一种C型臂及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说，涉及一种C型臂及其控制方法。

背景技术

目前，移动式C型臂，有大C、中C、小C，是X射线诊断设备的重要结构形式，在骨科及介入式的诊断和治疗中有着非常广泛的应用。在骨科和介入式手术中，通常需要对诊疗部位进行同一角度多次X射线曝光，或者对诊疗部位进行多个角度多次曝光，又或者在患者改变体位后需要重新调整曝光角度，因此，在手术过程中需要对C型臂进行多次的移动与角度调整。

为保证C型臂经过移动和角度调整后，既不影响医生手术操作，又要保证C型臂拍摄到同一位置，要求C型臂能够灵活移动且精确定位。然而，现有的C型臂需要人力移动，不仅费时费力，而且经常需要多人协同，重复定位精度也不高。与此同时，随着手术室中医疗设备的逐渐增多，使得C型臂的移动越发困难，从而在一定程度上加重了医护人员的负担，增加了患者的暴露时间，降低了手术效率。

发明内容

有鉴于此，本发明公开一种C型臂及控制方法，以实现C型臂可以从静止位置，自动向任意方向进行平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，从而不仅减轻了医护人员的负担，节省时间，而且，减少患者的暴露时间，从而提高手术效率。

一种C型臂，包括：C型臂车载主体和智能走位系统；

所述智能走位系统包括：三轮全向运动机器人机械平台和驱动控制单元；

所述三轮全向运动机器人机械平台包括：底盘框架、前驱动机构、后驱动机构和万向轮；

所述前驱动机构和所述后驱动机构均通过悬挂连接板件连接在所述底盘框架上，所述万向轮通过紧固件固定在所述底盘框架上，所述C型臂车载主体通过紧固件固定在所述底盘框架上，所述前驱动机构、所述后驱动机构和所述万向轮共同支撑所述底盘框架，并共同承载C型臂的总重量；

所述驱动控制单元包括：伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器，所述伺服驱动器和所述行走控制器均通过支架固定在所述底盘框架上，所述行走控制器分别与所述伺服驱动器和所述行走遥控器连接，所述伺服驱动器分别与所述前驱动机构和所述后驱动机构连接；

所述行走控制器用于接收所述行走遥控器发送的运动指令，并将所述运动指令输出至所述伺服驱动器，通过所述伺服驱动器控制所述前驱动机构和所述后驱动机构共同拖动所述三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动。

可选的，所述后驱动机构包括：第一全向轮、第二全向轮、第一减速电机、第二减速电机、第一弹性悬挂机构、第二弹性悬挂机构和第一悬挂连接板件；

所述第一全向轮固定在所述第一减速电机的传动轴上，所述第一全向轮和所述第一减速电机通过所述第一弹性悬挂机构与所述第一悬挂连接板件连接，所述第二全向轮固定在所述第二减速电机的传动轴上，所述第二全向轮和所述第二减速电机通过所述第二弹性悬挂机构与所述第一悬挂连接板件连接。

可选的，所述前驱动机构包括：第三全向轮、第三减速电机、第三弹性悬挂机构和第二悬挂连接板件；

所述第三全向轮固定在所述第三减速电机的传动轴上，所述第三全向轮和所述第三减速电机通过所述第三弹性悬挂机构与所述第二悬挂连接板件连接；

其中，所述第一全向轮和所述第二全向轮相对于所述第三全向轮的轴线在运动平面上对称设置。

可选的，所述伺服驱动器包括三组伺服驱动器，分别为：第一伺服驱动器、第二伺服驱动器和第三伺服驱动器；

所述第一伺服驱动器与所述第一减速电机连接，用于控制所述第一减速电机的旋转速度；

所述第二伺服驱动器与所述第二减速电机连接，用于控制所述第二减速电机的旋转速度；

所述第三伺服驱动器与所述第三减速电机连接，用于控制所述第三减速电机的旋转速度。

可选的，所述行走控制器用于将所述运动指令中包含的不同的运动信息分别发送至对应的所述第一伺服驱动器、所述第二伺服驱动器和所述第三伺服驱动器；

所述第一伺服驱动器根据接收到的运动信息控制所述第一减速电机的旋转速度，所述第一减速电机将旋转位置信号通过所述第一伺服驱动器实时反馈至所述行走控制器，使所述行走控制器根据所述第一减速电机反馈的旋转位置信号获取所述第一全向轮的行走距离和速度数据；

