CN110576455A - 多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置 - Google Patents

多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，包括：碰撞检测外板、碰撞检测模块、机器人控制器、直流电源及固态继电器。碰撞检测模块由两层检测层和一层缓冲层组成。当碰撞检测外板与障碍物发生接触并产生力的作用时，检测外板使第一层自锁开关动作并将该信息传递给机器人控制器，机器人主动停止运动；当第一层自锁开关的底板在检测外板的作用下使第二层自锁开关动作时，固态继电器动作，切断机器人的供电电源，机器人被动停止运动。本发明在影像机器人与障碍物发生接触并在二者间相互作用力较小时即可进行保护动作，灵敏度高，避免设备及现场其他对象受损，结构简单可靠，安装使用方便，成本低廉。

Description

多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种应用于多自由度影像机器人的碰撞检测及保护装置。
背景技术
多自由度影像机器人扫描轨迹灵活，可根据成像任务设定个性化的扫描成像轨迹，在术中精确导航、自适应放射治疗以及肿瘤的早期筛查与诊断等场合有着良好的应用前景。基于任务驱动的多自由度影像机器人成像轨迹复杂，必须妥善处理机器人的碰撞检测与保护问题，尤其是多自由度影像机器人在医疗方面的应用场合。一旦设备出现故障或者现场发生意外情况，影像机器人就有可能与周围物体发生碰撞，这不但会影响到***的正常运行，严重时还会损坏机器人，甚至对现场人员造成伤害。
发明内容
针对多自由度影像机器人存在的安全隐患等不足之处，本发明针对多自由度影像机器人自身运动的特点，设计了一种用于多自由影像机器人的模块化碰撞检测及保护装置，本发明能够在影像机器人与障碍物发生接触并在二者间相互作用力较小时即可进行保护动作，灵敏度高，避免设备及现场其他对象受损，结构简单可靠，安装使用方便，成本低廉。
本发明通过以下技术方案实现：一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，包括：至少一个碰撞检测外板、至少两个碰撞检测模块、机器人控制器、直流电源及固态继电器；其中，碰撞检测外板和碰撞检测模块用于检测机器人与障碍物的碰撞，机器人控制器和固态继电器用于产生保护操作；
碰撞检测模块具有三层结构，顶层包括第一底板和安装在第一底板上的至少一个自锁开关；中间层包括第二底板和安装在第二底板上的至少一个自锁开关；底层包括第三底板；第一底板、第二底板和第三底板依次通过弹簧连接；
每个碰撞检测外板至少由两个碰撞检测模块支撑；
所有碰撞检测模块的第一底板上的自锁开关串联后，接入机器人控制器，组成第一回路；
所有碰撞检测模块的第二底板上的自锁开关串联后，再通过辅助的直流电源接到固态继电器的控制端，组成第二回路；
该装置具有两级碰撞检测保护及保护功能：
未发生碰撞时，第一回路与第二回路均为通路；
当碰撞检测外板与障碍物发生接触，使得顶层至少一个自锁开关动作时，第一回路断路，将断路信号传递给机器人控制器，机器人控制器发出指令使机器人立即主动停止运动；
当顶层的第一底板在碰撞检测外板的作用下继续运动，使得中间层的至少一个自锁开关动作时，第二回路断路，固态继电器动作，切断机器人的供电电源，机器人被动停止运动；
若机器人被动停止运动，从固态继电器动作到机器人完全停止，需要很短的一段时间，此期间影像机器人末端的球管和探测器仍会产生一定的位移；在第二底板与第三底板之间的弹簧，除了连接、支撑作用外，还具有缓冲作用，保护影像机器人和碰撞物。
进一步地，所述机器人控制器每隔T0时间记录机器人当前的位姿，在对机器人轨迹进行编程时，完成每条运动控制指令所需的时间是有定义的，因此，根据碰撞发生的时间可知碰撞发生时的运动控制指令，以上一个碰撞未发生时记录的机器人位姿为目标点，以机器人主动停止运动的位姿为起始点，以碰撞发生时的运动控制指令为返回控制指令，使机器人按原轨迹返回至未发生碰撞处后停止运动。
