使用光电编码器的线性脚踏控制器的研制
研究论着一
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使用光电编码器的线性脚踏控制器的研制
张志刚李苑苑z
(1.中国科学院电工研究所北京市100080;2.北京中科医疗设备有限公司北京市100080)
摘要线性脚踏控制器作为白内障超声乳化仪的主要控制部件,对整机的性能有着重要影响.文中介绍了1种使用光电
编码器的线性脚踏控制器,从机械组成,计数电路和控制软件3个方面详细介绍它的工作原理及功能实现.该线性脚踏
控制器,具有数字化输出,结构简单,操作方便和反应灵敏等优点.在临床上有着广泛的应用前景.
关键词线性脚踏控制器:光电编码器;计数电路;控制软件
中图分类号:TH77;TM57文献标识码:A文章编号:1003—8868(2006)06一O025—03
Developmentofalinearfootswitchwithopticalencoder
ZHANGZhi—gang.LIYuan—yuan
(1.InstituteofElectricalEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing
100080.China;2.MedicalEquipment
Co.,LtdofBeijingChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)
AbstractThelinearfootswitch,whichisthemaincontmlpartofcataractultrasonicemulsificationsystem,hasimportant
effectontheoverallperformanceofthesystem.Inthispaper,thedevelopmentofalinearfootswitchwithopticalencoderis
introducedinsuchaspectsasmechanicalconstitution,countingcircuitandcontrolsoftware.Thislinearfootswitchhasmany
advantagesincludingdistaloutput,simpleconfiguration,easyoperation,sensitiveresponseetc,andshowsextensive
prospectsforclinicalapplications.
Keywordslinearfootswitch;opticalencoder;countingcircuit;controlsoftware
自1967年美国Kelman教授首次成功地将白内障超声乳化术应
用于临床以来,由于具有切口小,术后愈合快,视力恢复快等优点.
这种技术得到了迅速推广,目前已成为治疗白内障的首选
方法
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I】1.
白内障超声乳化仪作为这种手术的必备仪器,在手术中要依次
经历注入,注入/抽吸和注入/抽吸/超声乳化等3个工作模式阶段.为
了保证手术的安全有效性和对不同患者的适应性,需要仪器做到
以下2点:(1)在注入/抽吸工作模式中,能够根据实际情况随时调整
抽吸的流率,以维持眼前房内的压力平衡,否则可能会对眼内其它
组织造成损伤;(2)在注入/抽吸/超声乳化工作模式中,可以根据不
同患者病变晶状体的不同硬度以及乳化的进程及时调整超声功率
的大小,以便安全快速地完成手术.因此,为白内障超声乳化仪配
备1种线性脚踏控制器就显得非常重要,这样就能够使仪器操作者
通过脚踏方式方便地完成对各个工作模式的操作和切换.
在ZUPE白内障超声乳化仪的研发中,我们开发了1种新型的数
字式线性脚踏控制器.它采用欧姆龙公司制造的分辨率为1200P/R
的E6B2一CWZ6C型增量式光电编码器作为传感器,测量经一齿轮传
动机构放大后的脚踏板转轴的角位移变化,并输出一系列计数脉
冲.这些脉冲经可逆计数器计数后得到的数值与转轴转过的角度
及脚踏板的位置一一对应,成线性关系.通过软件就可以利用这些
计数值方便地确定脚踏板的位置,从而使医生根据脚踏板的不同
位置在注入,注入/抽吸和注入/抽吸/超声乳化3种工作模式之间依
次切换,并对抽吸流率和超声功率进行实时线性控制.下面首先简
介线性脚踏控制器的功能,然后从机械组成,计数电路和控制软件
3个方面详细介绍它的工作原理.
1线性脚踏控制器的功能
此线性脚踏控制器有1个主脚踏板,它可围绕主轴在一定的范
作者简介:张志刚,工程师,主要从事医疗设备的研发及ZUPE白内障超
生乳化仪的研发工作.
