[发明专利]一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于机械臂运动学领域，尤其是涉及一种五轴治疗床的逆解工程及轨迹规划算法。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明的上述技术问题是通过下述方案得以解决的：

由下述三个步骤组成：病灶空间坐标定位方法、治疗床运动学逆解算法、高效轨迹规划算法。

(1)所述的步骤病灶空间坐标定位方法，将肿瘤精准定位到靶区中央，实现最佳的治疗效果，包括以下步骤：

a)影像设备确定肿瘤坐标O_C与病患头顶坐标O_H的相对位置

b)治疗床躺板上的头部一端安装有激光测距传感器，确定病患头顶坐标O_H与治疗床躺板固定坐标O_B的相对位置

c)肿瘤抵达靶区，肿瘤所在位置O_C与靶区中央坐标O_G重合，即得到治疗床躺板固定坐标O_B与靶区中央坐标O_G的相对位置，

d)靶区O_G与五轴治疗床基座O₀的相对位置为固定参数，得到：

(2)所述的治疗床运动学逆解算法，实现机械臂逆运动学的快速求解，是后续的高效轨迹规划的重要基础，包括以下步骤：

a)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；

b)求解得到治疗床躺板固定坐标O_B相对五轴治疗床基座O₀的位置变换矩阵：

其中：

o＝-cos(θ₁+θ₂+θ₅)；r＝-sin(θ₁+θ₂+θ₅)；u＝0