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重离子治癌装置治疗室与其机器人坐标系的统一

高永维 陈文军 姚俊杰 朱新龙 赵宁 张旭东 张文峰 鞠鹏

高永维, 陈文军, 姚俊杰, 等. 重离子治癌装置治疗室与其机器人坐标系的统一[J]. 强激光与粒子束, 2023, 35: 064002. doi: 10.11884/HPLPB202335.220313
引用本文: 高永维, 陈文军, 姚俊杰, 等. 重离子治癌装置治疗室与其机器人坐标系的统一[J]. 强激光与粒子束, 2023, 35: 064002. doi: 10.11884/HPLPB202335.220313
Gao Yongwei, Chen Wenjun, Yao Junjie, et al. Coordinate unification between treatment room and the robot system of Heavy Ion Medical Machine[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2023, 35: 064002. doi: 10.11884/HPLPB202335.220313
Citation: Gao Yongwei, Chen Wenjun, Yao Junjie, et al. Coordinate unification between treatment room and the robot system of Heavy Ion Medical Machine[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2023, 35: 064002. doi: 10.11884/HPLPB202335.220313

重离子治癌装置治疗室与其机器人坐标系的统一

doi: 10.11884/HPLPB202335.220313
基金项目: 国家自然科学基金项目(12275326)
详细信息
    作者简介:

    高永维,gaoyongvei@163.com

  • 中图分类号: TL56

Coordinate unification between treatment room and the robot system of Heavy Ion Medical Machine

  • 摘要: 治疗室与其机器人是重离子治疗装置(HIMM)精准治疗系统的重要组成部分,为了提升重离子放疗过程中患者摆位的精度和效率,研究一种使用激光跟踪仪和其配套软件SA将运载治疗床的机器人基座坐标系与治疗室坐标系统一的方法,通过图形拟合的方法确定了标定点在法兰盘坐标系中的坐标;通过数学模型的搭建完成了机器人法兰盘坐标系和基座标系之间的坐标变换;利用SA软件中最佳拟合算法求出了治疗室坐标系与机器人坐标系之间的变换矩阵,完成了坐标系的统一。在HIMM中的实际应用表明,坐标系的统一方法的使用不但简化了标定点在法兰盘中心坐标系中坐标的标定,简化了法兰盘中心坐标系和基座标系转换的计算过程,而且标定精度良好、效率更高,更加符合重离子精准治疗系统及其他工业应用。
  • 图  1  治疗室机器人及治疗床

    Figure  1.  Treatment room robot and treatment bed

    图  2  机器人法兰盘中心坐标系创建

    Figure  2.  Robot flange center coordinate system created

    图  3  坐标系转换前后的误差对比

    Figure  3.  Error comparison before and after the conversion of the coordinate system

    表  1  示教器上法兰盘中心位姿参数

    Table  1.   Center position parameters of the flange on the teach pendant

    No.x/mmy/mmz/mmA/(°)B/(°)C/(°)
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}1 $764.931378.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}2 $964.931378.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}3 $964.931578.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}4 $764.931578.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}5 $564.931578.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}6 $564.931378.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}7 $564.931178.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}8 $764.931178.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}9 $964.931178.01−2187.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}10 $964.931178.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}11 $964.931378.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}12 $964.931578.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}13 $764.931578.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}14 $564.931578.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}15 $564.931378.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}16 $564.931178.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}17 $764.931178.01−1987.06000
    $ {P}_{{\rm{B}}}^{{\rm{E}}}1 $8764.931378.01−1987.06000
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    表  2  标定点在治疗室{ISO}坐标系中的坐标

    Table  2.   Coordinates of the calibration point in the ISO coordinate system of the treatment room

    No.x/mmy/mmz/mm
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $1−817.51−638.78−485.96
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $2−1017.28−639.84−485.32
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $3−1016.9−640.17−285.34
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $4−817.03−639.09−285.97
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $5−617.22−637.97−286.48
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $6−617.58−637.71−486.5
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $7−617.95−637.39−686.42
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $8−817.79−638.49−685.91
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $9−1017.65−639.55−685.27
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $10−1018.77−439.62−684.97
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $11−1018.44−439.89−484.95
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $12−1017.99−440.14−285.03
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $13−818.09−439.06−285.59
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $14−618.24−438.03−286.13
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $15−618.62−437.72−486.17
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $16−619−437.44−686.15
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $17−818.92−438.51−685.54
    $ {P}_{{\rm{ISO}}} $18−818.58−438.8−485.58
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    表  3  标定点在机器人基座标系下的坐标

    Table  3.   Coordinates of the calibration point under the robot base system

    No.x/mmy/mmz/mm
    $ {P}_{{\rm{B}}} $1916.261122.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $21116.261122.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $31116.261322.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $4916.261322.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $5716.261322.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $6716.261122.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $7716.26922.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $8916.26922.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $91116.26922.57−1930.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $101116.26922.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $111116.261122.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $121116.261322.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $13916.261322.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $14716.261322.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $15716.261122.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $16716.26922.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $17916.26922.57−1730.1
    $ {P}_{{\rm{B}}} $18916.261122.57−1730.05
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    表  4  坐标转换精度

    Table  4.   Coordinate conversion accuracy

    Δxmax/mmδRMS-xΔymax/mmδRMS-yΔzmax/mmδRMS-zΔMag-max/mmΔRMS-mag/mm
    0.260.140.060.030.150.090.30.16
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-09-29
  • 修回日期:  2023-03-09
  • 录用日期:  2023-04-17
  • 网络出版日期:  2023-04-13
  • 刊出日期:  2023-05-06

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