所述第二伺服驱动器根据接收到的运动信息控制所述第二减速电机的旋转速度，所述第二减速电机将旋转位置信号通过所述第二伺服驱动器实时反馈至所述行走控制器，使所述行走控制器根据所述第二减速电机反馈的旋转位置信号获取所述第二全向轮的行走距离和速度数据；

所述第三伺服驱动器根据接收到的运动信息控制所述第三减速电机的旋转速度，所述第三减速电机将旋转位置信号通过所述第三伺服驱动器实时反馈至所述行走控制器，使所述行走控制器根据所述第三减速电机反馈的旋转位置信号获取所述第三全向轮的行走距离和速度数据。

可选的，所述行走控制器还用于记录C型臂的位置状态数据，所述位置状态数据包括：运动起始点数据、运动中间点数据、运动终点数据和运动路径数据。

可选的，所述行走控制器还用于为所述C型臂在运动平面内预先设置位置数据。

可选的，所述行走控制器还用于根据记录的所述位置状态数据或预先设置的所述位置数据，通过所述伺服驱动器控制所述C型臂在多位置点之间的全方向运动。

可选的，所述全向轮包含麦克纳姆轮。

一种C型臂的控制方法，应用于上述所述的C型臂中的行走控制器，所述控制方法包括：

接收行走遥控器发送的运动指令；

将所述运动指令输出至伺服驱动器，通过所述伺服驱动器控制前驱动机构和后驱动机构共同拖动三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动。

从上述的技术方案可知，本发明公开了一种C型臂及控制方法，C型臂包括C型臂车载主体和智能走位系统，智能走位系统包括：三轮全向运动机器人机械平台和驱动控制单元，三轮全向运动机器人机械平台包括：底盘框架、前驱动机构、后驱动机构和万向轮，驱动控制单元包括：伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器，行走控制器接收到行走遥控器发送的运动指令后，将运动指令输出至伺服驱动器，通过伺服驱动器控制前驱动机构和后驱动机构共同拖动三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，本发明实现了C型臂可以从静止位置，自动向任意方向进行平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，从而不仅减轻了医护人员的负担，节省了时间，而且，减少了患者的暴露时间，从而提高了手术效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据公开的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种C型臂的结构示意图；

图2为本发明实施例公开的一种三轮全向运动机器人机械平台的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种三轮全向运动机器人机械平台的侧视结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种三轮全向运动机器人机械平台全向运动的原理图；

图5为本发明实施例公开的一种三轮全向运动机器人机械平台全向运动的原理图；

图6为本发明实施例公开的一种C型臂的控制方法流程图。

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做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。

本发明实施例公开了一种C型臂及控制方法，C型臂包括C型臂车载主体和智能走位系统，智能走位系统包括：三轮全向运动机器人机械平台和驱动控制单元，三轮全向运动机器人机械平台包括：底盘框架、前驱动机构、后驱动机构和万向轮，驱动控制单元包括：伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器，行走控制器接收到行走遥控器发送的运动指令后，将运动指令输出至伺服驱动器，通过伺服驱动器控制前驱动机构和后驱动机构共同拖动三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，本发明实现了C型臂可以从静止位置，自动向任意方向进行平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，从而不仅减轻了医护人员的负担，节省了时间，而且，减少了患者的暴露时间，从而提高了手术效率。

参见图1，本发明一个实施例公开的一种C型臂的结构示意图，C型臂包括：C型臂车载主体10和智能走位系统20。

其中，智能走位系统20包括：三轮全向运动机器人机械平台21和驱动控制单元22。

参见图2、图3和图4所示，三轮全向运动机器人机械平台21包括：底盘框架111、前驱动机构130、后驱动机构131和万向轮；

其中，前驱动机构130和后驱动机构131均通过悬挂连接板件连接在底盘框架111上，万向轮通过紧固件固定在底盘框架111上，C型臂车载主体10通过紧固件固定在底盘框架11上，前驱动机构130、后驱动机构131和万向轮共同支撑底盘框架111，并共同承载C型臂的总重量。其中，万向轮负载C型臂的主要重量，前驱动机构130和后驱动机构131负载C型臂的部分重量。

