁定组件具有三级锁定方式，包括两级机械锁定和一级锁定检验保护；

一级机械锁定方式为弹簧处于正常工作状态时，弹簧对内锥形套施加压力，保证滚珠与内锥形套第一个内锥面有效接触，并使第一锥形面压紧滚珠进行准直器锁定，二级机械锁定方式为当弹簧失效失去对内锥形套的拉力时，准直器外套与内锥形套向上运动，滚珠不再压紧准直器，准直器向下移动一定距离，直到内锥形套的第二锥形面重新压紧最外侧的滚珠，滚珠重新压紧准直器的滚珠槽以实现准直器二级机械锁定；保证准直器不会脱落；

一级锁定检验保护方式，包括安装在准直器外套上的位置传感器，准直器锁紧时，向下拉准直器外套，使准直器外套上的金属片与位置传感器接近，位置传感器检测金属片，保证次级准直器被安装锁定到位；

准直器安装与锁定方式为：将准直器安装到准直器旋转座中，用手向下拉准直器外套，使内锥形套压紧滚珠，使得滚珠压紧准直器的沟槽，锁紧准直器；更换准直器时，先用手托住准直器，向上推外套，使滚珠移动，解除锁紧状态，准直器便可以向下滑落。

2.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，还包括调节架组件，所述调节架组件包括连接板，螺杆，螺母，所述连接板将传动组件与初级准直器装置末端相连接；通过调节所述螺杆和螺母可以调整二级准直器到靶点的距离。

3.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，所述旋转座组件包括：准直器旋转座、轴承内圈端盖、两个薄壁轴承、轴承外圈端盖；

所述两个薄壁轴承安装于准直器旋转座和准直器固定座之间，所述两个薄壁轴承外壁设有轴承外圈端盖和轴承内圈端盖，所述旋转座通过薄壁轴承，在电机的作用下旋转；

所述两个薄壁轴承外壁、轴承外圈端盖和轴承内圈端盖，对轴承进行固定；准直器的重量由上而下传递；二级准直器向下方式时，轴承外圈端盖承受重力，起到承重作用；如果二级准直器旋转到向上方向，轴承内圈端盖起到承重作用。

4.根据权利要求3所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，

所述准直器旋转座组件上设置有至少1个盲孔准直器和至少2个圆孔，所述盲孔准直器安装在准直器旋转座上，所述至少两个圆孔等分分布，用于固定连接准直器装配组件；所述盲孔准直器位于圆孔中间，与准直器装配组件处于同一圆周上，在非治疗状态下，通过调整电机运动控制将盲孔准直器切换旋转到束流孔径的位置。

5.根据权利要求4所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，

所述电磁销钉组件中，所述电磁销钉是推拉式电磁销钉，为常闭状态；断电时金属杆保持伸出状态；通电时金属杆缩回；所述第一微动开关数量等于盲孔准直器和圆孔数量之和，所述第一微动开关固定在固定座上，位置分别对应盲孔准直器和圆孔的位置。

6.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，所述电机组件包括：电机支架、步进电机和联轴器；所述步进电机安装在电机支架上，同时与联轴器相连，所述联轴器与准直器旋转座连接。

7.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，所述准直器识别组件至少包括：设置于准直器顶部表面的凹部和凸部、带弹簧伸缩的探针和编码识别电路；

所述准直器识别采用物理编码方式，准直器顶部表面在对应的位置处，设置凹部或凸部，准直器上方有带弹簧伸缩的探针与之相对应并探测出相应的电信号；当探针下方为凹部状态时，探针与二级准直器没有接触，没有电流通过该探针，电压信号为“1”，当探针下方为凸部时，探针与二级准直器接触，有电流通过探针，电压信号为“0”。

8.根据权利要求7所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，在准直器顶部表面不同半径处，加工出一定数量的凹部和凸部，识别时形成一组由0和1组成的编码，不同型号准直器采用不同的编码；探针设于PCB板上，编码识别电路通过电压信号组成的编码对准直器型号进行识别。

9.根据权利要求8所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，在准直器顶部表面的凹部和凸部数量为4，识别时形成四位由0和1组成的编码，对应16种准直器型号。

10.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，还包括保护盘组件，所述保护盘组件位于准直器下方并与准直器具有一定间隙，不影响准直器自动锁定的检测，同时在准直器脱落时，能够起到保护承重作用；

所述保护盘组件包括保护盘安装杆、保护盘、保护盘旋转螺母和第二微动开关，保护盘外壳位于准直器底部；保护盘安装杆内装有第二微动开关；

所述第二微动开关用以在拧紧保护盘螺母时检测螺母是否安装到位，所述保护盘安装杆内部开有通孔，用以让每个准直器的沟槽编码装置电线通过通孔穿出。

11.根据权利要求1所述的一种可实现自动快速切换的准直器装置，其特征在于，所述准直器设有凹部、凸部、滚珠槽；所述滚珠槽的角度与用于锁定的滚珠相切。

12.一种采用权利要求1-11任一项装置实现自动快速切换的准直器装置精准运动控制方法，其特征在于，步进电机直接带动联轴器旋转，联轴器与准直器旋转座连接，联轴器吸收运动过程中导致的偏心，保证精准运动，按照如下控制步骤实现精确定位：

步骤1，上位机软件输出计划序列；

步骤2，读取输出计划序列，读取预设准直器序列；

步骤3，将预设的准直器分别装入底座中；

步骤4，通过判断当前束轴位置准直器是否与预设一致，若一致，将执行输出计划；若判断当前束轴位置准直器与预设不一致，则需要将预设位置1、2或3转至束轴中心位置，若成功，发送到位信号，若失败，上报故障信号；

步骤5，判断预设输出计划序列是否执行完毕，若完成，此过程结束；

步骤6，若预设输出计划序列未执行完毕，则转至步骤2。

13.根据权利要求12所述的精准运动控制方法，其特征在于，准直器旋转座上有限位挡块，通过步进电机接收命令后，自动旋转，确定初始位置，步进电机的定位流程如下：

步骤1，步进电机确认状态是否就绪，若是则进行下述步骤，若否，则上报故障，结束；

步骤2，判断当前位置与预设位置是否一致，若一致，则结束，若否，则执行下述步骤；

步骤3，旋转准直器位置，判断是否已转至预设位置，若是，则按照预设过程到达预设位置状态就绪；若否，则控制电机转动，到达预设位置；

步骤4，预设位置未到达，则上报故障；

电磁销钉配合步进电机实现精准定位、鉴别与锁定，所述电磁销钉通过安装环固定在准直器旋转座上，随着准直器旋转座一起转动；包括N个第一微动开关，N为大于等于三的自然数，等于盲孔准直器和准直器数量之和；电磁销钉是推拉式电磁销钉，是常闭状态的；断电时，金属杆保持伸出状态；通电时，金属杆缩回。

14.根据权利要求12所述的精准运动控制方法，其特征在于，电磁销钉实现自动定位、鉴别、锁定的流程如下：

步骤1，当电机带动准直器旋转座转动时，电磁销钉通电，金属杆缩回；

步骤2，转到需要的位置时，电磁销钉断电，金属杆伸出，插入到固定座的锥形孔中，准直器旋转座不能转动；

步骤3，电磁销钉的金属杆与对应位置的第一微动开关接触，第一微动开关触发，检测电磁销钉是否锁定到位，从而确定束流中心下的工位。

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