CN111282166A - 基于多伺服控制的放疗模拟治疗床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多伺服控制的放疗模拟治疗床，包括x向移动机构、y向移动机构、z向升降机构、旋转机构、治疗床床板、治疗床下支撑架六个部分，由驱动电源提供电能，上位机经CAN总线连接x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器以实现对x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构、z向升降机构、旋转机构的并行控制，从而实现对治疗床床板的精准控制。其有益效果是：实现了各伺服电机同步的、独立的闭环控制，减少电机之间的耦合性，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于放射治疗过程中的模拟治疗设备，特别是基于多伺服控制的放疗模拟治疗床。
背景技术
恶性肿瘤是威胁人类健康的主要疾病之一，癌症仍是导致死亡的第一疾病。放射***的方法已经成为***的最重要手段之一。在***的过程当中，癌症治疗床具有高精度是治愈癌症病人的前提。精确放疗是在治疗机上执行的一种全新的肿瘤放疗技术。随着肿瘤发病率的增加，已经有很多专家学者对有关治疗癌症的课题进行了深入的研究，癌症治疗床就是其中之一。我国每百万人口所拥有的癌症治疗床台数远远小于发达国家，治疗床作为承载病人的机械工具，只有足够高精度的治疗床，才可使治疗达到预期效果，如今已步入“精确放疗的时代”，治疗床的高精度是保证肿瘤治疗效果的关键因素，而精确放疗用治疗床会达到更好的治疗效果。中国每年新发癌症患者超过220万，约占全球癌症发病率的20.3%，有很多癌症患者需要被治疗。
在治癌过程中，治疗床是影响治癌的一个关键环节，它的升降机构包括多种形式，例如剪叉式、顶升式、机械臂式等，其中剪叉式在放疗模拟机治疗床中应用是最多的，而且也是非常常用的一种机械结构形式并应用在多种场合的升降装置，因为它在高空作业和承载能力方面具有独特的优势。虽然剪叉式机构有很多优点，但在使用过程中的安全性是最不允许被忽视的，且提高剪叉机构稳定性是保证其安全性的一个前提条件。放疗模拟机中的剪叉式治疗床是承载特殊群体的装置，使得特殊群体可在有效的射野范围内得到治疗，这将使得在模拟放疗过程中对对剪叉式治疗床的控制精度、平稳性和安全性有很高的要求，特别是对射野形状大小、靶区中心的定位精度和重复定位精度要求更为严格。因为在放疗过程中被照射的病灶部位和治疗辐射野的位置和大小误差过大，将会增加重要器官吸收剂量。现有对放疗模拟治疗床的研究主要集中在对机械结构改进和、升降机构组件控制、运动过程分析等方面，而缺乏对治疗床整体控制的研究。然而在治疗过程中对病灶部位和辐射野区域、位置的精准确定需要治疗床整体运动才能实现最精准的定位，对执行电机和控制MCU的选择都将对治疗床控制稳定性、定位准确性以及后期设备维修提供便利。
发明内容
为了克服现有放疗模拟治疗床在定位精准度方面的不足，本发明公开了一种基于多伺服控制的放疗模拟治疗床。
本发明的技术方案是：一种基于多伺服控制的放疗模拟治疗床，包括x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）、治疗床床板（Ⅴ）、治疗床下支撑架（Ⅵ）六个部分，由驱动电源提供电能，上位机经CAN总线连接x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器以实现对x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）的并行控制，从而实现对治疗床床板（Ⅴ）的精准控制；其中，x向伺服驱动器与x向伺服电机（1-1）、用于速度检测和移动定位的x向伺服电机编码器（1-2）、用于移动超出安全范围保护的x向下限位行程开关（1-3）和x向上限位行程开关（1-4）之间通过导线连接，实现x向移动机构（Ⅰ）的移动控制、定位检测、安全保护；y向伺服驱动器与y向伺服电机（2-1）、用于速度检测和移动定位的y向伺服电机编码器（2-2）、用于移动超出安全范围保护的y向下限位行程开关（2-3）和y向上限位行程开关（2-4）之间通过导线连接，实现y向移动机构（Ⅱ）的移动控制、定位检测、安全保护；z向伺服驱动器与z向伺服电机（3-1）、用于速度检测和移动定位的z向伺服电机编码器（3-2）、用于移动超出安全范围保护的z向下限位行程开关（3-3）和z向上限位行程开关（3-4）之间通过导线连接，实现z向移动机构（Ⅲ）的移动控制、定位检测、安全保护；旋转伺服驱动器与旋转伺服电机（4-1）、用于转速检测和旋转定位的旋转伺服电机编码器（4-2）、用于旋转超出安全范围保护的旋转顺时针限位行程开关（4-3）和旋转逆时针限位行程开关（4-4）之间通过导线连接，实现旋转机构（Ⅳ）的旋转控制、定位检测、安全保护；上位机根据病灶部位在治疗床床板（Ⅴ）的实际坐标、结合辐射野区域坐标按误差最小原则计算得出控制量，经CAN总线发送到x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器，控制x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）按所给控制指标并行运动，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
