Brevet FR2507794A1 — publié le 19821217

J UL/Vil ASSERVISSEMENT PAR ULTRASONS D'ELEMENTS MECANIQUES EN POSITION RELATIVE MAITRE-ESCLAVE ET APPAREIL DE RADIOLOGIE COMPORTANT UN TEL ASSERVISSEMENT La présente invention concerne un asservissement par ultra- sons d'éléments mécaniques en position relative maître-esclave et un appareil de radiologie comportant un tel asservissement. Elle trouve application en particulier en radiologie o un opérateur amène une source de rayonnement en une position et o il s'agit d'aligner un détecteur de l'image radiologique avec la source. La présente invention trouve application dans les domaines de l'asservissement de position relative. Dans l'art antérieur, il est connu d'utiliser les ultrasons pour commander des déplacements d'éléments mécaniques Ces éléments mécaniques sont de type porteur de capteurs qui reçoivent des ordres de télécommande par ultrasons La saisie des données de distance de l'élément mécanique asservi à un point origine se fait par mesure de réflexion d'écho Un écho émis par une sonde émettrice se réfléchit sur l'élément mécanique et revient au bout d'un certain temps dont la mesure indique la position absolue trouvée de l'élément mécanique asservi De tels dispositifs pour une précision satisfaisante exigent une électronique coûteuse et abon- dante C'est un avantage, de la présente invention de simplifier notablement l'électronique de commande et d'améliorer la précision relative de ces asservissements. Des solutions de mesure de distance par faisceau d'ultrasons aériens ont été développés particulièrement pour la mise au point des focales des objectifs photographiques La télécommande d'ap- pareils électroménagers comme les téléviseurs par des aériens ultrasonores est bien connue L'application de telles méthodes à asservissement métrique avec une précision inférieure au millimètre implique des codages de signaux sur plusieurs dizaines d'éléments binaires, ce qui conduit à un alourdissement de l'électronique C'est un avantage de la présente invention de permettre de réduire considérablement le nombre des éléments binaires à traiter pour des précisions fortes même pour des déplacements de plusieurs mètres. L'invention est particulièrement avantageuse pour ses capa- cités d'adaptation à résoudre toutes sortes de problèmes Plus parti- culièrement en radiologie, il est connu que l'alignement de deux éléments mécaniques mobiles est un problème difficile C'est le cas d'une source de rayons X qui doit être positionnée avec une précision sur l'optique de réception d'un magasin porte-cassettes de film radiologique La présente invention permet un alignement de ces deux éléments avec une bonne précision sans entraîner une augmen- tation de la taille des moyens électroniques. En effet, la présente invention, un asservissement par ultra- sons d'éléments mécaniques en position relative, chacun des élé- ments mécaniques étant m s par des moyens moteurs sur des moyens de guidage, comporte des sondes ultrasonores qui mesurent les positions respectives des différents éléments L'asservissement comprend aussi des moyens de positionnement d'éléments mécani- ques maîtres, des circuits de mesure des positions relatives d'élé- ment mécaniques esclaves aux éléments mécaniques maître auxquels ils sont associés, des circuits de commande des moyens moteurs des éléments mécaniques esclaves et des moyens pour positionner les éléments mécaniques esclaves sur des positions image des positions des éléments mécaniques maître. D'autres avantages et caractéristiques vont être dégagés à l'aide de la description et des figures qui sont: la figure 1, un schéma d'un asservissement de positions relatives selon l'invention, la figure 2, des diagrammes de fonctionnement de l'asservis- sement selon la figure 1, la figure 3, un mode de réalisation d'un cicuit de l'asservis- sement décrit à la figure 1, la figure 4, un schéma d'une variante d'un asservissement selon l'invention. A la figure 1, est représenté un asservissement de positions relatives selon l'invention Dans un tel dispositif, les éléments maître et esclave sont des éléments mécaniques mobiles sur des moyens de guidage Ils ont été schématisés par un élément maître 1 se déplaçant sur un moyen de guidage 7 et par un élément mécanique esclave 2 se déplaçant sur un moyen de guidage 8 Pour des facilités de compréhension, les moyens de guidage ont été supposés rectilignes et parallèles De plus, chaque point de l'un des moyens de guidage 7, 8 peut être considéré comme la projection orthogonale d'un point du moyen de guidage qui lui fait face Ainsi, dans cette figure chaque point d'un