[發明專利]全自由度調節的掃描裝置及運動建模方法及控制方法

有效

• 申請號: 201910095746.8
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109765937B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 袁菁;陳鍵偉;劉廣才;龔輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學蘇州腦空間信息研究院
• 主分類號: G05D3/10
• 分類號: G05D3/10
• 代理公司: 杭州宇信知識產權代理事務所(普通合伙) 33231
• 代理人: 張宇娟

本發明公開了一種全自由度調節的掃描裝置及運動建模方法及控制方法，屬于光學與精密機械領域。所述運動建模方法包括步驟S1、獲得待掃描樣品目標位置相對初始位置在六個自由度的改變量；步驟S2、計算產生所述六個自由度的改變量需要各金屬球的位移；步驟S3、計算各金屬球的位移沿對應直線導軌方向以及Z軸方向的投影，從而獲得六個線性促動器的位移。本發明能夠實現高精度、多模式掃描目的，結構緊湊，通過選配合適的促動器，可動態調節掃描速度與掃描范圍。

技術領域

本發明涉及光學與精密機械領域，尤其涉及一種全自由度調節的掃描裝置及運動建模方法及控制方法。

背景技術

在光學與精密機械領域，特別是在顯微成像領域，精密掃描器件有著廣泛的應用。在顯微成像領域，為獲取組織三維完整信息，需要采用點掃描成像或者線掃描成像方式，通過平臺移動帶動樣本，進行遍歷掃描/柵格掃描，捕獲單個平面信息；然后平臺帶動樣品沿z軸提升，重復前一步驟，繼續獲取不同深度的平面信息；如此重復，直至獲取組織完整三維信息。傳統的三維掃描平臺體積過大，往往無法集成到商業顯微鏡中。對于一些特殊的應用場景，比如只對離散的幾個感興趣區域(Region of interest,ROI)進行信息獲取，則只需要對關心區域進行掃描。常規的光學掃描裝置比如多面鏡掃描(Polygon mirror)和共振掃描(Resonant scanner)，只能進行遍歷掃描，無法滿足需求。振鏡(Galvanometer)可在平面上進行隨機掃描，但掃描速度較慢。聲光偏轉器(Acousto-optic deflector)和電光偏轉器(Electro-optical deflector)雖能進行快速隨機掃描，但掃描范圍非常有限。當對樣品空間離散的幾個區域進行不同角度的掃描時，需要通過一個具有六個自由度的掃描器件來實現。PI公司的六桿聯動六軸平臺可以實現全自由度的掃描，但是其價格較為昂貴，而且其一般基于直線電機驅動，無法實現快速掃描。

發明內容

鑒于此，本發明提供了一種全自由度調節的掃描裝置及運動建模方法及控制方法，能夠實現高精度、多模式掃描目的，結構緊湊，通過選配合適的促動器，可動態調節掃描速度與掃描范圍。

為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種全自由度調節的掃描裝置，包括頂蓋和底座，所述頂蓋的一面設置有三個耐磨損的金屬球，所述頂蓋的另一面安裝待掃描樣品，所述底座上設置有可拆卸的提供一維直線運動的三組線性促動器，三組所述線性促動器呈三角形分布在底座上，每組中的兩個所述線性促動器之間設置有直線導軌，所述直線導軌安裝在底座上，在所述直線導軌上設置有采用耐磨損材料制作的可滑動的兩個斜面零件，每一對斜面零件構成一個V型槽，三個所述金屬球放置在對應的V型槽中，通過六個線性促動器帶動斜面零件沿著直線導軌運動，以改變V型槽的開口大小以及位置從而改變頂蓋的空間位置。

其中，三組所述線性促動器呈正三角形分布在底座上。

其中，所述斜面零件的斜面端用于構成V型槽，所述斜面零件的另一端與所述線性促動器接觸連接。

一種全自由度調節的掃描裝置的運動建模方法，包括：

步驟S1、獲得待掃描樣品目標位置相對初始位置在六個自由度的改變量；

步驟S2、計算產生所述六個自由度的改變量需要各金屬球的位移；

步驟S3、計算各金屬球的位移沿對應直線導軌方向以及Z軸方向的投影，從而獲得六個線性促動器的位移。

其中，所述步驟S1中的六個自由度改變量，記為x，y，z，θ_x，θ_y，θ_z；

所述步驟S2，包括：

步驟S21、計算角度旋轉θ_x，θ_y，θ_z導致的金屬球的位置變化，變化前位置為a,b,c，變化后位置為a',b',c'；