在本发明中，所述的放疗模拟治疗床以治疗床下支撑架（Ⅵ）作为整体支撑，旋转伺服电机（4-1）、圆形转动导轨（4-7）与治疗床下支撑架（Ⅵ）同中心并紧固于治疗床下支撑架（Ⅵ）上，圆形转动导轨（4-7）与圆形转动盘（4-8）采用多滚珠滚动连接，旋转驱动杆（4-6）连接于圆形转动盘（4-8）的中心位置，旋转伺服电机（4-1）通过旋转轴减速器（4-5）与旋转驱动杆（4-6）机械连接，以驱动圆形转动盘（4-8）的旋转来实现放疗模拟治疗床的整体旋转；圆形转动盘（4-8）与剪叉支撑板（3-11）紧固成一体，z向伺服电机（3-1）、z向运动导轨（3-7）固定于剪叉支撑板（3-11）之上，剪叉固定支撑架（3-9）与剪叉活动支撑架（3-10）在交叉处设置有活动关节，剪叉固定支撑架（3-9）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端固定于z向运动导轨（3-7）的上部，剪叉活动支撑架（3-10）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端为置于z向运动导轨（3-7）内的z向滑动杆（3-8），z向滑动杆（3-8）与z向驱动杆（3-6）机械连接，z向伺服电机（3-1）通过z向联轴器（3-5）与z向驱动杆（3-6）机械连接，以启动z向滑动杆（3-8）在z向运动导轨（3-7）内水平运动，再通过剪叉支撑架转换为治疗床床板（Ⅴ）的升降运动，从而实现治疗床床板（Ⅴ）在z向的位置调节；治疗床床板（Ⅴ）的一边与y向滑动杆（2-8）固定连接、一边与y 向运动导轨（2-7）滑动连接，y向滑动杆（2-8）与y向驱动杆（2-6）机械连接，y向伺服电机（2-1）通过y向联轴器（2-5）与y向驱动杆（2-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在y向的位置调节；y 向运动导轨（2-7）的左边与x向滑动杆（1-8）固定连接、右边与x向运动导轨（1-7）滑动连接，x向滑动杆（1-8）与x向驱动杆（1-6）机械连接，x向伺服电机（1-1）通过x向联轴器（1-5）与x向驱动杆（1-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在x向的位置调节。
在本发明中，所述x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器采用相同的伺服驱动器，该伺服驱动器以内部集成有ADC、PWM、I/O口、正交编码脉冲电路、CAN接口的MCU为核心，***设置有整流滤波电路、DC/DC模块、逆变与驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、输出光隔电路、输入光隔电路、速度与位置检测电路、限位行程开关检测电路，通过CAN总线、CAN通信适配器与上位机连接；交流电源AC 220V整流滤波电路后得到+300V直流电，经逆变与驱动模块逆变为U、V、W三相交流电以驱动伺服电机SM，经DC/DC模块变换得到逆变与驱动模块的+15V工作电源、MCU及其***电路的+5V工作电源；MCU通过电压检测电路监测+300V直流电压，通过电流检测电路监测U、V、W三相工作电流，通过速度与位置检测电路监测伺服电机SM运转情况，通过限位行程开关检测电路监测x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）达到极限位置后停止控制输出，通过输出光隔电路向逆变与驱动模块输出PWM控制信号，通过输入光隔电路接收逆变与驱动模块发出的欠压、过流和过热故障信号；当MCU接收到上位机经CAN总线发送的控制指令后，结合实时监测的电压、电流、速度与位置信号经内嵌控制程序运算得到PWM控制信号并通过逆变与驱动模块控制伺服电机SM运行， 实现对伺服电机SM的闭环控制以提高放疗模拟治疗床控制的准确性、可靠性和定位精度。
本发明的有益效果在于：以治疗床为整体，将x向、y向、z向、旋转的四个伺服电机的伺服控制器与上位机都挂接到CAN总线上，构成以上位机为主控中心的CAN网络，实现各伺服电机同步的、独立的闭环控制，减少了各个电机之间的耦合性，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图中：Ⅰ—x向移动机构，Ⅱ—y向移动机构，Ⅲ—z向升降机构，Ⅳ—旋转机构，Ⅴ—治疗床床板，1-1—x向伺服电机，1-2—x向伺服电机编码器，1-3—x向下限位行程开关，1-4—x向上限位行程开关，2-1—y向伺服电机，2-2—y向伺服电机编码器，2-3—y向下限位行程开关，2-4—y向上限位行程开关，3-1—z向伺服电机，3-2—z向伺服电机编码器，3-3—z向下降限位行程开关，3-4—z向上升限位行程开关，4-1—旋转伺服电机，4-2—旋转伺服电机编码器，4-3—旋转顺时针限位行程开关，4-4—旋转逆时针限位行程开关。
图2是本发明的治疗床结构分解图；