des moyens de guidage représen- tant une position de l'élément mécanique qui se déplace admet une image correspondante par projection orthogonale sur les moyens de guidage qui lui fait face Des sondes ultrasonores 3 et 4 sont fixées aux moyens de guidage 7 et 8 La sonde 3 est associée à l'élément mécanique maître 1 Elle émet et reçoit un faisceau ultrasonore 5 qui se réfléchit sur un dispositif réflecteur porté par l'élément maître Cet élément réflecteur peut être constitué par une face de l'élément mécanique Il peut être constitué aussi par un dispositif annexe relié à l'élément mécanique correspondant Pour un bon fonctionnement du dispositif, il est nécessaire que la surface de chaque réflecteur soit sensiblement normale à la direction de l'incidence du faisceau ultrasonore 5 Le faisceau ultrasonore se réfléchissant, doit intercepter la sonde émettrice La sonde 4 est associée à l'élément mécanique esclave 2 Pour simplifier le schéma, la position de la sonde 4 est l'image par projection orthogonale de la position de la sonde 3 Sur la figure 1, est schématisée une position relative des éléments maître 1 et esclave 2 repérés par une distance Dl de l'élément maître à la source 3 et par une distance D 2 de l'élément esclave 2 à la sonde 4 Dans les dispositifs de l'art antérieur, l'asservissement de positions de chacun des éléments est déterminée par la connaissance des distances Dl et D 2 Dans le cas des distances supérieures au mètre, le nombre d'éléments binaires de codage pour le traitement de ces données est très important et alourdit donc considérablement l'électronique de service Afin de réduire cette électronique, la présente invention propose de mesurer la distance relative de l'élément esclave à l'élément mattre. Les sondes 3 et 4 peuvent être du type à émission-réception. Une telle sonde comporte un générateur d'impulsions et un circuit de détection Elle comprend aussi un commutateur électronique qui commute la sonde périodiquement sur le générateur d'impulsions puis sur le circuit de détection. A la figure 2, le diagramme a schématise un tel fonction- nement Le créneau 15 A indique que le commutateur électronique de la sonde a été placé en position émission Le générateur d'impulsions, pendant la durée de ce créneau, émet sur la sonde un train d'impulsions électroniques qui excite par exemple un cristal piézoélectrique Le cristal émet une onde ultrasonore qui peut comporter une pluralité de fréquences de l'ordre de 40 à 60 kilohertz pour une bonne propagation dans l'air Après le créneau 15 A, la sonde est commutée en position réception A la figure 2, la réception d'un écho sur une telle sonde est figurée au diagramme b par un créneau 17 B Un temps t I s'est écoulé entre l'émission 15 A d'ondes ultrasonores et la réception 17 B de l'écho réfléchi par le réflecteur de l'élément mécanique associé Une fois émise, l'onde ultrasonore parcourt pendant le temps t I la distance séparant la sonde au réflecteur soit Dl, puis le retour du réflecteur à la sonde. La distance parcourue par le front d'ondes est donc deux fois la distance séparant la sonde de l'élément mécanique associé Le temps t I est donc une mesure de cette distance Dl Le circuit de réception de chaque sonde 3, 4 est connecté à un circuit de mesure des positions relatives 9 L'élément maître 1 est entraîné par un moteur dont le fonctionnent est commandé par un circuit de commande de positions 12 Ce circuit de commande de positions 12 peut être manipulé par l'opérateur qui amène l'élément mécanique maître au point de fonctionnement désiré L'élément mécanique esclave 2 est mû par un moteur Il sous l'alimentation d'un circuit de commande 13 qui reçoit d'une part une donnée de position image fournit par un circuit 14 de position image, et d'autre part, par le circuit de mesure des positions relatives 9. Le circuit de position image 14 comporte un organe d'entrée d'image de la position de l'élément mécanique maître 1 Cet organe peut comprendre un clavier de fonctions appelées par l'utilisateur. En particulier, l'utilisateur peut utiliser des points images par projection orthogonale Mais il peut aussi disposer d'autres transfor- mations comme les rotations, les affinités orthogonales et les homothéties En particulier, il peut définir une image composite consistant par exemple en une projection orthogonale de la position du maître sur le rail de guidage 8 de l'esclave suivie d'une trans- lation d'une quantité affine donnée sur ce rail qui définit une position image particulière de la position du maître Cette position image sera la position prise en compte par l'asservissement selon l'invention