CN108056783A - 一种c形臂的自动平衡装置和自动平衡方法 - Google Patents

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

一种C形臂的自动平衡装置和自动平衡方法

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。