图中：Ⅰ—x向移动机构，Ⅱ—y向移动机构，Ⅲ—z向升降机构，Ⅳ—旋转机构，Ⅴ—治疗床床板，Ⅵ—治疗床下支撑架，1-5—x向联轴器，1-6—x向驱动杆，1-7—x向运动导轨，1-8—x向滑动杆，2-5—y向联轴器，2-6—y向驱动杆，2-7—y向运动导轨，2-8—y向滑动杆，3-5—z向联轴器，3-6—z向驱动杆，3-7—z向运动导轨，3-8—z向滑动杆，3-9—剪叉固定支撑架，3-10—剪叉活动支撑架，3-11—剪叉支撑板，4-5—旋转轴减速器，4-6—旋转驱动杆，4-7—圆形转动导轨，4-8—圆形转动盘。
图3是本发明的伺服驱动器原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1、2，图1是本发明的总体结构框图，图2是本发明的治疗床结构分解图。基于多伺服控制的放疗模拟治疗床由x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）、治疗床床板（Ⅴ）、治疗床下支撑架（Ⅵ）等六个部分组成，其中，x向移动机构（Ⅰ）包括x向伺服电机（1-1）、x向伺服电机编码器（1-2）、x向下限位行程开关（1-3）、x向上限位行程开关（1-4）、x向联轴器（1-5）、x向驱动杆（1-6）、x向运动导轨（1-7）、x向滑动杆（1-8），y向移动机构（Ⅱ）包括y向伺服电机（2-1）、y向伺服电机编码器（2-2）、y向下限位行程开关（2-3）、y向上限位行程开关（2-4）、y向联轴器（2-5）、y向驱动杆（2-6）、y向运动导轨（2-7）、y向滑动杆（2-8），z向升降机构（Ⅲ）包括z向伺服电机（3-1）、z向伺服电机编码器（3-2）、z向下降限位行程开关（3-3）、z向上升限位行程开关（3-4）、z向联轴器（3-5）、z向驱动杆（3-6）、z向运动导轨（3-7）、z向滑动杆（3-8）、剪叉固定支撑架（3-9）、剪叉活动支撑架（3-10）、剪叉支撑板（3-11），旋转机构（Ⅳ）包括旋转伺服电机（4-1）、旋转伺服电机编码器（4-2）、旋转顺时针限位行程开关（4-3）、旋转逆时针限位行程开关（4-4）、旋转轴减速器（4-5）、旋转驱动杆（4-6）、圆形转动导轨（4-7）、圆形转动盘（4-8）。本发明的放疗模拟治疗床由驱动电源提供电能，上位机经CAN总线连接x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器以实现对x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）的并行控制，从而实现对治疗床床板（Ⅴ）的精准控制；其中，x向伺服驱动器与x向伺服电机（1-1）、用于速度检测和移动定位的x向伺服电机编码器（1-2）、用于移动超出安全范围保护的x向下限位行程开关（1-3）和x向上限位行程开关（1-4）之间通过导线连接，实现x向移动机构（Ⅰ）的移动控制、定位检测、安全保护；y向伺服驱动器与y向伺服电机（2-1）、用于速度检测和移动定位的y向伺服电机编码器（2-2）、用于移动超出安全范围保护的y向下限位行程开关（2-3）和y向上限位行程开关（2-4）之间通过导线连接，实现y向移动机构（Ⅱ）的移动控制、定位检测、安全保护；z向伺服驱动器与z向伺服电机（3-1）、用于速度检测和移动定位的z向伺服电机编码器（3-2）、用于移动超出安全范围保护的z向下限位行程开关（3-3）和z向上限位行程开关（3-4）之间通过导线连接，实现z向移动机构（Ⅲ）的移动控制、定位检测、安全保护；旋转伺服驱动器与旋转伺服电机（4-1）、用于转速检测和旋转定位的旋转伺服电机编码器（4-2）、用于旋转超出安全范围保护的旋转顺时针限位行程开关（4-3）和旋转逆时针限位行程开关（4-4）之间通过导线连接，实现旋转机构（Ⅳ）的旋转控制、定位检测、安全保护；上位机根据病灶部位在治疗床床板（Ⅴ）的实际坐标、结合辐射野区域坐标按误差最小原则计算得出控制量，经CAN总线发送到x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器，控制x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）按所给控制指标并行运动，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
本发明以治疗床为整体，在x向、y向、z向的移动以及旋转采用四个伺服电机实现。伺服电机与普通电机一样，交流伺服电机也由定子和转子构成；定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组，两个绕组在空间相差90°电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U、V、W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。因此，伺服电机的精度决定于与其连接的编码器的精度（线数）。交流伺服电机的工作原理和单相感应电动机无本质上的差异；但是，交流伺服电机必须具备一个性能，就是能克服交流伺服电机的所谓“自转”现象，即无控制信号时，它不应转动，特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它应能立即停止转动；而普通的感应电动机转动起来以后，如控制信号消失，往往仍在继续转动。当电机原来处于静止状态时，如控制绕组不加控制电压，此时只有励磁绕组通电产生脉动磁场。