围内旋转,考虑到操作者脚部的舒适性,脚踏板围绕主轴的旋转角
度定为15..白内障超声乳化仪的操作者需要利用脚踏控制器依次
完成注入,注入/抽吸和注入/抽吸/超声乳化这3个工作模式的操作
和转换,并对抽吸流率和超声功率实现实时线性控制.这就
要求
对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗
将
15.的转角划分为3个区间,即主脚踏板应有0,1,2,3等4个档位.分
别对应着超声乳化仪的4个工作状态.
oR时为初始状态,此时主脚踏板未被压下,白内障超声乳化
仪处于预备状态;在1档内,主脚踏板被压下且转动角度在O一5.范
围内,仪器进入第二个工作状态,即注入工作模式,以给定的注入
流率注入清洗液;在2档内,主脚踏板转动角度为5,1O.,仪器进入
第三个工作状态,即注入/抽吸工作模式,此时随着转角增大抽吸流
率能够在(O,4O)rnl/min的范围内线性增大,在此过程中注入流率保
持不变;在3档内.主脚踏板转动角度为1O,15.,仪器进入第四个工
作状态,即注入/抽吸/超声乳化工作模式.此时随着转角的增大超
声功率也能够在030W的范围内线性增大,而注入流率和抽吸流率
保持不变.
2线性脚踏控制器的工作原理
2.1线性脚踏控制器的机械组成和原理
光电编码器是1种通过光电转换将输出轴上的机械几何角位移
量转换成脉冲或数字量的传感器.按输出形式分为绝对式与增量
式2种.其中增量式光电编码器的输出是脉冲信号,它有A,B,Z三相
输出信号.A相和B相脉冲信号的相位差为9O.,根据它们的相位关
系(超前或滞后)可以判断出转轴旋转的方向.当转轴正转时,A相
脉冲波形比B相超前9O.;而反转时,A相脉冲比B相滞后9O..Z相在
编码器的转轴旋转1圈时只输出1个脉冲信号,可以将之作为增量
式光电编码器的基准位置信号,给计数系统提供1个初始的零位信
号.增量式光电编码器的转轴旋转1圈A,B相会输出固定的脉冲数,
因此.可以根据脉冲计数值来确定转轴的角位移量.这种编码器具
医疗卫生装备?2006年第27卷第6期,)
ChineseMedIcalEquipmentJournal?20O6Vo1.27No.6’.t,j
一
研究论着
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有分辨率高,机械平均寿命长,抗干扰能力强和可靠性高的优点.
是目前应用最多的角位移传感器之一.
考虑到线性脚踏控制器对角位移分辨率,体积和成本等各方面
的要求,我们选择了E6B2一CWZ6C型增量式光电编码器作为它的传
感器,它的分辨率为1200P/R,z相每转只产生1个脉冲,可作为坐标
原点使用.由于脚踏板只可转15.,若将此转动角度等比传递给光电
编码器,只可得到5O个脉冲,而控制软件需用到300个脉冲,因此,
远远不能满足线性控制的需要.
图1齿轮放大机构
1.主轴2.扇轮3.,j,齿
轮4.光电编码器轴
为了在脚踏板转动15.时能够得
到30o个脉冲.我们设计了图1所示的
齿轮传动机构将脚踏板转轴的角位
移放大.图1中的主轴1即为脚踏板的
转轴.扇轮2和脚踏板分别与其固定
连接在一起.小齿轮3的轴通过柔性
联轴器与光电编码器的转轴4固定连
接在一起.此齿轮传动机构的传动率
为1:6.这样,当脚踏板转动15.时光电编码器轴将转90.,A相和B相
各产生30o个脉冲以满足软件的需要.
小齿轮3的直径由它的齿数z和模数m确定_31.为了减小传动误
差,提高传动精度,我们选用z=40,m=0.5的齿轮作为小齿轮,其直
径d=mz=20mm.这样扇轮2的半径为R=3d=60mm,同时为了保证扇
轮2与小齿轮3在脚踏板的整个行程中始终保持正确啮合,必须使
扇轮的扇角大于15.,设计中可选扇角为25..