进一步地，所述碰撞检测模块的顶层和中间层各排布四个自锁开关，每个自锁开关由两个单刀双掷开关构成，每层四个自锁开关的八个单刀双掷开关依次串联；未发生碰撞时，每层的八个单刀双掷开关形成一条电流导通路径，碰撞发生后，当至少一个自锁开关被按下时，电流通路断开。
进一步地，所述碰撞检测外板根据安装碰撞检测模块处机器人外观形状进行3D打印，由若干块碰撞检测外板拼凑成机器人外观的形状，覆盖于机器人表面，碰撞检测外板固定于碰撞检测模块顶层的自锁开关上，碰撞检测模块安装在碰撞检测外板和影像机器人本体之间；根据碰撞检测外板的具体形状，仅需沿其边缘布置少数碰撞检测模块，大大降低了传感器的数目和成本。
进一步地，碰撞检测模块的第一底板和第二底板之间安装至少三个第一弹簧，第二底板和第三底板之间安装至少三个第二弹簧，第一弹簧起到固定和支撑两种作用，第二弹簧起到固定、支撑和缓冲三种作用。在碰撞检测外板与第一层的自锁开关发生力的作用时，第一底板在第一底板与第二底板之间的弹簧支撑作用下产生很小的位移，要求K2、K3均大于K1，保证碰撞检测的灵敏度。要求第二层自锁开关动作时第二底板在第二底板与第三底板之间弹簧的支撑作用下产生很小的位移，要求K3大于K2。其中，K1为第一层所有自锁开关内部弹簧的等效劲度系数，K2为第一底板与第二底板之间所有弹簧的等效劲度系数，K3为第二底板与第三底板之间所有弹簧的等效劲度系数。
进一步地，第一底板和第二底板之间安装四根弹簧，第二底板和第三底板之间安装五根弹簧。
本发明的有益效果是：本发明的碰撞检测外板根据安装碰撞检测模块处机器人外观进行3D打印，根据碰撞检测外板的具体形状，仅需沿其边缘布置少数碰撞检测模块，大大降低了传感器的数目和成本；碰撞检测模块由两层检测层和一层缓冲层组成，使得该装置具有两级碰撞检测及保护功能，缓冲层为机器人的完全停止留出足够的时间。本发明在影像机器人与障碍物发生接触并在二者间相互作用力较小时即可进行保护动作，灵敏度高，避免设备及现场其他对象受损，结构简单可靠，安装使用方便，成本低廉。
附图说明
图1为安装有的碰撞检测外板和碰撞检测模块的多自由度影像机器人大臂示意图；
图2为碰撞检测模块的三层结构图；
图3为发明装置的总体原理图；
图4为发明装置碰撞检测与保护的流程图；
图5为安装有的碰撞检测外板和碰撞检测模块的X射线平板探测器；
图中：1、碰撞检测外板；2、碰撞检测模块；3、多自由度影像机器人大臂；4、第一层自锁开关；5、第一底板；6、第二层自锁开关；7、第一弹簧；8、第二底板；9、第二弹簧；10、第三底板；11、第一层自锁开关接入第一回路的导线；12、第二层自锁开关接入第二回路的导线；13、机器人控制器；14、直流电源；15、固态继电器；16、X射线平板探测器；17、平板探测器的固定及支撑结构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为安装有的碰撞检测外板1和碰撞检测模块2的多自由度影像机器人大臂3。当碰撞检测外板1与障碍物接触时，由于碰撞检测模块2中第一底板5与第二底板8之间的第一弹簧7的支撑作用，碰撞检测模块2的第一层自锁开关4动作，第一回路A断路。
图2所示为碰撞检测模块。碰撞检测模块2共有三层结构，第一层为四个自锁开关，第二层为四个自锁开关和四根第一弹簧7，第三层为五根第二弹簧9。
第一层：每个自锁开关由两个单刀双掷开关构成，四个自锁开关的八个单刀双掷开关依次串联。未发生碰撞时，八个单刀双掷开关形成一条电流导通路径，碰撞发生后，至少有一个自锁开关被按下，则电流通路断开。
第二层：四个第二层自锁开关6的连接方式及工作原理与第一层相同，四根第一弹簧7具有固定和支撑两种作用。在碰撞检测外板1与第一层的四个自锁开关发生力的作用时，第一底板5在第一底板5与第二底板8之间的四根弹簧的支撑作用下产生很小的位移，要求K2、K3均大于K1，保证碰撞检测的灵敏度，其中，K1为第一层所有自锁开关内部弹簧的等效劲度系数，K2为第一底板与第二底板之间所有弹簧的等效劲度系数，K3为第二底板与第三底板之间所有弹簧的等效劲度系数。