可以把脉动磁场看成两个圆形旋转磁场，这两个圆形旋转磁场以同样的大小和转速，向相反方向旋转，所建立的正、反转旋转磁场分别切割笼型绕组（或杯形壁）并感应出大小相同，相位相反的电动势和电流（或涡流），这些电流分别与各自的磁场作用产生的力矩也大小相等、方向相反，合成力矩为零，伺服电机转子转不起来。一旦控制***有偏差信号，控制绕组就要接受与之相对应的控制电压。在一般情况下，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场，一个椭圆形旋转磁场可以看成是由两个圆形旋转磁场合成起来的，这两个圆形旋转磁场幅值不等（与原椭圆旋转磁场转向相同的正转磁场大，与原转向相反的反转磁场小），但以相同的速度，向相反的方向旋转。它们切割转子绕组感应的电势和电流以及产生的电磁力矩也方向相反、大小不等（正转者大，反转者小）合成力矩不为零，所以伺服电机就朝着正转磁场的方向转动起来，随着信号的增强，磁场接近圆形，此时正转磁场及其力矩增大，反转磁场及其力矩减小，合成力矩变大，如负载力矩不变，转子的速度就增加。如果改变控制电压的相位，即移相180o，旋转磁场的转向相反，因而产生的合成力矩方向也相反，伺服电机将反转。若控制信号消失，只有励磁绕组通入电流，伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子很快地停下来。为使交流伺服电机具有控制信号消失，立即停止转动的功能，把它的转子电阻做得特别大，使它的临界转差率大于1。在电机运行过程中，如果控制信号降为“零”，励磁电流仍然存在，气隙中产生一个脉动磁场，此脉动磁场可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成；一旦控制信号消失，气隙磁场转化为脉动磁场，它可视为正向旋转磁场和反向旋转磁场的合成，电机即按合成特性曲线运行；由于转子的惯性，此时电动机产生了一个与转子原来转动方向相反的制动力矩；在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。必须指出：普通的两相和三相异步电动机正常情况下都是在对称状态下工作，不对称运行属于故障状态；而交流伺服电机则可以靠不同程度的不对称运行来达到控制目的。这是交流伺服电机在运行上与普通异步电动机的根本区别，也是本发明选择伺服电机的原因。
由于伺服电机的控制精度决定于与其连接的编码器精度，伺服电机编码器是安装在伺服电机上用来测量磁极位置和伺服电机转角及转速的一种传感器，从物理介质的不同来分，伺服电机编码器可以分为光电编码器和磁电编码器，另外旋转变压器也算一种特殊的伺服编码器，市场上使用的基本上是光电编码器，不过磁电编码器作为后起之秀，有可靠、便宜、抗污染等特点，有赶超光电编码器的趋势。伺服编码器的基本功能与普通编码器是一样的，比如绝对型的有A、A反、B、B反、Z、Z反等信号，除此之外，伺服编码器还有着跟普通编码器不同的地方，那就是伺服电机多数为同步电机，同步电机启动的时候需要知道转子的磁极位置，这样才能够大力矩启动伺服电机，这样需要另外配几路信号来检测转子的当前位置，比如增量型的就有U、V、W等信号，正因为有了这几路检测转子位置的信号，伺服编码器就显得有点复杂。由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲Z可获得编码器的零位参考位。编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好、精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些。编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度5~10000线。本发明中，为保证控制精度，优选1000线以上的伺服电机编码器。
本发明的放疗模拟治疗床以治疗床下支撑架（Ⅵ）作为整体支撑，旋转伺服电机（4-1）、圆形转动导轨（4-7）与治疗床下支撑架（Ⅵ）同中心并紧固于治疗床下支撑架（Ⅵ）上，圆形转动导轨（4-7）与圆形转动盘（4-8）采用多滚珠滚动连接，旋转驱动杆（4-6）连接于圆形转动盘（4-8）的中心位置，旋转伺服电机（4-1）通过旋转轴减速器（4-5）与旋转驱动杆（4-6）机械连接，以驱动圆形转动盘（4-8）的旋转来实现放疗模拟治疗床的整体旋转；圆形转动盘（4-8）与剪叉支撑板（3-11）紧固成一体，z向伺服电机（3-1）、z向运动导轨（3-7）固定于剪叉支撑板（3-11）之上，剪叉固定支撑架（3-9）与剪叉活动支撑架（3-10）在交叉处设置有活动关节，剪叉固定支撑架（3-9）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端固定于z向运动导轨（3-7）的上部，剪叉活动支撑架（3-10）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端为置于z向运动导轨（3-7）内的z向滑动杆（3-8），z向滑动杆（3-8）与z向驱动杆（3-6）机械连接，z向伺服电机（3-1）通过z向联轴器（3-5）与z向驱动杆（3-6）机械连接，以启动z向滑动杆（3-8）在z向运动导轨（3-7）内水平运动，再通过剪叉支撑架转换为治疗床床板（Ⅴ）的升降运动，从而实现治疗床床板（Ⅴ）在z向的位置调节；治疗床床板（Ⅴ）的一边与y向滑动杆（2-8）固定连接、一边与y 向运动导轨（2-7）滑动连接，y向滑动杆（2-8）与y向驱动杆（2-6）机械连接，y向伺服电机（2-1）通过y向联轴器（2-5）与y向驱动杆（2-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在y向的位置调节；y 向运动导轨（2-7）的左边与x向滑动杆（1-8）固定连接、右边与x向运动导轨（1-7）滑动连接，x向滑动杆（1-8）与x向驱动杆（1-6）机械连接，x向伺服电机（1-1）通过x向联轴器（1-5）与x向驱动杆（1-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在x向的位置调节。
