一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法制造技术

本发明专利技术公开了一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法，包括病灶空间坐标定位、治疗床运动学逆解、高效轨迹规划三个部分。病灶空间坐标定位方法，通过影像设备确定肿瘤位置相对病患头顶的三维坐标，结合治疗床与病患肢体的相对定位，确定肿瘤相对治疗床的位置。肿瘤需要安置在治疗仪器靶区，通过治疗床运动学逆解，获得目标状态的各关节位置。为了缓解病患的紧张情绪，五轴治疗床在运动过程需要保持平稳运行，避免复杂的运动，高效轨迹规划可以实现直线盲区的插值轨迹规划与盲区外的直线轨迹规划。本发明专利技术通过病灶空间坐标定位方法、治疗床运动学逆解算法将肿瘤精准的安置在靶区，保障了治疗前的情绪控制工作，提高了治疗效果。

Reverse engineering and trajectory planning algorithm for a five axis treatment bed

The invention discloses an inverse solution engineering and a trajectory planning algorithm for a five-axis treatment bed, which comprises three parts: the spatial coordinate positioning of the lesion, the inverse kinematics solution of the treatment bed and the efficient trajectory planning. Focus space coordinate positioning method, through imaging equipment to determine the position of the tumor relative to the patient's head three-dimensional coordinates, combined with the relative positioning of the treatment bed and the patient's limbs, to determine the position of the tumor relative to the treatment bed. The tumor needs to be placed in the target area of the therapeutic instrument, and the position of each joint in the target state can be obtained by the inverse kinematics solution of the therapeutic bed. In order to alleviate the patient's nervousness, the five-axis treatment bed needs to keep stable operation in the movement process and avoid complex movement. Efficient trajectory planning can realize the interpolation trajectory planning in the linear blind area and the linear trajectory planning outside the blind area. The invention accurately locates the tumor in the target area by means of the spatial coordinate positioning method of the lesion and the inverse kinematics algorithm of the treatment bed, guarantees the emotional control work before treatment, and improves the therapeutic effect.