第三层：第二底板8与检测模块安装底板即第三底板10之间的第二弹簧9具有连接、支撑和缓冲三种作用。要求第二层自锁开关6动作时第二底板8在第二底板8与第三底板10之间弹簧的支撑作用下产生很小的位移，因此，要求K3大于K2。
所有碰撞检测模块2的第一底板5上的自锁开关串联后，接入机器人控制器13的I/O板，组成第一回路A；
所有碰撞检测模块2的第二底板8上的自锁开关串联后，再通过辅助的直流电源14接到固态继电器15的控制端，组成第二回路B，直流电源14为固态继电器15的控制端供电，保证第二回路B正常工作时机器人的驱动控制***可以得到可靠供电。
该装置具有两级碰撞检测保护及保护功能：
未发生碰撞时，第一回路与第二回路均为通路；
当碰撞检测外板与障碍物发生接触，使得顶层至少一个自锁开关动作时，第一回路断路，将断路信号传递给机器人控制器，机器人控制器发出指令使机器人立即主动停止运动；
当顶层的第一底板在碰撞检测外板的作用下继续运动，使得中间层的至少一个自锁开关动作时，第二回路断路，固态继电器动作，切断机器人的供电电源，机器人被动停止运动；
若机器人被动停止运动，从固态继电器动作到机器人完全停止，需要很短的一段时间，此期间影像机器人末端的球管和探测器仍会产生一定的位移；在第二底板与第三底板之间的弹簧，除了连接、支撑作用外，还具有缓冲作用，保护影像机器人和碰撞物。
对第一回路断路信号的处理也可以采取如下措施：机器人控制器每隔T0时间记录机器人当前的位姿，在对机器人轨迹进行编程时，完成每条运动控制指令所需的时间是有定义的，因此，根据碰撞发生的时间可知碰撞发生时的运动控制指令，以上一个碰撞未发生时记录的机器人位姿为目标点，以机器人主动停止运动的位姿为起始点，以碰撞发生时的运动控制指令为返回控制指令，使机器人按原轨迹返回至未发生碰撞处后停止运动。
图4所示为多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置的一种工作方式流程图。机器人上电接收到开始运行的指令后，按照程序设定的轨迹运行并记录实际运行轨迹，在指定位置进行影像采集，同时，机器人控制器监测第一回路的通断状态，当检测到第一回路断路后，机器人控制器发出指令使机器人按原轨迹返回至未发生碰撞处后主动停止运动。
若第一回路断路后，固态继电器控制端没有检测到第二回路的断路信号，则证明在第二层自锁开关动作前机器人已完全停止运动。此种情况下可以手动关闭机器人的供电电源，然后由工作人员进行现场排查碰撞原因。
若机器人在完全停止运动之前导致第二层自锁开关动作，则固态继电器的控制回路即第二回路在断路后会切断机器人的电源，机器人被动停止运动，相当于机器人紧急停止。
图5为安装有的碰撞检测外板和碰撞检测模块的X射线平板探测器。在X射线平板探测器16有可能与障碍物发生碰撞的三个侧面安装碰撞检测模块2及碰撞检测外板1，X射线平板探测器16固定于平板探测器的固定及支撑结构17上。平板探测器是影像机器人的重要组成部分，位于影像机器人的末端，运动范围较大，尤其是在任务驱动的影响检测方法中，探测器的运行轨迹较为复杂，因此，在探测器的三个外侧面均设置碰撞检测外板。由于影像机器人在成像过程中运行较为缓慢，采用具有两级碰撞检测和保护功能的基于自锁开关的碰撞检测模块结合碰撞检测外板即可对平板探测器起到很好的保护作用。
以上仅就影像机器人的大臂和平板探测器给出了一种具体的碰撞检测模块和碰撞检测外板的布置和使用方法，影像机器人上的X射线球管等其他部件也可参照上述方法进行碰撞检测模块和碰撞检测外板的设计与布置。