为了实现x向、y向、z向、旋转的四个伺服电机的复杂的速度同步关系，将四个伺服电机的伺服控制器与上位机都挂接到CAN总线上，构成以上位机为主控中心的CAN网络。CAN总线通过CAN通信适配器与上位机连接，上位机可以方便实时地与各伺服电机进行通信，获取各伺服电机的速度相位信息及各种状态信息，向各伺服电机发送速度、位置控制等信号，并按照控制的需要对伺服控制器的各种参数进行实时的修改。驱动电源提供电机驱动所需要的电能，如本发明实施例中采用AC 220V交流供电，则该部分为一个整流滤波电路。驱动电源输出约300V左右的直流电压经逆变与驱动模块后用于四个交流伺服电机驱动、调速，经DC/DC模块变换得到逆变与驱动模块的+15V工作电源、MCU及其***电路的+5V工作电源。伺服驱动器一方面与上位机进行实时通信并接受来自上位机发送的数据指令和传输其MCU采集的治疗床的实时位置、距离信息和交流伺服电机的实时工作状态数据，另一方面采集x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）上的传感器信号和安装于伺服电机上传的感器信号，并且将接收的数据和采集的数据信号进行处理和运算，并且将所的结果发送给逆变与驱动模块使其执行具体控制过程。MCU及其***电路用于每个移动或旋转机构内部的信号采集模块采集各个传感器设备的信号并进行数据预处理且根据其嵌入控制算法程序进行运算得出输出控制指令发送给逆变与驱动模块。逆变与驱动模块实时从伺服驱动器内的MCU接收控制指令，使其执行对横向（x向）运动伺服电机、纵向（y向）运动伺服电机、升降（z向）运动伺服电机、回转运动伺服电机四个电机的整体驱动、调速控制过程，并得出最终控制结果，从而使x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）具体执行对治疗床的运动控制，使治疗床协调的、稳定的、精准的到达预先设定的定位位置，以实现准确的、高效的、安全的模拟放疗。治疗床在升降运动交流伺服电机、回转运动交流伺服电机、横向运动交流伺服电机和纵向运动交流伺服电机控制下可同时进行升降运动（z轴上）、回转运动、横向（x轴上）或纵向运动（y轴上），放置于治疗床横向、纵向运行轨道上的行程开关和放置于双剪式升降装置运动轨道上的行程开关用于限制治疗床在x、y、z三个方向的运动距离，放置于圆形转动盘（4-8）上的行程开关用于限制转盘的旋转角度。上位机一方面用于显示模拟治疗过程中的各项数据信息，另一方面用于实现自动控制指令发送和定位位置信息设置，供电部分用于提供***运行所需要的交流电源；放疗模拟机治疗床在工作过程中，在满足供电状态下，伺服驱动器采集行程开关、伺服电机及其执行机构的传感器信号以及接受来自上位机发送的控制指令，经过处理后，发送给内嵌于内部的控制算法进行运算并将结果发送给逆变与驱动模块，逆变与驱动模块根据接受的控制指令分别控制驱动、调速、制动等控制过程并得出最终控制结果，完成治疗床的x向、y向、z向的运动、调速、制动，完成治疗床对回转运动、调速、制动，控制治疗床完成四种运动、调速、制动的方式的执行机构的结构和功能均相同，但是四种运动过程相互独立，且四种运动方向均以治疗床中心点为原点，在z轴上执行升降运动以控制治疗床的高低，在x轴上执行横向运动用于调整治疗床的长度和实现病灶部位和治疗辐射野位置在横向上的精确定位，在y轴上执行纵向运动用于在实施治疗过程实现对病灶部位和治疗辐射野位置在纵向上的精确定位，以转盘圆心为中心分别可进行顺时针旋转360°~260°和逆时针旋转0°~100°，以实现机架、准直器和治疗床处于最佳配合位置，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，可减少重要器官对剂量的吸收。
图3是本发明的伺服驱动器原理框图。本发明中的x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器采用相同的伺服驱动器，该伺服驱动器以内部集成有ADC、PWM、I/O口、正交编码脉冲电路、CAN接口的MCU为核心，***设置有整流滤波电路、DC/DC模块、逆变与驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、输出光隔电路、输入光隔电路、速度与位置检测电路、限位行程开关检测电路，通过CAN总线、CAN通信适配器与上位机连接；交流电源AC 