【技术实现步骤摘要】
一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法
本专利技术涉及机械臂运动控制算法领域，具体是一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法。
技术介绍
在大型射线治疗设备进行射线治疗前，需要利用五轴治疗床将肿瘤移动到射线治疗设备的靶区中央，并且实现精确的定位。上述定位过程需要满足实时性要求，鉴于逆向运动学的求解相对复杂，而且可能会出现多解或者无解的情况，亟待研制一种高效的治疗床运动学逆解算法，将肿瘤精确的定位到靶区，并且依托高效轨迹规划算法，优化运动过程，为病患提供更舒适的治疗体验。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种逆解工程及轨迹规划算法，尤其是涉及一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、病灶空间坐标定位，其过程如下：(1.1)、通过医学影像设备确定肿瘤坐标OC与病患头顶坐标OH的相对位置(1.2)、在五轴治疗床躺板上的头部一端安装激光测距传感器，利用激光测距传感器确定病患头顶坐标OH与治疗床躺板固定坐标OB的相对位置(1.3)、肿瘤抵达靶区，肿瘤所在位置OC与靶区中央坐标OG重合，即得到治疗床躺板固定坐标OB与靶区中央坐标OG的相对位置(1.4)、靶区OG与五轴治疗床基座O0的相对位置为固定参数，得到：其中是五轴治疗床基座O0相对于治疗床躺板固定坐标OB的三维空间向量；(2)、五轴治疗床运动学逆解运算，其过程如下：(2.1)、根据Denavit–Hartenberg法，在各个关节轴上建立坐标系,得到1-5号坐标系，基于构型及目标运动过程限制，需保证治疗床躺板固定坐标系与五轴治疗床基座坐标系的Z轴方向一致，此时，第四关节转角需满足θ4＝π-θ3；其中θ3指的是第三个转动关节的转动角度，θ4指的是第四个转动关节的转动角度；(2.2)、求解得到治疗床躺板固定坐标OB相对五轴治疗床基座O0的位置变换矩阵：变换矩阵中：o＝-cos(θ1+θ2+θ5)；r＝-sin(θ1+θ2+θ5)；u＝0；p＝sin(θ1+θ2+θ5)；s＝-cos(θ1+θ2+θ5)；v＝0；q＝0；t＝0；w＝1；px＝a1*cos(θ1)-a2*cos(θ1+θ2)+a3*cos(θ1+θ2)*cos(θ3)；py＝a1*sin(θ1)-a2*sin(θ1+θ2)+a3*sin(θ1+θ2)*cos(θ3)；pz＝d0+d1+d4+d5+a3*sin(θ3)；其中：o、r、u、p、s、v、q、t、w、px、py、pz，是治疗床躺板固定坐标系相对五轴治疗床基座全局坐标系的位置姿态及空间位置参数值，θ1、θ2、θ5分别指的是第一个、第二个、第五个转动关节的转动角度；(2.3)、根据步骤(2.2)位置变换矩阵得到各个关节的解析解：a)根据矩阵中第三行第四列的元素(3,4)求得：b)根据矩阵中第一行第四列的元素(1,4)与矩阵中第二行第四列的元素(2,4)求得：c(θ1)＝(px+a2*cos(θ1+θ2)-a3*cos(θ1+θ2)*cos(θ3))/a1，s(θ1)＝(py+a2*sin(θ1+θ2)-a3*sin(θ1+θ2)*cos(θ3)，其中：c(θ1)2+s(θ1)2＝1，上述两方程联立得到θ1+θ2；c)根据矩阵中第一行第一列的元素(1,1)求得：θ1+θ2+θ5＝arccos(-o)，其中：结合上述步骤求得的θ1+θ2，得到θ5；d)根据矩阵中第一行第四列的元素(1,4)，将上述步骤得到的θ3、θ5、θ1+θ2代入：θ1＝arcos(px+a2*c(θ1+θ2)-a3*c(θ1+θ2)*c(θ3)；代入方程后可以求解得到θ1，由于已知θ1+θ2，所以可以求解得到θ2(3)、高效轨迹规划运算，其过程如下：(3.1)、确定目标运动路径——直线运动；(3.2)、根据可达空间的中心缺陷，进行路径分割，路径分割为可达空间缺陷处的空间曲线运动、外围空间的直线运动，确定状态转接点PT，进行运动方式的切换：a)轨迹过程中间点：Pmid(t)＝L(t)*(PB-PI)+PI，t＝0.01*i，i∈[0,100]，其中代表时间参数，PI指的是治疗床躺板的初始位置向量，PB指的是治疗床躺板的目标位置向量；b)由于构型限制，五轴治疗床在起始点后的一段可能无法进行直线轨迹规划，通过从i＝0遍历,判断逆解的存在性，找到第一个逆解存在的点Pmid(tT)，i＝iT；(3.3)、对于可达空间缺陷处的空间曲线运动：采用五次多项式进行插值，限定其速度、加速度由静止状态开始，并以静止状态结束：θ(t)＝a0+a1*t+a2*t2+a3*t3+a4*t4+a5*t5；公式中a0到a5指的是五次多项式的插值参数，由MATLABroboticstoolbox自动得到，对于每个关节转角都会重新生成一组新的多项式插值参数，t指的是时间；(3.4)、对于外围空间的直线运动：限定其速度、加速度由静止状态开始，并以静止状态结束，满足上述条件的直线运动方程的驱动变换函数：L(t)＝(-sin(2*π*t-π)/(4*π2)-(1/(2*π))*t)*(-2*π)，dL(t)＝(-cos(2*π*t-π)/(2*π)-(1/(2*π)))*(-2*π)，ddL(t)＝sin(2*π*t-π)*(-2*π)，直线轨迹规划过程中间点：Pmid(t)＝L(t)*(PB-PT)+PT，t＝0.01*i，i∈[0,100]。本专利技术提出的求解过程可以快速求出机械臂的运动学逆解，满足了机械臂的实时控制需求，在不满足直线平稳运动的工作空间(可达空间缺陷处)采用五次多项式插值的算法进行轨迹规划。在满足直线平稳运动的工作空间(外围空间)，采用直线轨迹规划算法，采用的驱动变换函数可以实现平稳移动(限定其速度、加速度由静止状态开始，并以静止状态结束)，满足病患对治疗过程的舒适体验需求。本专利技术通过五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法实现了肿瘤与靶区的精确定位，为后续的射线治疗奠定了良好的基础。同时，通过高效轨迹规划算法，限制病患肢体的运动速度在舒适范围内，起到治疗前的情绪稳定作用。附图说明图1为关于本专利技术中提到的一种五轴治疗床的轨迹规划的求解流程；图2为在此类五轴治疗床各个关节轴上所建立的坐标系的示意图；图3为本专利技术的五轴治疗床各个关节轴上所建立的坐标系的轴侧示意图；图4为本专利技术的各个关节轴上所建立的坐标系的俯视方向示意图；图5为本专利技术的各个关节轴上所建立的坐标系的主视方向示意图；图6为本专利技术的各个关节轴上所建立的坐标系的左视方向示意图；图7为本专利技术的研究对象五轴治疗床的工作示意图；图8为本专利技术的研究对象五轴治疗床的工作示意主视图；图9为图8的局部示意图；图10为五轴治疗床的工作空间的中心缺陷区域示意图；图11为五轴治疗床的直线路径分割示意图；图中标号：1、激光测距传感器；2、治疗床躺板；3、射线装置；4、机体旋转装置；5、五轴治疗床。具体实施方式为使对本专利技术的结构特征及所达成的功效有进一步的了解和认识，用以教佳的实例及附图配合详细的说明，说明如下：如图7所示，整个质子医疗设备由射线装置3、机体4、五轴治疗床5所示，五轴治疗床5安装在地面上，射线装置3固定在机体4上。如图1所示，本专利技术的目的是提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、病灶空间坐标定位，其过程如下：(1.1)、通过医学影像设备确定肿瘤坐标OC与病患头顶坐标OH的相对位置

