医用X 光机运动定位方法

初振东，魏清超

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.华能辽宁清洁能源有限责任公司，沈阳110000）

1 引 言

医用X 光机在实际工作时，需要对运动部件在运动轨迹上的位置进行准确定位，常用的运动部件有悬吊架、探测器、C 型臂、压迫器、机架等。根据运动部件的空间位置信息，系统可以控制医用X 光机完成各种摆位操作[1]。运动轴的位置定位精度直接影响医用X 光机的摆位准确性，进而影响拍摄图像的质量。

现有方案中，多采用电位计反馈的方式，对运动部件的位置进行定位。运动部件在其运动轨迹上运动时，通过机械结构，使得其对应的电位计阻值产生变化，数据采集模块可根据电位计阻值情况，定位到运动部件在其运动轨迹上的实际位置。在医用X 光机中，通过电位计反馈的方式进行位置定位时，主要有以下缺点：

1) 为了准确测量电位计的电阻值，需设计高精度的模拟处理和采集电路，而该部分电路的总体成本较高。

2) 运动部件在一个运动轨迹上运动时，必须对应一个电位计，当同一个运动部件可以多轴运动时，必须对应多个电位计，电位计数量的增加，导致安装繁琐，同时成本增加。

3) 运动部件运动时，如果其对应的电位计安装不当，容易造成电位计偏心旋转，使电位计损坏。

4) 电位计在首次安装时，需要根据行程位置，将电位计阻值调整到大概范围，调整不当，或者未经调整便进行运动操作，容易造成电位计超出额定范围，进而损坏电位计。

5) 电位计一般有三个引脚，分别为阻值最大端、阻值最小端和中间抽头端，而常用的激励方式为，阻值最大端接至正电源，阻值最小端接至负电源，中间抽头端接至数据采集模块。实际操作过程中，容易接错引线，导致部件运动至极限位置时，正负电源近似于短路，造成电路损坏。

通过加速度法可进行医用X 光机运动定位。配合固定位置处的光电开关和运动轴的电机电流，以计算运动部件的实时位置[2]。加速度定位法比传统的电位计定位法成本更低，且安装简单。当同一运动部件可以多轴运动时，通过一个多轴加速度传感器，便可获得位置定位结果，节省成本和安装空间。

2 系统结构

提供的医用X 光机的运动定位方法，通过高精度加速度传感器，配合光电开关和运动轴的电机电流，即可完成运动轴的位置定位。系统的结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

通过加速度传感器模块实时测量运动部件在运动轨迹上的加速度值，在同一时刻，需要多次采集传感器输出的加速度值[3]，最后将得到的加速度值进行滤波处理，得到该时刻的真实加速度值。运动部件在运动过程中，其电机会有一定的电流输出，该电流输出被电机电流检测模块检测到。主控器通过加速度传感器模块输出的加速度值，和电机电流检测模块输出的电流值，计算出各个时刻点的加速度值。根据得到的加速度值，便可计算各时刻点的速度值，进而计算时间间隔下的位移值，最后根据位移累加的原则，计算运动部件的实时位置[4]。

在部件运动轨迹的固定位置处，会安装光电开关，光电开关的数量根据运动行程的长短，以及定位精度的需求确定。由于光电开关的安装位置固定，故运动部件每次触发光电开关时，主控器会重新记录运动部件的位置，进而消除通过加速度计算位移而产生的累积误差[5]。

为保证系统上电后可以记录之前的位置信息，设计掉电检测模块和存储模块。主控器根据掉电检测模块的检测结果，判断系统是否断电，如判断结果为系统断电，则通过存储模块保存当前的位置信息。

3 运动定位算法介绍

部件在实际运动过程中，存在由于机械安装等原因造成的卡滞现象，运动卡滞会直接影响加速度传感器的输出加速度值，即卡滞时的传感器输出加速度值并不能真实反映部件的运动加速度[6]。运动卡滞时，电机电流会产生变化，根据测试好的比例系数和电机电流变化量，可计算运动部件的真实加速度。部件在实际运动过程中，可能是变加速运动，故为了提高计算精度，在Δt 时间间隔下，取起始加速度和终止加速度的平均值作为Δt 时间间隔下的平均加速度[7]。

加速度计算公式如下：

速度计算公式如下：

位移计算公式如下：

运动部件在运动过程中，如果没有触发固定位置处的光电开关，则其位置计算公式如下：

运动部件在运动过程中，如果触发固定位置处的光电开关，则根据光电开关的位置，更新当前位置，此时，其位置计算公式如下：

此后，在此位置基础上，再进行累计位移计算，进而消除积分运算的累计误差，提高精度。

4 系统控制流程图

系统控制流程如图2 所示。

图2 系统控制流程图

初始化各模块后，主控器会判断是否有固定位置处的光电开关触发，如果有固定位置处的光电开关触发，则更新当前位置信息。如果没有固定位置处的光电开关触发，则获取加速度传感器输出的加速度值，实际应用时，需要多次采集加速度值，并对采集到的加速度值进行滤波处理，以便得到相对准确的加速度值[8-9]。得到传感器输出的加速度值后，主控器会采集电机的电流值，并根据电机电流的变化量，计算部件运动的实际加速度值。根据加速度值，可以计算部件的运动速度和实际运动位移。

5 结 束 语

通过“加速度定位法”实现医用X 光机的运动定位，通过加速度传感器实时测量运动轴的加速度，通过滤波算法得到准确加速度，根据加速度与位移的关系，计算运动位移，为了保证测量精度，需选用合理的时间间隔进行积分运算。同时在运动行程的固定位置处，安装光电开关，进而消除位移计算产生的累积误差，并且，实时监控运动轴的电机电流，根据校正好的比例系数，在电机电流突变处，对运动的瞬态加速度进行补偿，以提高测量精度。提出的“加速度定位法”比常用的“电位计定位法”成本更低，安装更加简单，具有较好的实用价值。