220V整流滤波电路后得到+300V直流电，经逆变与驱动模块逆变为U、V、W三相交流电以驱动伺服电机SM，经DC/DC模块变换得到逆变与驱动模块的+15V工作电源、MCU及其***电路的+5V工作电源；MCU通过电压检测电路监测+300V直流电压，通过电流检测电路监测U、V、W三相工作电流，通过速度与位置检测电路监测伺服电机SM运转情况，通过限位行程开关检测电路监测x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）达到极限位置后停止控制输出，通过输出光隔电路向逆变与驱动模块输出PWM控制信号，通过输入光隔电路接收逆变与驱动模块发出的欠压、过流和过热故障信号；当MCU接收到上位机经CAN总线发送的控制指令后，结合实时监测的电压、电流、速度与位置信号经内嵌控制程序运算得到PWM控制信号并通过逆变与驱动模块控制伺服电机SM运行， 实现对伺服电机SM的闭环控制以提高放疗模拟治疗床控制的准确性、可靠性和定位精度。
本发明的伺服驱动器MCU采用内部集成有ADC、PWM、I/O口、正交编码脉冲电路、CAN接口的单片机或DSP芯片。当采用单片机时，意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M4的STM32F4系列单片机、基于ARM Cortex-M7的STM32H7系列单片机。STMF4系列单片机采用了意法半导体的NVM工艺和ART加速器™，在180 MHz的工作频率下通过闪存执行指令时可实现225 DMIPS/608 CoreMark的性能，是迄今所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高性能；由于采用了动态功耗调整功能，通过闪存执行指令时的电流消耗范围为从STM32F410的89 µA/MHz到STM32F439的260 µA/MHz；STM32F4系列包括11条兼容的数字信号控制器（DSC）产品线，是MCU实时控制功能与DSP信号处理功能的完美结合体；该系列常用型号有：STM32F407/417 、STM32F469/479等，如STM32F407内置1Mb的FLASH，192Kb的SRAM(包括64Kb的CCM data RAM)，具备内存保护单元，安全性高，运算速度快，可到168 MHz，运算精度高，具备6路UART、24 通道12位2.4MSPS 3 ADCs、3路可到42 Mbits/s 的SPI 接口，具备12路16位和2 路32位定时器，可配置成3相PWM输出通道和正交编码单元。STM32H7系列单片机采用了ST的非易失性存储器（NVM）技术，从片内闪存执行代码时，其处理器性能为1327DMIPS/ 3224 CoreMark，是业界所有基于Cortex-M内核的微控制器产品所达到的最高基准； STM32H7产品线包括三个系列：（1）单核系列：基于Cortex®-M7的产品，或者运行于480MHz频率下实现最佳性能，或在280 MHz频率的停止模式下、以34µA典型的功耗实现性能和节电的独特结合，常用型号有：STM32H743/753、STM32H742、STM32H7A3/7B3；（2）双核系列：基于Arm® Cortex®-M7和Cortex®-M4的双核产品，运行频率分别可达480 MHz和240MHz，支持更多的处理和应用程序分区，STM32H7双核产品系列可与内置的SMPS一起使用，以提高动态电源效率，常用型号有：STM32H747/H757、STM32H745/H755；（3）超值系列：STM32H750/B0 MCU内置128 KB闪存，属经济划算的STM32H7器件，常用型号有：STM32H750、STM32H7B0。内嵌加密/哈希处理器的STM32H7器件支持安全服务，例如安全固件安装、安全启动以及安全固件升级；STM32H7单核和超值系列的封装引脚可以与STM32F7系列超高性能MCU和STM32F4高性能系列MCU的大多数常用封装做到兼容。当采用DSP时，可选择德州仪器生产的C2000系列DSP芯片，C2000 实时控制 MCU 采用专有的 32 位内核 (C28x CPU)，可提供单周期操作和高达 300MIPS 的速度，外加经高度优化的外设和中断管理总线；这些实时单芯片控制解决方案具有强大的集成外设，专为各种控制应用而设计。该系列DSP芯片中应用较多的有TMS320F2812、TMS320F28335、TMS320F28378、TMS320F28388等，以TMS320F2812为例，TMS320F2812是32 位定点 DSP 芯片，具有强大的运算能力；主频高达150MHZ；功能完善的电机控制模块：两个事件管理器（EVA、EVB）及 QEP 模块；外设中断丰富；总线接口齐全：I2C、SPI、CAN、SCI 等；具有 16 个 12 位 A/D 转换通道。由于该芯片完善的电机控制功能，许多电机控制功能集成到该芯片上，通过软件或片上硬件实现，使得***电路得以大大简化，降低开发成本。