文摘

介绍了一个专门的机器人系统正在开发使用小型直线加速器放射治疗。机器人系统是一个自由度的机械手,可以安装在一个病人的上半球工作区集中在一个目标点。为了确定最优长度的链接,我们考虑的要求工作空间的线性加速器放射治疗。一个更合适的比传统的工业机械手运动学结构,提出了和运动学分析。一个图形模拟器,用于实现动态分析。基于这些结果,一个原型机械手及其控制系统正在开发中。

1。介绍

立体定向放射治疗系统,如直线加速器的目的,伽玛刀,射波刀是摧毁肿瘤组织,同时保留邻近正常组织使用电离辐射而不是切除与叶片(1,2]。因此,他们应该能够准确地聚焦辐射光束从尽可能多的不同角度聚集在一个目标肿瘤(3,4]。

不仅使用γ刀治疗脑部肿瘤血管和功能性疾病。它通常包含201 Co-60辐射源,每个放在一个圆形阵列,发出跛足的光线通过一个目标点在病人的大脑。因此,伽玛刀有超过200梁传递角度(5,6]。

与伽玛刀相比,直线加速器系统使用x射线产生一个线性加速器,加速器是机械地绕着病人,全部或部分循环改变交货角瞄准一个目标点。和病人躺的沙发也可以搬到小线性或角步骤。因此,龙门的运动和沙发可以让更多的光束角度交付。但是他们是局限在一个大约二维空间(7,8]。射波刀系统还使用了一个线性加速器辐射源,但相对较小和light-weighed。它使用一个6自由度工业机器人机械手将x射线源目标任意点从不同角度(9,10]。射波刀系统是公认最多才多艺的放射治疗系统有广泛的光束传递角度在三维空间(11,12]。

但即使机械手的自由度用于射波刀系统是6自由度足以从任意交付角度任意三维目标点因为光束的滚动角的变化对其轴没有影响(13,14]。

除此之外,而放射治疗所需的工作半径大约是1米和末端执行器的最大移动速度小于1米/秒,工作区射波刀系统的最大半径大约是3米,其移动速度也高于要求。这意味着joint-driving汽车工业机器人机械手的性能通常高于市场要求,和驾驶汽车是超大号的。它可能会导致系统重量级,使其成本高。此外,在这种情况下,当机器人机械手安装在地板上沙发,旁边有限制增加梁交付角的范围。

所以,本文介绍了一个专门的机器人系统下开发使用小型直线加速器放射治疗。机器人系统是一个自由度的机械手安装在一个病人要上半球工作区集中在一个目标点。

节2的基本结构和设计过程中确定的长度的联系。部分3提供了机械手的运动分析,部分4解释了图形仿真动态分析及其结果。正在开发的工业机械手的结构和控制系统部分所示5。

2。设计机械臂长度的链接

正如上面提到的部分,放射治疗需要5自由度关节机械手的最小线性加速器,所以链接的长度应该是优化的操作。而且,机械手工作空间考虑病人的位置,旨在避免接触病人。这是通过创建一个安全地带在治疗病人和沙发上。

在图1肿瘤组织的中心,被假定为位于xyz坐标的起源。的x- - -y相互重合定义一个水平面,z设在是垂直的。

让 是指在直线加速器x射线源的位置。

如果悲伤(source-to-axis距离)之间和,上半球空间是有限的,那么所需的终点应该到达的地方

在任何时候在工作区中,加速器应该直接辐射光束小周边地区原点。

在我们的研究中,一个串行机械手与转动关节被认为是如图2(一个)。

联合1 (J₁)是符合的z设在和定义了一个中央矢状平面,利用关节2 (J₂),3 (J₃),4 (J₄)相互平行,加速器指向原点平面在任何时候。关节4和5 (J₅)用于直接光束邻近地区。

关节2转移高于起源的中心h避免与病人发生碰撞。

一个极端的长度约束的链接时的情况 的角定义如图2(一个),手臂的是最大的,如图2 (b)。完全达到访问这样一个姿势,链接的长度满足以下方程:

另一个例子是当 。在这种情况下,下列方程满足姿势:

链接的长度 满足(2)和(3),所需的工作空间的手臂。

当 给出了,和可以确定如下:

