支架关节轴、机械臂支架及自动重复定位系统的制作方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种支架关节轴，还涉及一种包括上述支架关节轴的机械臂支架，还涉及一种包括上述机械臂支架的自动重复定位系统。


背景技术：

2.对于利用机械臂支架来调整位置的医疗器械来说，机械臂支架的运动精度和工作稳定安全性至关重要，其中机械臂支架的关节轴对于其运动状态起到关键作用。
3.传统的支架关节轴可以实现相对转动功能，但是在转动之后需要通过其它锁止部件来实现关节锁定，或者没有锁止部件，直接停转来达到停止运动的目的，但是上述结构均是利用电能来实现自锁，有可能在断电之后，出现自锁失效的问题，进而降低机械臂支架的安全性。


技术实现要素：

4.本发明的第一个目的是提供一种支架关节轴，能够有效提高其安全性和工作稳定性；第二个目的是提供一种包括上述支架关节轴的机械臂支架；第三个目的是提供一种包括上述机械臂支架的自动重复定位系统。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：
6.一种支架关节轴，包括：电机、蜗杆、蜗轮、横向轴、竖向轴、转盘，所述横向轴上设有所述蜗轮，所述横向轴的一端设有横向伞齿轮，所述竖向轴上设有与所述横向伞齿轮啮合的竖向伞齿轮，所述电机用于驱动所述蜗杆转动，进而依次通过所述蜗轮、所述横向伞齿轮、所述竖向伞齿轮带动所述转盘转动，以调节所述可转动末端相对于所述垂直换向端的转动角度。
7.优选地，还包括第一直齿轮组，所述电机的动力轴通过所述第一直齿轮组与所述蜗杆连接。
8.优选地，所述第一直齿轮组包括第一直齿轮、第二直齿轮和第三直齿轮，所述第一直齿轮安装在所述电机的动力轴上，所述第三直齿轮安装在所述蜗杆上，所述第二直齿轮分别与所述第一直齿轮和所述第三直齿轮啮合。
9.优选地，还包括第二直齿轮组，所述竖向轴通过第二直齿轮组与所述转盘连接。
10.优选地，所述第二直齿轮组包括第四直齿轮和第五直齿轮，所述第四直齿轮安装在所述竖向轴上，所述第五直齿轮和所述转盘安装在输出轴上，所述第五直齿轮与所述第四直齿轮啮合。
11.一种机械臂支架，包括上述任一项所述的支架关节轴，还包括若干根连杆，各所述连杆通过所述支架关节轴连接。
12.优选地，还包括底座，所述连杆的个数为两根，分别记为第一连杆和第二连杆，所述底座通过若干串联的所述支架关节轴连接所述第一连杆的一端，所述第一连杆的另一端通过若干串联的所述支架关节轴与所述第二连杆连接的一端连接，所述第二连杆的另一端
连接有用于安装功能模块的所述支架关节轴。
13.所述支架关节轴均包括垂直换向端和可转动末端，所述支架关节轴的个数为五个，分别记为第一关节轴、第二关节轴、第三关节轴、第四关节轴、第五关节轴；所述第一关节轴与所述底座固接，所述第一关节轴的第一可转动末端与所述第二关节轴的第一垂直换向端固接，所述第二关节轴的第二可转动末端与其第二垂直换向端固接，所述第二垂直换向端与所述第一连杆的一端固接，所述第一连杆的另一端与所述第三关节轴的第三垂直换向端固接，所述第三关节轴的第三可转动末端与其第四垂直换向端固接，所述第四垂直换向端与所述第二连杆的一端固接，所述第二连杆的另一端与所述第四关节轴的第五垂直换向端固接，所述第四关节轴的第四可转动末端与所述第五关节轴的第六垂直换向端固接，所述第五关节轴的第五可转动末端用于安装功能模块。
14.一种自动重复定位系统，包括上述任一项所述的机械臂支架，还包括检测定位装置、功能模块、3d定位帽、存储器组件和处理器组件，所述功能模块固定在所述机械臂支架的活动末端，所述检测定位装置用于选取所述3d定位帽上的其中三个定位点为基准面中心建立空间参考坐标系，并将所述活动末端在所述空间参考坐标系中的初始坐标位置储存在所述存储器组件中，以及实时获取所述活动末端在所述空间参考坐标系中的当前坐标位置，所述处理器组件用于当所述当前坐标位置与所述初始坐标位置的直线距离超过预设间距阈值时，控制所述机械臂支架带动所述功能模块，以使所述当前坐标位置与所述初始坐标位置的直线距离满足所述预设间距阈值。
