醫(yī)用X 光機(jī)運(yùn)動(dòng)定位方法

初振東，魏清超

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.華能遼寧清潔能源有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110000）

1 引 言

醫(yī)用X 光機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)軌跡上的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，常用的運(yùn)動(dòng)部件有懸吊架、探測(cè)器、C 型臂、壓迫器、機(jī)架等。根據(jù)運(yùn)動(dòng)部件的空間位置信息，系統(tǒng)可以控制醫(yī)用X 光機(jī)完成各種擺位操作[1]。運(yùn)動(dòng)軸的位置定位精度直接影響醫(yī)用X 光機(jī)的擺位準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響拍攝圖像的質(zhì)量。

現(xiàn)有方案中，多采用電位計(jì)反饋的方式，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的位置進(jìn)行定位。運(yùn)動(dòng)部件在其運(yùn)動(dòng)軌跡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得其對(duì)應(yīng)的電位計(jì)阻值產(chǎn)生變化，數(shù)據(jù)采集模塊可根據(jù)電位計(jì)阻值情況，定位到運(yùn)動(dòng)部件在其運(yùn)動(dòng)軌跡上的實(shí)際位置。在醫(yī)用X 光機(jī)中，通過(guò)電位計(jì)反饋的方式進(jìn)行位置定位時(shí)，主要有以下缺點(diǎn)：

1) 為了準(zhǔn)確測(cè)量電位計(jì)的電阻值，需設(shè)計(jì)高精度的模擬處理和采集電路，而該部分電路的總體成本較高。

2) 運(yùn)動(dòng)部件在一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須對(duì)應(yīng)一個(gè)電位計(jì)，當(dāng)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)部件可以多軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須對(duì)應(yīng)多個(gè)電位計(jì)，電位計(jì)數(shù)量的增加，導(dǎo)致安裝繁瑣，同時(shí)成本增加。

3) 運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果其對(duì)應(yīng)的電位計(jì)安裝不當(dāng)，容易造成電位計(jì)偏心旋轉(zhuǎn)，使電位計(jì)損壞。

4) 電位計(jì)在首次安裝時(shí)，需要根據(jù)行程位置，將電位計(jì)阻值調(diào)整到大概范圍，調(diào)整不當(dāng)，或者未經(jīng)調(diào)整便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)操作，容易造成電位計(jì)超出額定范圍，進(jìn)而損壞電位計(jì)。

5) 電位計(jì)一般有三個(gè)引腳，分別為阻值最大端、阻值最小端和中間抽頭端，而常用的激勵(lì)方式為，阻值最大端接至正電源，阻值最小端接至負(fù)電源，中間抽頭端接至數(shù)據(jù)采集模塊。實(shí)際操作過(guò)程中，容易接錯(cuò)引線(xiàn)，導(dǎo)致部件運(yùn)動(dòng)至極限位置時(shí)，正負(fù)電源近似于短路，造成電路損壞。

通過(guò)加速度法可進(jìn)行醫(yī)用X 光機(jī)運(yùn)動(dòng)定位。配合固定位置處的光電開(kāi)關(guān)和運(yùn)動(dòng)軸的電機(jī)電流，以計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)位置[2]。加速度定位法比傳統(tǒng)的電位計(jì)定位法成本更低，且安裝簡(jiǎn)單。當(dāng)同一運(yùn)動(dòng)部件可以多軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)一個(gè)多軸加速度傳感器，便可獲得位置定位結(jié)果，節(jié)省成本和安裝空間。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提供的醫(yī)用X 光機(jī)的運(yùn)動(dòng)定位方法，通過(guò)高精度加速度傳感器，配合光電開(kāi)關(guān)和運(yùn)動(dòng)軸的電機(jī)電流，即可完成運(yùn)動(dòng)軸的位置定位。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

通過(guò)加速度傳感器模塊實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)軌跡上的加速度值，在同一時(shí)刻，需要多次采集傳感器輸出的加速度值[3]，最后將得到的加速度值進(jìn)行濾波處理，得到該時(shí)刻的真實(shí)加速度值。運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其電機(jī)會(huì)有一定的電流輸出，該電流輸出被電機(jī)電流檢測(cè)模塊檢測(cè)到。主控器通過(guò)加速度傳感器模塊輸出的加速度值，和電機(jī)電流檢測(cè)模塊輸出的電流值，計(jì)算出各個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的加速度值。根據(jù)得到的加速度值，便可計(jì)算各時(shí)刻點(diǎn)的速度值，進(jìn)而計(jì)算時(shí)間間隔下的位移值，最后根據(jù)位移累加的原則，計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)位置[4]。