et la position finale de l'esclave. Le fonctionnement de l'asservissement de la figure 1 va maintenant être expliqué à l'aide de la figure 2 Le diagramme a représente la suite des trains d'impulsions émis par la sonde 3, la diagramme c représente une suite synchrone d'impulsions émises par la sonde 4 Dans le cas de la figure 1, l'onde ultrasonore émise par la sonde 4 est réfléchie et crée sur le diagramme d un écho 17 D. L'élément mécanique maître 1 ayant été représenté à une plus grande distance de sa sonde associée l'écho 17 B du train d'ondes ultrasonores émises 15 A est reçu plus tard Les échos 17 B et 17 D sont fournis sous forme de signaux électriques par les circuits de détection des sondes 3 et 4 au circuit de mesure des positions relatives qui élaborent un créneau 18 du diagramme e dont le front montant est déclenché par l'apparition du premier écho 17 D et dont le front descendant est crée par l'apparition de l'écho 17 B, second écho reçu La durée T de ce créneau correspond à la différence de temps tl t 2 de réception entre les échos 17 B et 17 D Le temps T est donc une mesure de la position relative dl d 2 de l'élément mécanique esclave 2 sur la position de l'élément mécanique maître 1 A la fin de la séquence, une nouvelle série d'impulsions 16 A, 16 C peut être lancée Le temps séparant deux impulsions successives A, 16 A doit correspondre à la plus grande distance possible entre la sonde 3 et l'élément mécanique asservi Le circuit de mesure des positions relatives 9 fournit au circuit de commande 13 d'une part, l'ordre de mise en circuit du moteur 11 et d'autre part, le sens du déplacement de l'élément mécanique esclave 2. A une valeur limite D, fournit par le circuit 14 de position image, le circuit de commande 13 du moteur Il de l'élément mécanique esclave 2 donne l'ordre au dit circuit 13 d'arrêter l'alimentation du moteur L'asservissement de la position de l'élé- ment mécanique esclave 2 à la position image fournie par l'élément mécanique maître 1 est réalisé Dans le cas o l'on désire un alignement de l'élément mécanique esclave 2 sur l'image projection orthogonale de la position de l'élément mécanique maître 1, il suffit dans le cas de la figure 1 que le temps T soit rendu aussi petit que possible Le circuit de commande 13 alimente dans ce cas le moteur 11 jusqu'à ce que le temps t 2 de réception de l'écho 17 D soit égal à la précision près au temps tl de l'écho 17 B. A la figure 3, est présenté un mode de réalisation particulier d'un circuit de mesure des positions relatives 9 Chacun des signaux d'échos 21 et 22 est présenté simultanément aux entrées de deux circuits 19 et 20 Le circuit 19 est un circuit de détection du sens du déplacement à appliquer à l'élément mécanique esclave 2 En effet, dans le cas des déplacements linéaires, le sens du déplacement doit tendre à réduire la distance séparant l'élément mécanique maître de l'élément mécanique esclave Dans un mode particulier de réali- sation, un tel circuit peut être constitué par une bascule JK Chacun des sens de rotation est alors codé par un 1 ou un O selon le code déterminé de construction Le circuit 20 est un circuit de mesure de l'intervalle de temps séparant l'apparition des deux signaux d'échos. Un tel circuit peut comprendre une bascule de type RS qui change d'état à chaque transition sur l'une ou l'autre de ses entrées Sa sortie élabore un créneau de tensions logiques analogue au créneau 18 du diagramme e de la figure 2 Dans un mode particulier de réalisation, o il est nécessaire de mettre ce créneau de tension 18 sous le forme d'un nombre binaire, il est proposé de faire rentrer la sortie de la bascule 20 sur une porte ET 25, de façon à valider la sortie d'un oscillateur 26 à haute fréquence Quand le créneau 18 monte, un train d'impulsions est fournit sur la sortie 24 de la porte ET Quand le créneau retombe, la porte est bloquée et la tension de sortie retombe au niveau bas Un compteur pourra permettre de mesurer ainsi l'intervalle de temps T durée du créneau 18. Dans une variante d'exécution particulière, l'oscillateur 26 peut être connecté aux sondes 3 et 4 par l'intermédiaire d'un commutateur électronique d'émission-réception unique Seuls les circuits de détection seront particulier à chacune des sondes Une telle disposition permet d'assurer que les créneaux 15 A et 15 C de la figure 2 seront bien synchrones au cours du temps. Dans une variante particulière d'exécution, le moteur 11 est un moteur du type pas à pas Dans un tel moteur, il est nécessaire de fournir des rampes de tension préprogrammées de façon à mener le moteur dans une position particulière Un