驱动控制单元22包括：伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器(图中未示出)，伺服驱动器和行走控制器均通过支架固定在底盘框架111上，行走控制器分别与伺服驱动器和行走遥控器连接，伺服驱动器分别与前驱动机构130和后驱动机构131连接；

行走控制器用于接收行走遥控器发送的运动指令，并将所述运动指令输出至伺服驱动器，通过所述伺服驱动器控制前驱动机构130和后驱动机构131共同拖动三轮全向运动机器人机械平台21在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动。

需要说明的是，平移运动和旋转运动的叠加运动也即曲线运动。

其中，运动指令中携带的运动信息包括：运转速度及运转方向，或停止目标位置。

综上可知，本发明公开了一种C型臂，C型臂包括C型臂车载主体10和智能走位系统20，智能走位系统20包括：三轮全向运动机器人机械平台21和驱动控制单元22，三轮全向运动机器人机械平台21包括：底盘框架111、前驱动机构130、后驱动机构131和万向轮，驱动控制单元22包括：伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器，行走控制器接收到行走遥控器发送的运动指令后，将运动指令输出至伺服驱动器，通过伺服驱动器控制前驱动机构130和后驱动机构131共同拖动三轮全向运动机器人机械平台21在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，本发明实现了C型臂可以从静止位置，自动向任意方向进行平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，从而不仅减轻了医护人员的负担，节省了时间，而且，减少了患者的暴露时间，从而提高了手术效率。

上述实施例中，行走遥控器是直接控制智能走位系统20运动的遥控装置，行走遥控器可以是便携式的，也可以是固定式的。在实际应用中，行走遥控器可以通过有线或是无线与行走控制器连接，当行走遥控器与行走控制器为有线连接时，行走遥控器可以通过控制电缆连接在行走控制器上。

可选的，万向轮的数量可以为四个，比如，万向轮包括：第一万向轮120、第二万向轮121、第三万向轮122和第四万向轮123；第一万向轮120和第二万向轮121通过第一连接板件108连接在底盘框架111上，第三万向轮122通过第二连接板件109连接在底盘框架111上，第四万向轮123通过第三连接板件110连接在底盘框架111上。

需要特别说明的是，万向轮的数量包括但不限于四个，在实际应用中，万向轮的数量可以增加或是减少，具体依据实际需要而定，本发明在此不做限定。

下面对三轮全向运动机器人机械平台21中各组成部件的具体组成结构进行说明，如下：

参见图2、图3和图4所示，后驱动机构131包括：第一全向轮101、第二全向轮102、第一减速电机104、第二减速电机105、第一弹性悬挂机构125、第二弹性悬挂机构126和第一悬挂连接板件107。第一全向轮101固定在第一减速电机104的传动轴上，第一全向轮101和第一减速电机104通过第一弹性悬挂机构125与第一悬挂连接板件107连接，第二全向轮102固定在第二减速电机105的传动轴上，第二全向轮102和第二减速电机105通过第二弹性悬挂机构126与第一悬挂连接板件107连接。

其中，本实施例中，后驱动机构131通过第一悬挂连接板件107连接在底盘框架111上。后驱动机构131中第一弹性悬挂机构125可以保证其连接的第一全向轮101能够适应不太平整的运动平面。

前驱动机构130包括：第三全向轮100、第三减速电机103、第三弹性悬挂机构124和第二悬挂连接板件106。第三全向轮100固定在第三减速电机103的传动轴上，第三全向轮100和第三减速电机103通过第三弹性悬挂机构124与第二悬挂连接板件106连接。

其中，本实施例中，前驱动机构130通过第二悬挂连接板件106连接在底盘框架111上。前驱动机构130中的第三弹性悬挂机构124可以保证其连接的第三全向轮100能够适应不太平整的运动平面。