图2为线性脚踏控制器的结构示意图.脚踏板7的长度为20em,
它和扇轮3分别与主轴5固定连接在一起,小齿轮2的轴通过联轴器
与光电编码器的转轴固定连接在一起,并且小齿轮2和扇轮3良好
啮合.需注意的是,光电编码器安装时要保证脚踏板7一转动Z相就
输出脉冲,此脉冲将被用作计数器的启动信号.为了将脚踏板7的
角位移限定在15.左右,特别设计了2个限位柱4,8.静态时由限位
柱4限定脚踏板7的初始位置,使其平行于底板6;当脚踏板7刚被压
下时,光电编码器的Z相就输出计数器的启动信号,计数器开始计
数.软件根据计数值的大小来识别脚踏板7的角位移,进而完成相
应的控制.当脚踏板7被压到最大行程15.时,脚踏控制器箱体中的
限位柱8将挡住扇轮3.这2个限位柱的存在还防止了齿轮机构脱离
啮合的可能.在主轴5上安装一纽簧,纽簧的一端固定在主轴5上,
另一端固定在底板6上,依靠此纽簧提供脚踏板7压下后的回复力.
A.静态时B.脚踏板被压至最大行程时
图2线性脚踏控制器结构示意图
1.顶盖2_,j,齿轮3.扇轮4,8.限位柱5.主轴6.底板7.脚踏板
2.2线性脚踏控制器的计数电路及原理
E6B2一CWZ6C型增量式光电编码器具备良好的使用性能,在角
度测量时抗干扰能力很强,并具有稳定可靠的输出脉冲信号,且该
脉冲信号经计数后可得到与被测角度呈线性关系的数字信号.由
于脚踏板主轴的转动是双向的,既可顺时针旋转,也可逆时针旋
9医疗卫生装备?2006年第27卷第6期
‘-UChineseMedicaIEquipmentJoumal?2006Vol27?.6
转,因此需要对编码器的输出信号鉴相后才能计数.图3是本设计
的电路原理图,其中74LS74是双D触发器.用其中的1个D触发器和1
个与门(74LS08)组成了计数启停控制电路,用另1个D触发器和2
个
与非门(74?)组成鉴相电路.由于光电编码器的最大输出脉冲
数为30o个,所以计数电路用了3片74LS193.其数据输出D0一D8送至
数据处理电路,软件根据这些数据就可完成相应的操作.
图3鉴相计数电路
在系统上电初始化时,CLR信号对此电路进行复位,使得计数电
路的数据输出DO—D8都为零;同时双D触发器U1的输出WO为低电平,
将与f]U2A关闭,作为计数脉冲的A相信号被阻断,U2A的输出W1为
低电平,将与非f]U3A和U3B关闭,两者的输出W5和W4都为高电平;
W0为低电平也将计数电路的初值000H装入数据输出13DO—D8.
当脚踏板被压下时,首先光电编码器的Z相输出1个脉冲,它作
为计数启动信号使U1的输出W0变为高电平,令U2A打开,这样作为
计数脉冲的A相信号得以通过.继续向下压脚踏板,主轴逆时针旋
转,由于齿轮机构的传动作用,此时光电编码器的转轴顺时针旋
转,A相输出波形超前B相输出波形90.,U1的输出W2为高电平,将
U3B打开,计数脉冲通过(波形W4),送至双向计数器74LS193(U4)
的加脉冲输入端UP,进行加法计数;同时,W3为低电平,将U3A关
闭.其输出为高电平(波形W5).当松开脚踏板时主轴顺时针旋转,
由于齿轮机构的传动作用,此时光电编码器的转轴逆时针旋转,A
相输出波形比B相输出波形延迟9O.,U1的输出W2为低电平,将U3B
关闭,其输出为高电平(波形W4);同时,W3为高电平,将U3A打开,
计数脉冲通过(波形W5),送至U4的减脉冲输入端DWN,进行减法
计数.当完全松开脚踏板时,光电编码器的Z相又会输出1个脉冲,
它作为计数停止信号使U1的输出W0变为低电平,将与门U2A关闭,
作为计数脉冲的A相信号被阻断;同时W0为低电平还将计数电路
的初值000H重新装入数据输出13DO—D8.
2.3脚踏控制器的线性控制软件
E6B2一CWZ6C型增量式光电编码器的Z相脉冲还被送至白内障
超声乳化仪的主控制电路.在待机状态下主程序不断地查询Z相是
否有脉冲输出,若检测到Z相输出1个脉冲则
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
明脚踏板被压下,此
时程序转向脚踏控制器的线性控制子程序,根据计数电路得到的
计数值完成脚踏控制器的控制功能.在线性控制子程序执行的过
程当中不断地检测z相是否有脉冲输出,若有则表明脚踏板被完全
松开,此时结束线性控制子程序返回主程序.图4为脚踏控制器线
性控制子程序的流程图.