circuit de commande comportera alors un générateur d'adresses dont l'entrée corres- pondra à la sortie 24 de la porte ET 25 du circuit de mesure des positions relatives 9 La sortie du compteur sera la traduction binaire du nombre d'impulsions fournies par l'oscillateur 26 pendant la durée T du créneau 18 Cette sortie sera connectée au bus d'entrée d'adresses d'une mémoire PROM Chaque adresse de cette mémoire comportera la valeur instantanée de la tension au cours de l'incrémentation du compteur Le compteur, en effet, présentera comme adresse, un nombre variant de 1 à N si le créneau 18 permet de fournir N oscillations. Comme la période d'une oscillation est l'image d'un pas en distance d'asservissement, il est possible de rentrer dans la PROM une courbe vitesse de rotation du moteur Il en fonction de la distance relative de l'esclave à la position image du maître, de façon par exemple à ce que le moteur 11 permette d'amener l'élément mécanique esclave à sa position asservie avec une vitesse nulle La boucle d'asservissement est alors nécessairement ouverte, ce qui assure une bonne stabilité du système. Dans le cas o le moteur 11 est du type pas à pas, la mémoire programmable PROM sera suivie d'un convertisseur numérique ana- logique puis d'un convertisseur tension fréquence Le circuit de commande du moteur 11 peut comporter plusieurs mémoires PROM sélectionnées selon les désirs de l'utilisateur qui choisira ainsi une courbe de réponse de l'asservissement optimisée en fonction des conditions mécaniques Dans une autre variante, la correspondance entre l'asservissement et la distance relative asservie peut être une relation entre l'excitation du moteur 11 en fonction de la distance relative asservie avec des paramètres de construction La mémoire peut alors être remplacée par un processeur. Dans une variante particulière de réalisation, le faisceau ultrasonore aérien libre à l'air est enfermé dans un guide d'ondes creux Ce guide d'onde creux a une forme compatible avec celle du trajet que devra parcourir l'élément mécanique auquel il est associé. Le guide d'onde permet d'améliorer la sensibilité de la chaîne d'asservissement dans le cas o l'élément mécanique asservi est à grande distance de la sonde Le réflecteur associé à l'élément mécanique sera intérieur au guide d'onde Il sera relié à l'élément mécanique par un bras ou par un moyen électro-mécanique Dans le cas o la liaison réflecteurélément mécanique est assurée par un bras, le guide d'onde sera fendu pour permettre le passage du bras vers l'intérieur du guide d'onde Une telle disposition permet d'asser- vir des éléments mécaniques sur des trajets non rectilignes Des circuits de discrimination de mode connus en eux-mêmes doivent alors être associés au circuit de détection de chaque sonde. A la figure 4 est représentée une variante d'exécution d'un asservissement selon l'invention Dans un tel dispositif, la fonction réception de chaque sonde a été transportée sur l'élément méca- nique asservi lui-même Ceci permet d'augmenter la cadence de la mesure et d'améliorer ainsi la précision Sur chaque voie maître- esclave, on trouve un émetteur 31 ou 32 qui envoie un faisceau ultrasonore sur un capteur 29 ou 30 Chacun des capteurs 29 ou 30 est lié à un élément mécanique 27 ou esclave 28 Chacun des éléments mécaniques 27 ou 28 est guidé sur un rail 270 ou 280. Chacun des signaux de détection sera reçu par un amplificateur 33 ou 34 de mise en forme du signal piézoélectrique Chacune de leurs sorties est connectée à un circuit 35 de commande Ce circuit de commande 35 comporte un oscillateur dont une sortie 351 est validée par un circuit analogue au circuit 19 La sortie 351 peut servir de commande des moyens moteurs de l'élément mécanique esclave 28 non représentés sur la figure 4 Une sortie spéciale 350 de l'oscillateur peut être validée par un monostable initialisé par la réception du second des deux signaux de détection Les impulsions fournies par l'oscillateur seront transmises pendant le temps d'action du monostable simultanément aux émetteurs 31 et 32 de l'onde ultrasonore Quand le monostable retombera, les émetteurs 31 et 32 redeviendront silencieux Ils seront réactivés seulement quand le second des deux signaux de détection sera reçu Ce dispositif permet d'assurer un synchronisme à l'émission de l'asservissement. La présente invention peut trouver de nombreuses applica- tions En particulier, il est possible que l'élément mécanique maître soit un élément fixe L'opérateur affichera seulement la position image que devra recopier l'élément mécanique esclave La sonde 3 de la figure 1 servira ainsi d'étalonnage à