本实施例中，第一全向轮101和第二全向轮102相对于第三全向轮100的轴线在运动平面上对称设置。

本实施例中，假设前驱动机构130中第三全向轮100的轴线方向为前后方向，则前驱动机构130在运动平面上可以向左右方向拖动底盘框架111，同时在运动平面上的前后方向可以随动运动；且，后驱动机构131在平面任一方向都可以拖动底盘框架111，因此前驱动机构130和后驱动机构131共同拖动底盘框架111，使C型臂完成运动平面内任一方向平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动。

需要特别说明的是，后驱动机构131中的第一减速电机104和第二减速电机105，以及前驱动机构130中的第三减速电机103，均由驱动控制单元22中的伺服驱动器控制。

本实施例中，驱动控制单元22中的伺服驱动器包括三组伺服驱动器，分别为：第一伺服驱动器、第二伺服驱动器和第三伺服驱动器；

第一伺服驱动器与第一减速电机104连接，用于控制第一减速电机104的旋转速度；

第二伺服驱动器与第二减速电机105连接，用于控制第二减速电机105的旋转速度；

第三伺服驱动器与第三减速电机103连接，用于控制第三减速电机103的旋转速度。

第一伺服驱动器、第二伺服驱动器、第三伺服驱动器、行走控制器和行走遥控器的具体工作原理具体如下：

行走遥控器用于向行走控制器发送运动指令，运动指令中携带的运动信息包括：运转速度及运转方向，或停止目标位置。

行走控制器用于接收所述运动指令，并将所述运动指令中包含的不同的运动信息分别发送至对应的第一伺服驱动器、第二伺服驱动器和第三伺服驱动器；

第一伺服驱动器根据接收到的运动信息控制第一减速电机104的旋转速度，第一减速电机104将旋转位置信号通过第一伺服驱动器实时反馈至行走控制器，使行走控制器根据第一减速电机104反馈的旋转位置信号获取第一全向轮101的行走距离和速度数据。

第二伺服驱动器根据接收到的运动信息控制第二减速电机105的旋转速度，第二减速电机105将旋转位置信号通过第二伺服驱动器实时反馈至行走控制器，使行走控制器根据第二减速电机105反馈的旋转位置信号获取第二全向轮102的行走距离和速度数据。

第三伺服驱动器根据接收到的运动信息控制第三减速电机103的旋转速度。第三减速电机103将旋转位置信号通过第三伺服驱动器实时反馈至行走控制器，使行走控制器根据第三减速电机103反馈的旋转位置信号获取第三全向轮100的行走距离和速度数据。

为便于理解C型臂的移动原理，下面对C型臂中三轮全向运动机器人机械平台21全向运动的原理参数如下：

参见图4和图5所示的一种三轮全向运动机器人机械平台全向运动的原理图，在图4中，中心点P1是前驱动机构130和后驱动机构131运动的中心点。前驱动机构130在方向3和方向4上无驱动作用，做随动运动，在方向1和方向2上有驱动作用。后驱动机构131不能做随动运动，在方向1、方向2、方向3和方向4上都有驱动作用，并且在方向1到方向4所形成平面上任一方向都有驱动作用。

在图5中，Θ1是第三全向轮100轴线与第一全向轮101轴线的夹角，Θ2是第三全向轮100轴线与第二全向轮102轴线的夹角，Θ1等于45°且Θ1等于Θ2。d1是前驱动机构130的驱动轮的驱动力作用点与后驱动机构131的驱动轮的驱动力作用点之间的距离，d2是后驱动机构131的两个驱动轮的驱动力作用点之间的距离，且d1大于d2。

需要说明的是，图4和图5中的“方向”是个相对的概念，“方向3”是前驱动机构130中全向轮的轴线的一个方向，“方向4”是前驱动机构130中全向轮的轴线的另一个方向，方向1、方向2、方向3和方向4”这4个方向在同一平面内均匀布置，相邻角度间隔都是90°。