表1显示和确定(4)当 最优长度根据。

3所示。运动分析

本节提供分析和放射治疗机械手的逆运动学的基础上,提出结构和链接的长度。

3.1。向前运动分析

图3显示了该机械手的轮廓及其在d - h坐标公约。基本坐标系位于机械手的安装板,和坐标系统的起源3和4是相互重合。关节2和3是由两个链接在双方减少变形量。和假缝6不是真正驱动但遵循传统的6自由度机械手的运动分析过程。

表2提供了d - h参数mm程度上的长度和角度。

使用d - h参数,给出齐次变换矩阵

乘以所有从左到右顺序齐次变换矩阵,最后得到齐次矩阵如下:

3.2。逆运动学分析

计算关节角从一个给定的目标位置和姿态,加速器的中心位置,坐标系统的起源3派生起初由以下方程:

像一个通常6自由度机械手,有4套解决方案最大不同的配置如左或右手臂、手肘向上或向下。有两套和决心要满足给定的取向为每个组。

因此,8套可以找到解决方案,如果给定的终点在工作区。其中,关节角限制标准的解决方案和解决方案应用于屏幕最近的联合配置从当前被选中作为最终的解决方案。

高的连续路径可以顺利和有效的运动。改善路径的连续性,连续两个点插值样条曲线,由5阶多项式方程和满足给定的点,速度,加速度,如下所示:

4所示。图形模拟器和动态分析

在这项研究中,基于matlab的开放源代码,当代艺术(教育)的机器人工具箱》(15),使用和修改模拟放射治疗机械手的运动三维图形虚拟环境下发展。

输入几何模型的操纵模拟器,3 d CAD模型转换为ASCII格式的STL文件。

等动态参数和质量,质量的转动惯量,质量中心为每个链接也从3 d CAD文件中提取在工具箱实现动态仿真功能实现。

图4显示控制器和一个病人躺在沙发上的3 d图形仿真环境。

图5显示控制面板窗口显示当前的关节角和目标输入移动机械手。这是修改后的《教程序打包的。

指挥操纵器,方位角、仰角,远离原点是由运营商。所需的目标姿势可以保存到文本文件后的动态模拟。

作为一个例子的轨迹,六个姿势如图6使用一个名为MoveL()函数和关节4和5是旋转略约5⁰在某些姿势使用一个名为MoveB()函数,独立移动关节不动其他关节。

图7展示了六个姿势的3 d图形环境,和图8显示的是静态的关节力矩。

动态模拟,线速度终点的0.1 m / s,速度,加速度,扭矩,图提供了各关节的力量9。

图10显示了关节速度,关节力矩和功率在velocity-torque图中为每个关节为执行电动机选择模拟运动。

如表所示3的最大扭矩和功率联合2是6271 Nm和2317 W。

5。机器人制造和控制系统

发动机和变速箱选择基于动态仿真结果,和机械手制造如图11。

至于控制汽车,MR-J4-B系列伺服放大器由三菱电机制造公司选择。他们有一个备份电池的光学编码器接口,所以没有必要在每升高阶段开始初始化过程。

5通过SSCNET伺服放大器相连的光纤mc 241 multiaxis位置控制板安装在桌面计算机的PCI插槽在MS Windows 7。同时,我们考虑两种类型的机器人系统的安全特性当危险存在于机器和系统必须立即关闭,为了保护人们,机器,和系统。起初,闭锁装置连接到机械手的关节2。它可以确保采取预防方法机械手下降患者危险存在于机器。第二,紧急停止按钮,紧急停止按钮信号控制系统设计只在紧急情况下发生。按下紧急停止按钮,刹车,机械手轴被激活,机器人停止。电机功率关闭在这个时机。

图12显示了在MS Visual c++环境中测试GUI程序。这个项目包括几个函数在模拟器上实现。

6。结论

本文介绍了放射治疗机械手系统自由度和一个更合适的工作空间操作。这是通过创建一个安全地带在治疗病人和沙发上。为了设计机械手运动学和动力学进行了分析和实现3 d图形模拟器基于开源机器人基于matlab工具箱之一,当代艺术。导致一些机械手的运动模拟,机械手制造原型,其控制系统实现。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本文的研究是由韩国国家研究基金会(NRF) (NRF - 2013 m2a8a1051065)。