l'asservissement La sonde 4 permettra de régler la position de l'élément mécanique esclave 2 à une distance prédéterminée de l'image de l'élément fixe maître 1. Dans une autre application, le faisceau ultrasonore comportant des fréquences convenables, sera intercepté par les extrémités du corps d'un patient Le système de mesure permettra de positionner un tomodensitomètre sur un organe à imager En effet, il est connu que le rapport de la distance d'un organe aux deux extrémités du corps humain est à peu près une constante selon les individus La connaissance de la position de la tête et des pieds sera donc suffisante pour connaître la position relative de n'importe quel organe à la position instantanée du système d'acquisition de données tomodensitométriques. La présente invention trouve application dans tous domaines d'asservissements de positions o il s'agit de recopier une position particulière. REVENDICATIONS 1 Asservissement par ultrasons d'éléments mécaniques en positions relatives, chacun des éléments mécaniques ( 1, 2) étant mû par des moyens moteurs ( 10, 11) sur des moyens de guidage ( 7, 8), les positions respectives des différents éléments étant mesurées par des sondes ultrasonores ( 3, 4), caractérisé en ce que l'asservissement comporte des moyens de positionnement ( 12) d'éléments mécaniques maîtres ( 1), des circuits de mesure ( 9) des positions relatives d'éléments mécaniques esclaves ( 2) aux éléments mécaniques maî- tres ( 1) auxquels ils sont associés, des circuits de commande ( 13) des moyens moteurs ( 11) des éléments mécaniques esclaves ( 2) et des moyens ( 14) pour positionner les éléments mécaniques esclaves ( 2) sur des positions images des positions des éléments mécaniques maîtres ( 1). 2 Asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sondes ultrasonores ( 3, 4) sont du type à propagation dans l'air. 3 Asservissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque sonde ( 3, 4) est du type à émission- réception et en ce qu'elle comporte des moyens de commutation électronique sur un générateur d'impulsions d'excitation à fréquen- ces prédéterminées et sur un circuit de réception du signal ultra- sonore. 4 Asservissement selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément mécanique asservi ( 1, 2) comprend un réflecteur de l'onde ultrasonore dont la surface est sensiblement normale à la direction d'incidence de l'onde. Asservissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit ( 9) de mesure des positions relatives comporte une entrée ( 21) du signal de réception de la sonde de mesure ( 3) de la position de l'élément mécanique maître ( 1) et une entrée ( 22) du signal de réception de la sonde de mesure ( 4) de la position de l'élément mécanique esclave ( 2) qui sont connectées aux bornes d'entrée d'un circuit ( 19) de détection du sens de déplacement à appliquer à l'élément mécanique esclave ( 2) et aux bornes d'entrée d'un cicuit de mesure ( 20, 25, 26) de l'intervalle de temps séparant l'apparition des deux signaux de réception. 6 Asservissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit ( 19) de détection du sens du déplacement est une bascule dite JK. 7 Asservissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit ( 20, 25, 26) de mesure de l'intervalle de temps séparant l'apparition des deux signaux de réception comprend une bascule ( 20) qui, change d'état à chaque transition sur l'une ou l'autre de ses entrées. 8 Asservissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit ( 20, 25, 26) de mesure de l'intervalle de temps séparant l'apparition des deux signaux de mesure comprend une bascule ( 20) qui change d'état à chaque transition sur l'une ou l'autre de ses entrées dont la sortie est connectée sur une porte ET ( 25) qui reçoit aussi les impulsions d'un oscillateur ( 26) à fréquence prédéter- minée et dont la sortie ( 24) est connectée au circuit de commande ( 13) du moteur ( 14) de l'élément mécanique esclave ( 2). 9 Asservissement selon la revendication 8, comprenant un moteur ( 11) de l'élément mécanique esclave ( 2) du type pas à pas, caractérisé en ce que le circuit de commande ( 13) du moteur ( 11) comporte un compteur ( 13) qui reçoit les impulsions de la sortie ( 24) du circuit ( 20, 25, 26) du circuit ( 19), la sortie du compteur, en code binaire, étant connectés aux entrées de sélection d'adresses d'une mémoire programmable dont la sortie binaire est connectée à une alimentation programmée qui délivre une tension continue par échelons programmés au moteur ( 11). Asservissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque sonde ( 3, 4) communique avec un guide