程控分布式电机驱动的超声探测柱坐标扫描装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属涉及无损检测及机械设计等领域，具体为一种用于超声探测的分布式电机驱动三维柱坐标机械扫描装置。
【背景技术】
[0002]超声探测从探头的控制方式上可以分为手动扫描探测与自动扫描探测。手动探测即用手工握持探头完成一定区域的扫描，如医学的B超检测。手动扫描探测灵活方便，但是无法精确控制探头在三维空间中的位置并进行量化，因此难于进行多区域图像合成拼接成像。机械扫描方式基于程控机械装置带动超声探头在一定空间内进行扫描，探头每次移动的坐标精确可控，其探测的结果方便后期高精度合成拼接成像。
[0003]机械扫描装置是完成自动扫描的核心部件之一，为使得移动端的探头在空间的坐标已知，这种装置一般基于某种坐标体系设计，常见的有柱坐标和直角坐标。例如公布专利CN104786215A，CN1258590等是基于圆柱坐标的机器人或机械臂。但是这些基于圆柱坐标装置的中心设有转轴并且作为底座支持整个装置，其结构示意图如图1所示(来源:专利CN104786215A附图)。这样中轴所在的底座占用区域是扫描移动端探头无法到达的，即形成扫描盲区。另外，这种依靠中心转轴驱动机械臂的装置，当机械臂比较长时，机械臂对于中轴处的作用力矩较大，因此转动机械臂所需扭矩较高，造成电机的成本高，体积大。
[0004]基于直角坐标系的装置不存在中心轴，可避免中轴区域扫描盲区问题，但是基于直角坐标系的扫描装置要给扫描移动端上的电机、电路板及其他附属模块预留出相应的空间，当探头扫描到待测区域边缘时，附属电路等模块会移出待测区域，使得整个装置占用的区域变大。而基于柱坐标系的装置中，只要探头径向的有效移动距离大于半径，便可以通过旋转覆盖整个扫描圆面，其余地方均可以放置附属电路模块而不影响扫描的有效区域，即装置的有效扫描面积与整个装置占用的面积相比，基于柱坐标的比值更大。为了更清楚的解释这一点，我们结合图2进行解释:图2中分别列出了基于直角坐标和基于圆柱坐标的一个二维扫描平面。图中附属模块与扫描探头会随着机械装置移动，而扫描探头经过的区域便是有效扫描区域。直角坐标系中，当探头移动到扫描区域的左端和底端时，附属模块会移出扫描区域，因此整个装置需为这个附属模块经过的非扫描区域预留空间。而圆柱坐标中，由于探头的移动是旋转的，附属模块占据的区域，可以通过旋转使扫描探头覆盖。实际上，图2中圆柱坐标情况下的附属模块可以更大，只要保证扫描探头的有效移动距离覆盖圆心到圆周(即半径)的长度，便可以通过以圆心为轴旋转覆盖整个圆面。这样就给电机、电路板等留下更多空间，便于扫描装置一体化，减少其装置整体的体积。
[0005]总结现有机械扫描装置，主要由以下不足:
(I)现有基于圆柱坐标的机械扫描装置的中轴区域为扫描盲区，且对提供中轴动力的电机扭矩要求高。
[0006](2)基于直角坐标的机械扫描装置有效扫描区域相较于装置占用的范围比例不高，不适合装置的一体小型化。
【发明内容】
[0007]本发明所述的程控分布式电机驱动超声探测机械扫描装置主要分为机械扫描模块，程控驱动模块以及超声探测模块组成。
[0008]上述的机械扫描模块基于柱坐标体系，其机械装置中移动端的自由度，对应于图3所示的柱坐标参数，分别为:角维度0、半径维度^高度1!。三个自由度模块分别通过各自的机械驱动模块实现位移，进而实现探头端(P点)在装置内部(图中虚线圆柱体)各个位置的扫描。下面说明各个运动自由维度模块:
角维度模块负责控制参数Θ，其主要特征为:由一个内沿具有齿槽的圆环与内部多个小齿轮及其他固定装置组成，内部多个小齿轮分别由各自的电机带动，通过咬合圆环中内环的齿槽，带动内部整体旋转，从而控制角维度参数Θ。外环上设有螺纹开孔，与后文介绍的高度模块的螺杆相咬合，实现垂直位移。
[0009]半径维度模块负责控制参数r，其主要特征为:由螺杆旋转驱动螺杆上的移动端沿螺杆的轴向(即整体装置的径向)移动。螺杆的旋转可由多个分布式电机同时带动，从而分散每个电机对扭矩的需求。
[0010]高度模块负责控制参数h，其主要特征为:有多个螺杆分布在装置整体的外围，从前文所述角维度模块中外环的螺纹开孔中穿过并咬合。多个螺杆由各自的电机同时带动，从而能使与其咬合的外环上下移动。另外，为了方便实际过程中的使用，垂直移动模块还添加了手动调节功能，通过顶部的手动旋钮，与周围若干个螺杆上的小齿轮咬合，带动小齿轮与螺杆的旋转实现垂直方向的运动。
[0011]上述的程控驱动模块，负责给各个步进电机发送驱动信号，控制电机顺时针/逆时针转动及转动步数，从而带动角维度、半径维度，高度机械模块的运动，实现自由端在整个机械装置扫描范围内的位移。
[0012]上述超声探测模块，有一超声探头，与机械模块的运动端固定在一起，探头垂直向下(-Z轴方向)发射探测超声波，随着机械扫描模块的自由端运动，实现对装置底部接触物体的探测。其中角维度和半径维度的运动使得探头可以完成某一圆形平面内的探测，高度的运动能够调节探头距离探测物体的高度，从而控制探头发射的超声波焦点在被测物体内的位置。
[0013]程控驱动模块、信号处理模块通过无线通信方式连接机械扫描装置，实现远程操控机械装置和后台的信号处理成像。
[0014]发明所述的超声探测自动扫描装置有如下特点:
(I)无需中轴作为基座，因而避免了设置中轴后存在的扫描盲区。
[0015](2)每个机械自由度都由多个电机驱动，分散了每个电机对驱动扭矩需求，并且多个电机的精度误差叠加后可以相互抵消，增加了装置的扫描运动精度。
[0016](3)扫描的有效区域与装置占用的区域比值高，便于一体化集成设计。
【附图说明】
[0017]图1为现有基于柱坐标机械臂扫描盲区示意图。
[0018]图2为基于直角坐标与圆柱坐标扫描装置扫描区域对比图。
[0019]图3为圆柱坐标系不意图。