TMS320F2812具有以下功能特点：（1）高性能静态CMOS技术：6.67ns指令周期，也即机器周期(主频 150MHz)，一个机器周期执行一条指令，当主频135MHz时，内核1.8V供电；当主频150MHz时，内核.9V供电，3.3V I/O 口供电；（2）支持JTAG边界扫描；（3）高性能32位CPU：1个周期完成32×32位乘法累加运算或两个16×16位乘法累加运算，快速中断响应和处理，统一存储器编程模式，4M 线性空间程序、数据地址访问，代码高效，兼容TMS320F24x/LF240x处理器源代码；（4）3个外部中断，外设中断扩展模块（PIE），支持45个外设中断；（5）18K单口RAM(16位)，128K片上3.3V Flash(16 位)，片上Flash/SARAM/OTP/ROM代码安全保护，启动引导 ROM，1K一次性编程ROM，外部存储扩展接口；（6）电机控制模块事件管理器A和B，每个事件管理器具有：两个通用定时器、8 路比较PWM、三个捕获单元（CAP）和一个正交编码脉冲单元（QEP）；（7）看门狗定时器，防止程序跑飞；（8）16 通道 12 位 ADC 转换电路；（9）3个32位CPU定时器：T0、T1和 T2；（10） 外设串行口通讯口：外设串行接口（SPI）、串行通讯接口 A（SCIA）和 B（SCIB）、支持增强模式（e CAN）的控制器局域网（CAN）、多通道缓冲串行口（Mc BSP）；（11）56 数字输入/输出引脚。
在本发明中，为提高电路的可靠性、简化电路设计，缩短了项目开发周期，选择智能功率模块（IPM）作为伺服电机的逆变与驱动模块。IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内置了欠电压、过流和过热等故障检测电路，并可将故障检测信号输出到控制单元，功能非常完善。常用的IPM 模块有：PM20CSJ060、PM50CL1B060、PM50CL1B120，应根据所用伺服电机的额定工作电压、电流来选择。以PM50CL1B060为例，它具有以下功能特点：采用第五代全栅型 CSTBTTM硅片技术；通过检测 CSTBTTM硅片表面温度来进行过热保护；从IPM 每一个上下桥臂的保护电路输出故障信号；兼容 L 系列封装。在PM50CL1B060内部集成了6只IGBT，每只IGBT并接有续流二极管，防止IGBT关断期间遭到损坏；逆变部分IGBT集电极-发射极之间最高电压600V，最大电流50A，P-N间供电电压要求不要超过400V。控制逻辑电路供电要求VUP1~VUPC、VVP1~VVPC、VWP1~VWPC以及VN1~VNC四组独立，分开供电，推荐值15±1.5V。控制逻辑为：输入端（UP~VUPC、VP~VVPC、WP~VWPC以及 UNVNWN与 VNC之间）低电平（≤0.8V）IGBT 导通，输入高电平（≥9V）截止。为了隔离冷地和热地，以及隔离噪声，需要采用了光耦隔离电路；由于其PWM载波频率达到20kHz，普通光耦达不到输入输出特性匹配要求，需采用如：6N137类型高速光耦，采用高速光耦的另一个好处是能使光耦能快速从饱和状态退出，以达到减少死区时间的设定。
本发明的有益效果在于：以治疗床为整体，将x向、y向、z向、旋转的四个伺服电机的伺服控制器与上位机都挂接到CAN总线上，构成以上位机为主控中心的CAN网络，实现各伺服电机同步的、独立的闭环控制，减少了各个电机之间的耦合性，有效提高治疗床定位的准确性和定位精度，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于多伺服控制的放疗模拟治疗床，包括x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）、治疗床床板（Ⅴ）、治疗床下支撑架（Ⅵ）六个部分，由驱动电源提供电能，上位机经CAN总线连接x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器以实现对x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）的并行控制，从而实现对治疗床床板（Ⅴ）的精准控制；其特征在于：x向伺服驱动器与x向伺服电机（1-1）、用于速度检测和移动定位的x向伺服电机编码器（1-2）、用于移动超出安全范围保护的x向下限位行程开关（1-3）和x向上限位行程开关（1-4）之间通过导线连接，实现x向移动机构（Ⅰ）的移动控制、定位检测、安全保护；y向伺服驱动器与y向伺服电机（2-1）、用于速度检测和移动定位的y向伺服电机编码器（2-2）、用于移动超出安全范围保护的y向下限位行程开关（2-3）和y向上限位行程开关（2-4）之间通过导线连接，实现y向移动机构（Ⅱ）的移动控制、定位检测、安全保护；z向伺服驱动器与z向伺服电机（3-1）、用于速度检测和移动定位的z向伺服电机编码器（3-2）、用于移动超出安全范围保护的z向下限位行程开关（3-3）和z向上限位行程开关（3-4）之间通过导线连接，实现z向移动机构（Ⅲ）的移动控制、定位检测、安全保护；旋转伺服驱动器与旋转伺服电机（4-1）、用于转速检测和旋转定位的旋转伺服电机编码器（4-2）、用于旋转超出安全范围保护的旋转顺时针限位行程开关（4-3）和旋转逆时针限位行程开关（4-4）之间通过导线连接，实现旋转机构（Ⅳ）的旋转控制、定位检测、安全保护；上位机根据病灶部位在治疗床床板（Ⅴ）的实际坐标、结合辐射野区域坐标按误差最小原则计算得出控制量，经CAN总线发送到x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器，控制x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）按所给控制指标并行运动，实现病灶部位和治疗辐射野区域的最小误差重合，使治疗所需的射野形状、靶区中心处于最佳，最大限度地减少患者重要器官对辐射剂量的吸收。