研究论着,
囱
由
申
图4线性控制子程序流程图
软件转入脚踏
控制器线性控制子
程序后,首先读取
计数电路输出的计
数值,然后判断此
计数值是否大于
100.如果小于或等
于100,则表明脚踏
板的转动角度在O
5.范围内,程序调
用注入模式控制子
程序,在此工作模
式中白内障超声乳
化仪的注入流率为
预置常量.否则进
一
步判断其是否大
于200.如果小于或等于200,则表明脚踏板的转动角度在5,1Oo范
围内,程序调用注入/抽吸模式控制子程序,在此工作模式中仪器的
注入流率为预置常量,而抽吸流率则随计数值增大而增大在1O1,
18O的计数范围内,每增加2个脉冲数抽吸流率增加lml/min.从而实
现O-40ml/min线性控制;当计数值为181200时抽吸流率稳定在
最大值40ml/min,这样可以保证对注入/抽吸模式和注入/抽吸/超声
乳化模式的转换控制明显有效.如果计数值大于200,则表明脚踏
板的转动角度在10-15.范围内,程序调用注入/抽吸/超声乳化模式
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+.+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
(....上接第24页....)
息的影响较大,优先搜索Z轴旋转可以避免局部的极值,因此,配准时
优先搜索Z轴速度最快,精度最高.
l4一一一
l36,一
l3
l26,
l2
116
a.只有平移时的MI曲线b.预设旋转量后的平移MI曲线
图4PV插值法互信息曲线
3.5配准的合理化建议
合理设置收敛阈值,采用背景阈值法,合理利用多分辨率策略,合
理设置搜索次序可以有效提高配准速度,预设旋转偏移量可以平滑
MI曲线,有效地避免局部极值.在配准像素较少时,TRI,PV插值法配
准有时不能收敛到正确的极值点,NN插值法相对鲁棒性更强
用以上改进,可以有效地避免插值赝像导致的局部极值问题.且
大大提高了互信息的配准速度,精度仍然达到了亚像素精度.
4结论
本文利用改进的互信息测度,采用改进Powell优化搜索算法进
行同模态医学图像配准.主要对互信息测度的计算公式进行改进,减
少了互信息的计算量,对Powell算法的方向替换策略进行了改进,保
持了原搜索次序,并提出了避免局部极值,提高配准速度的合理化建
:1:{爿.{I,l:?j.1:
控制子程序,在此工作模式中仪器的注入流率和抽吸流率为预置常
量,而超声功率则随计数值增大而增大.在2O129O的计数范围内.
每增加3个脉冲数超声功率增加1W,从而实现O,3OW的线性控制.
当计数值大于290时超声功率稳定在最大值30W
在后2种工作模式控制子程序的调用结束后,重新读取计数值,
并重复前述流程.在完全释放脚踏板时Z相会输出1个脉冲,我们利
用此脉冲信号作为退出脚踏控制器线性控制子程序的条件.因此,
在注入模式控制子程序的调用结束后,需检查Z相是否有脉冲输
出,如果没有则重新读取计数电路输出的计数值并重复前述流程.
如果有则退出线性控制子程序返回主程序
3总结
我们研制的数字式线性脚踏控制器,采用光电编码器作为角位
移传感器,具有数字化输出,结构简单,操作方便和反应灵敏等特
点.在实际应用中这些特点得到了充分的体现.它的成功研制,进
一
步完善了ZUPE白内障超声乳化仪的整体性能,提高了手术的安
全有效性及适应性,为产品的成功推广奠定了基础
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129-133.171—172
(2005-12—13收稿2006—05—02修回)
议,配准的结果达到了亚像素精度.fMRI[]像序列的配准限于速度问
题,目前一般采用矩和主轴的方法进行配准,使用本文改进的算法和
提高配准速度的建议进行配准.在速度上可以满足要求,因此,本文的
算法也适合RI图像序列的配准
互信息利用的图像特征是像素的灰度分布,几乎不考虑图像的空
间信息,但在计算联合灰度直方图时已经考虑了空间信息,因此.配准
后对应的解剖结构位置达到了一致
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ChineseMedicalEquipmentJoumal?2006Vol27No.6厶,