结合图4和图5，对本发明中存在的基本运动关系阐述如下：

实施例一

假设：方向1为运动平面坐标系中X轴正半轴，方向3为Y轴正半轴，中心点P1位置为坐标原点，中心点P1的初始运动目标方向为P2(x，y)，第三全向轮100的速度为s1，第一全向轮101的速度为s2，第二全向轮102的速度为s3，前驱动机构130与后驱动机构131的速度差值为ds。其中，若运动路径T是曲线，则P2(x,y)方向是运动路径曲线在当前坐标位置的切线方向；若运动路径T是直线，则P2(x,y)方向就是运动路径方向。

则：

当ds等于0，x不等于0或y不等于0时，C型臂从起点位置向终点位置平移运动；

当ds不等于0，x等于0且y等于0时，C型臂绕中心点P1旋转运动；

当ds不等于0，x不等于0或y不等于0时，C型臂从起点位置向终点位置作平移运动和旋转运动的叠加运动。

如图4所示，本发明中对C型臂的控制基于三轮全向运动机器人机械平台21的基本结构形式，依据C型臂中存在的基本运动关系，通过行走控制器的控制，可以使C型臂从起点位置到终点位置作平移运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，或者绕中心点P1作旋转运动。多位置点间的运动及复合曲线的运动则由平移运动、平移运动和旋转运动的叠加运动和旋转运动这3种基本运动组合而成。在C型臂运动过程中，行走控制器可以记录C型臂的位置状态数据，位置状态数据包括：运动起始点数据、运动中间点数据、运动终点数据和运动路径数据。行走控制器也可以为C型臂在运动平面内预先设置位置数据。行走控制器根据记录的C型臂的位置运动数据或为C型臂预设的位置数据，通过伺服驱动器控制C型臂在多位置点之间的全方向运动。

其中，运动起始点数据、运动中间点数据和运动终点数据包括：前驱动机构130和后驱动机构131的相对移动距离数据和底盘框架111的方向角度数据。

运动路径数据包括：前驱动机构130和后驱动机构131的移动速度及速度变化数据的描述方法的集合。

实施例二

麦克纳姆轮是属于全向轮的一种结构形式，因此，全向轮包含麦克纳姆轮。

如图5所示，在实际应用中，图5中第一全向轮101和第二全向轮102都替换为麦克纳姆轮，且夹角Θ1与Θ2都调整为90°直角，其它相对位置不变，则三轮全向运动机器人机械平台21的基本结构形式不变，且依然存在实施例一所述的基本运动关系。

需要说明的是，实施例二与实施例一的运动结果等效。

实施例三

本实施例是在实施例一和实施例二的基础上做的细节上的同类替代与调整。将前驱动机构130与后驱动机构131在底盘框架111上进行位置互相替换，由实施例一或实施例二所述的全向运动的基本特征可知，本实施例与实施例一或实施例二的运动结果等效。

需要说明的是，本发明中C型臂的运动过程可以由外部传感器信号修正，也可以由外部安全信号中断、暂停或重新启动。其中，外部传感器是指位置相关的传感器，比如，电子陀螺转角仪、激光测距传感器、激光导航雷达、位置开关(机械式或电磁式)等；增加的外部传感器是对本系统的安全和实际设备定位准确度的增强和功能扩展，其中必须存在的一个信号传递路径是：位置传感器信号需要直接或间接的传递到运动控制单元。

与上述装置实施例相对应，本发明还公开了一种C型臂的控制方法。

参见图6，本发明一个实施例公开的一种C型臂的控制方法流程图，该控制方法应用于图1～图5所示实施例中的行走控制器，所述控制方法包括：

步骤S101、接收行走遥控器发送的运动指令；

步骤S102、将运动指令输出至伺服驱动器，通过伺服驱动器控制前驱动机构和后驱动机构共同拖动三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动。

综上可知，公开了一种C型臂的控制方法，行走控制器接收到行走遥控器发送的运动指令后，将运动指令输出至伺服驱动器，通过伺服驱动器控制前驱动机构和后驱动机构共同拖动三轮全向运动机器人机械平台在运动平面内运动，使整个C型臂在运动平面内平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，本发明实现了C型臂可以从静止位置，自动向任意方向进行平移运动、旋转运动或平移运动和旋转运动的叠加运动，从而不仅减轻了医护人员的负担，节省了时间，而且，减少了患者的暴露时间，从而提高了手术效率。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。