2.根据权利要求1所述的基于多伺服控制的放疗模拟治疗床，其特征在于：所述的放疗模拟治疗床以治疗床下支撑架（Ⅵ）作为整体支撑，旋转伺服电机（4-1）、圆形转动导轨（4-7）与治疗床下支撑架（Ⅵ）同中心并紧固于治疗床下支撑架（Ⅵ）上，圆形转动导轨（4-7）与圆形转动盘（4-8）采用多滚珠滚动连接，旋转驱动杆（4-6）连接于圆形转动盘（4-8）的中心位置，旋转伺服电机（4-1）通过旋转轴减速器（4-5）与旋转驱动杆（4-6）机械连接，以驱动圆形转动盘（4-8）的旋转来实现放疗模拟治疗床的整体旋转；圆形转动盘（4-8）与剪叉支撑板（3-11）紧固成一体，z向伺服电机（3-1）、z向运动导轨（3-7）固定于剪叉支撑板（3-11）之上，剪叉固定支撑架（3-9）与剪叉活动支撑架（3-10）在交叉处设置有活动关节，剪叉固定支撑架（3-9）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端固定于z向运动导轨（3-7）的上部，剪叉活动支撑架（3-10）的上端固定于x向运动导轨（1-7）的下部、下端为置于z向运动导轨（3-7）内的z向滑动杆（3-8），z向滑动杆（3-8）与z向驱动杆（3-6）机械连接，z向伺服电机（3-1）通过z向联轴器（3-5）与z向驱动杆（3-6）机械连接，以启动z向滑动杆（3-8）在z向运动导轨（3-7）内水平运动，再通过剪叉支撑架转换为治疗床床板（Ⅴ）的升降运动，从而实现治疗床床板（Ⅴ）在z向的位置调节；治疗床床板（Ⅴ）的一边与y向滑动杆（2-8）固定连接、一边与y 向运动导轨（2-7）滑动连接，y向滑动杆（2-8）与y向驱动杆（2-6）机械连接，y向伺服电机（2-1）通过y向联轴器（2-5）与y向驱动杆（2-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在y向的位置调节；y 向运动导轨（2-7）的左边与x向滑动杆（1-8）固定连接、右边与x向运动导轨（1-7）滑动连接，x向滑动杆（1-8）与x向驱动杆（1-6）机械连接，x向伺服电机（1-1）通过x向联轴器（1-5）与x向驱动杆（1-6）机械连接，以实现治疗床床板（Ⅴ）在x向的位置调节。
3.根据权利要求1所述的基于多伺服控制的放疗模拟治疗床，其特征在于：所述x向伺服驱动器、y向伺服驱动器、z向伺服驱动器、旋转伺服驱动器采用相同的伺服驱动器，该伺服驱动器以内部集成有ADC、PWM、I/O口、正交编码脉冲电路、CAN接口的MCU为核心，***设置有整流滤波电路、DC/DC模块、逆变与驱动模块、电压检测电路、电流检测电路、输出光隔电路、输入光隔电路、速度与位置检测电路、限位行程开关检测电路，通过CAN总线、CAN通信适配器与上位机连接；交流电源AC 220V整流滤波电路后得到+300V直流电，经逆变与驱动模块逆变为U、V、W三相交流电以驱动伺服电机SM，经DC/DC模块变换得到逆变与驱动模块的+15V工作电源、MCU及其***电路的+5V工作电源；MCU通过电压检测电路监测+300V直流电压，通过电流检测电路监测U、V、W三相工作电流，通过速度与位置检测电路监测伺服电机SM运转情况，通过限位行程开关检测电路监测x向移动机构（Ⅰ）、y向移动机构（Ⅱ）、z向升降机构（Ⅲ）、旋转机构（Ⅳ）达到极限位置后停止控制输出，通过输出光隔电路向逆变与驱动模块输出PWM控制信号，通过输入光隔电路接收逆变与驱动模块发出的欠压、过流和过热故障信号；当MCU接收到上位机经CAN总线发送的控制指令后，结合实时监测的电压、电流、速度与位置信号经内嵌控制程序运算得到PWM控制信号并通过逆变与驱动模块控制伺服电机SM运行， 实现对伺服电机SM的闭环控制以提高放疗模拟治疗床控制的准确性、可靠性和定位精度。
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ID=71019676
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112657071A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-16 | 陈涛 | 一种肿瘤放疗设备用自动调节支撑装置及放疗设备 |
| CN112704817A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-04-27 | 上海联影医疗科技股份有限公司 | 放射治疗*** |
| CN113334393A (zh) * | 2021-08-06 | 2021-09-03 | 成都博恩思医学机器人有限公司 | 一种机械臂控制方法、***、机器人及存储介质 |
| CN116726415A (zh) * | 2023-08-14 | 2023-09-12 | 智维精准(北京)医疗科技有限公司 | 一种偏移补偿***及直线加速器 |
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2020
- 2020-03-25 CN CN202010215353.9A patent/CN111282166A/zh active Pending
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