在部件運(yùn)動(dòng)軌跡的固定位置處，會(huì)安裝光電開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)的數(shù)量根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程的長(zhǎng)短，以及定位精度的需求確定。由于光電開(kāi)關(guān)的安裝位置固定，故運(yùn)動(dòng)部件每次觸發(fā)光電開(kāi)關(guān)時(shí)，主控器會(huì)重新記錄運(yùn)動(dòng)部件的位置，進(jìn)而消除通過(guò)加速度計(jì)算位移而產(chǎn)生的累積誤差[5]。

為保證系統(tǒng)上電后可以記錄之前的位置信息，設(shè)計(jì)掉電檢測(cè)模塊和存儲(chǔ)模塊。主控器根據(jù)掉電檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié)果，判斷系統(tǒng)是否斷電，如判斷結(jié)果為系統(tǒng)斷電，則通過(guò)存儲(chǔ)模塊保存當(dāng)前的位置信息。

3 運(yùn)動(dòng)定位算法介紹

部件在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，存在由于機(jī)械安裝等原因造成的卡滯現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)卡滯會(huì)直接影響加速度傳感器的輸出加速度值，即卡滯時(shí)的傳感器輸出加速度值并不能真實(shí)反映部件的運(yùn)動(dòng)加速度[6]。運(yùn)動(dòng)卡滯時(shí)，電機(jī)電流會(huì)產(chǎn)生變化，根據(jù)測(cè)試好的比例系數(shù)和電機(jī)電流變化量，可計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件的真實(shí)加速度。部件在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可能是變加速運(yùn)動(dòng)，故為了提高計(jì)算精度，在Δt 時(shí)間間隔下，取起始加速度和終止加速度的平均值作為Δt 時(shí)間間隔下的平均加速度[7]。

加速度計(jì)算公式如下：

速度計(jì)算公式如下：

位移計(jì)算公式如下：

運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果沒(méi)有觸發(fā)固定位置處的光電開(kāi)關(guān)，則其位置計(jì)算公式如下：

運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，如果觸發(fā)固定位置處的光電開(kāi)關(guān)，則根據(jù)光電開(kāi)關(guān)的位置，更新當(dāng)前位置，此時(shí)，其位置計(jì)算公式如下：

此后，在此位置基礎(chǔ)上，再進(jìn)行累計(jì)位移計(jì)算，進(jìn)而消除積分運(yùn)算的累計(jì)誤差，提高精度。

4 系統(tǒng)控制流程圖

系統(tǒng)控制流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

初始化各模塊后，主控器會(huì)判斷是否有固定位置處的光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)，如果有固定位置處的光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)，則更新當(dāng)前位置信息。如果沒(méi)有固定位置處的光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)，則獲取加速度傳感器輸出的加速度值，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要多次采集加速度值，并對(duì)采集到的加速度值進(jìn)行濾波處理，以便得到相對(duì)準(zhǔn)確的加速度值[8-9]。得到傳感器輸出的加速度值后，主控器會(huì)采集電機(jī)的電流值，并根據(jù)電機(jī)電流的變化量，計(jì)算部件運(yùn)動(dòng)的實(shí)際加速度值。根據(jù)加速度值，可以計(jì)算部件的運(yùn)動(dòng)速度和實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移。

5 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)“加速度定位法”實(shí)現(xiàn)醫(yī)用X 光機(jī)的運(yùn)動(dòng)定位，通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)軸的加速度，通過(guò)濾波算法得到準(zhǔn)確加速度，根據(jù)加速度與位移的關(guān)系，計(jì)算運(yùn)動(dòng)位移，為了保證測(cè)量精度，需選用合理的時(shí)間間隔進(jìn)行積分運(yùn)算。同時(shí)在運(yùn)動(dòng)行程的固定位置處，安裝光電開(kāi)關(guān)，進(jìn)而消除位移計(jì)算產(chǎn)生的累積誤差，并且，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)軸的電機(jī)電流，根據(jù)校正好的比例系數(shù)，在電機(jī)電流突變處，對(duì)運(yùn)動(dòng)的瞬態(tài)加速度進(jìn)行補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度。提出的“加速度定位法”比常用的“電位計(jì)定位法”成本更低，安裝更加簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)用價(jià)值。