【技术特征摘要】
1.一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、病灶空间坐标定位，其过程如下：(1.1)、通过医学影像设备确定肿瘤坐标OC与病患头顶坐标OH的相对位置(1.2)、在五轴治疗床躺板上的头部一端安装激光测距传感器，利用激光测距传感器确定病患头顶坐标OH与治疗床躺板固定坐标OB的相对位置(1.3)、肿瘤抵达靶区，肿瘤所在位置OC与靶区中央坐标OG重合，即得到治疗床躺板固定坐标OB与靶区中央坐标OG的相对位置(1.4)、靶区OG与五轴治疗床基座O0的相对位置为固定参数，得到：其中是五轴治疗床基座O0相对于治疗床躺板固定坐标OB的三维空间向量；(2)、五轴治疗床运动学逆解运算，其过程如下：(2.1)、根据Denavit–Hartenberg法，在各个关节轴上建立坐标系,得到1-5号坐标系，基于构型及目标运动过程限制，需保证治疗床躺板固定坐标系与五轴治疗床基座坐标系的Z轴方向一致，此时，第四关节转角需满足θ4＝π-θ3；其中θ3指的是第三个转动关节的转动角度，θ4指的是第四个转动关节的转动角度；(2.2)、求解得到治疗床躺板固定坐标OB相对五轴治疗床基座O0的位置变换矩阵：变换矩阵中：o＝-cos(θ1+θ2+θ5)；r＝-sin(θ1+θ2+θ5)；u＝0；p＝sin(θ1+θ2+θ5)；s＝-cos(θ1+θ2+θ5)；v＝0；q＝0；t＝0；w＝1；px＝a1*cos(θ1)-a2*cos(θ1+θ2)+a3*cos(θ1+θ2)*cos(θ3)；py＝a1*sin(θ1)-a2*sin(θ1+θ2)+a3*sin(θ1+θ2)*cos(θ3)；pz＝d0+d1+d4+d5+a3*sin(θ3)；其中：o、r、u、p、s、v、q、t、w、px、py、pz，是治疗床躺板固定坐标系相对五轴治疗床基座全局坐标系的位置姿态及空间位置参数值，θ1、θ2、θ5分别指的是第一个、第二个、第五个转动关节的转动角度；(2.3)、根据步骤(2.2)位置变换矩阵得到各个关节的解析解：a)根据矩阵中第三行第四列的元素(3,4)求得：b)根据矩阵中第一行第四列的元素(1,4)与矩阵中第二行第四列的元素(2,4)求得：c(θ1)＝(px+a2*cos(θ1+θ2)-a3*cos(θ1+θ2)*cos(θ3))/a1，s(...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕胜，宋云涛，程勇，鲁晨，熊宇，潘洪涛，史善爽，李阳，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34