虽然在对该装置具体实施的说明中以多自由度影像机器人的大臂和X射线平板探测器为例阐述了示范性实施形式，但应该指出的是，针对多自由度影像机器人的其他部件仍有大量的变型方案可供选择。同时，所述示范性的实施形式仅是举例，而不应认为是对按照示例性实施例的保护范围、应用性和设备构造以任何形式的限定。更确切地说，上述的具体实施形式是为影像机器人专业人员提供用一个示范性的实施形式的指导说明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，包括：至少一个碰撞检测外板、至少两个碰撞检测模块、机器人控制器、直流电源及固态继电器；
所述碰撞检测模块具有三层结构，顶层包括第一底板和安装在第一底板上的至少一个自锁开关；中间层包括第二底板和安装在第二底板上的至少一个自锁开关；底层包括第三底板；第一底板、第二底板和第三底板依次通过弹簧连接；
每个碰撞检测外板至少由两个碰撞检测模块支撑；
所有碰撞检测模块的第一底板上的自锁开关串联后，接入机器人控制器，组成第一回路；
所有碰撞检测模块的第二底板上的自锁开关串联后，再通过辅助的直流电源接到固态继电器的控制端，组成第二回路；
未发生碰撞时，第一回路与第二回路均为通路；
当碰撞检测外板与障碍物发生接触，使得顶层至少一个自锁开关动作时，第一回路断路，将断路信号传递给机器人控制器，机器人控制器发出指令使机器人立即主动停止运动；
当顶层的第一底板在碰撞检测外板的作用下继续运动，使得中间层的至少一个自锁开关动作时，第二回路断路，固态继电器动作，切断机器人的供电电源，机器人被动停止运动。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，所述机器人控制器每隔T0时间记录机器人当前的位姿，在对机器人轨迹进行编程时，定义完成每条运动控制指令所需的时间，根据碰撞发生的时间可知碰撞发生时的运动控制指令，以上一个碰撞未发生时记录的机器人位姿为目标点，以机器人主动停止运动的位姿为起始点，以碰撞发生时的运动控制指令为返回控制指令，使机器人按原轨迹返回至未发生碰撞处后停止运动。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，所述碰撞检测模块的顶层和中间层各排布四个自锁开关，每个自锁开关由两个单刀双掷开关构成，每层四个自锁开关的八个单刀双掷开关依次串联；未发生碰撞时，每层的八个单刀双掷开关形成一条电流导通路径，碰撞发生后，当至少一个自锁开关被按下时，电流通路断开。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，所述碰撞检测外板根据安装碰撞检测模块处机器人外观形状进行3D打印，由若干块碰撞检测外板拼凑成机器人外观的形状，覆盖于机器人表面，碰撞检测外板固定于碰撞检测模块顶层的自锁开关上，碰撞检测模块安装在碰撞检测外板和影像机器人本体之间。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，碰撞检测模块的第一底板和第二底板之间安装至少三个第一弹簧，第二底板和第三底板之间安装至少三个第二弹簧，第一弹簧起到固定和支撑两种作用，第二弹簧起到固定、支撑和缓冲三种作用；在碰撞检测外板与第一层的自锁开关发生力的作用时，第一底板在第一底板与第二底板之间的弹簧支撑作用下产生很小的位移，要求K2、K3均大于K1；要求第二层自锁开关动作时第二底板在第二底板与第三底板之间弹簧的支撑作用下产生很小的位移，要求K3大于K2；其中，K1为第一层所有自锁开关内部弹簧的等效劲度系数，K2为第一底板与第二底板之间所有弹簧的等效劲度系数，K3为第二底板与第三底板之间所有弹簧的等效劲度系数。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度影像机器人用模块化碰撞检测及保护装置，其特征在于，第一底板和第二底板之间安装四根弹簧，第二底板和第三底板之间安装五根弹簧。
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