15.优选地，所述定位点为感光定位点，所述3d定位帽上设有感光定位经纬线，所述感光定位经纬线和所述感光定位点用以供所述检测定位装置检测捕捉，以识别距离位置信息。
16.优选地，所述3d定位帽上的预设治疗区域可拆卸地粘贴有感光治疗靶点。
17.与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
18.本发明所提供的一种支架关节轴、机械臂支架，当需要调节转盘的转动角度时，电机可以驱动蜗杆转动，进而带动蜗轮转动，从而通过蜗轮带动横向轴上的横向伞齿轮转动，再通过竖向伞齿轮改变动力方向，最后通过竖向轴带动转盘转动。通过蜗轮蜗杆的设置，可以实现大减速比，还能实现任意位置的关节自锁，使得当应用该支架关节轴的机械臂运动到任意预设位置时，可以随时停下保持自锁，避免了突然断电等情况下发生危险，提高了安全性和工作稳定性。
19.本发明所提供的一种自动重复定位系统，在使用时，医生先通过机械臂支架将功能模块移动至3d定位帽上的治疗靶点处，此时检测定位装置可以选取3d定位帽上的其中三个定位点为基准面中心建立空间参考坐标系，并将活动末端在空间参考坐标系中的初始坐标位置储存在存储器组件中；在治疗的过程中，检测定位装置可以实时获取活动末端在空间参考坐标系中的当前坐标位置，当患者头部位置移动，即3d定位帽位置发生移动时，当前坐标位置与初始坐标位置不同；当前坐标位置与初始坐标位置的直线距离超过预设间距阈值时，处理器组件可以控制机械臂支架带动功能模块，以使当前坐标位置与初始坐标位置的直线距离满足预设间距阈值，能够实现自动重复定位，无需人工来调整功能模块的位置，因此具有较高的调整精度、治疗效果和治疗效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为支架关节轴的内部结构示意图；
22.图2为机械臂支架的结构示意图；
23.图3为自动重复定位系统的结构示意图；
24.图4为可调线圈夹的结构示意图；
25.图5为检测定位装置的爆炸图；
26.图6为3d定位帽的结构示意图；
27.图7为活动末端和3d定位帽的结构示意图；
28.图8为tms线圈自动重复定位方法的流程图。
29.附图标记如下：
30.1-底座、2-第一关节轴、3-第二关节轴、4-第三关节轴、5-第四关节轴、6-第五关节轴、7-可调线圈夹、8-检测定位装置、9-tms线圈、10-3d定位帽、11-存储器组件、12-处理器组件；
31.201-第四直齿轮、202-竖向伞齿轮、203-竖向轴、204-横向伞齿轮、205-蜗轮、206-第一直齿轮、207-第二直齿轮、208-第一可转动末端、209-输出轴、210-第五直齿轮、211-横向轴、212-蜗杆、213-第三直齿轮、214-电机；
32.301-第一垂直换向端、302-第二可转动末端、303-第二垂直换向端、304-第一连杆；
33.401-第三垂直换向端、402-第三可转动末端、403-第四垂直换向端、404-第二连杆；
34.501-第五垂直换向端、502-第四可转动末端；
35.601-第六垂直换向端、602-第五可转动末端；
36.801-ir摄像头、802-接近传感器、803-rgb摄像头、804-透明镜头盖、805-承载杆、806-镜头安装主体；
37.901-调节旋钮、902-可调夹紧装置、903-安装固定板；
38.10.1-感光治疗靶点、10.2-感光定位经纬线、10.3定位点。
具体实施方式
39.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
40.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
41.本发明的一种具体实施方式提供了一种支架关节轴，包括：电机214、蜗杆212、蜗轮205、横向轴211、竖向轴203、转盘，电机214的动力轴与蜗杆212连接，转盘与竖向轴203连
接，横向轴211上设有蜗轮205，横向轴211的一端设有横向伞齿轮204，竖向轴203上设有与横向伞齿轮204啮合的竖向伞齿轮202，蜗杆212、竖向轴203和横向轴211均有相应的支撑部使其各自绕自身轴线转动，例如可设置上支撑盘和下支撑盘，竖向轴203和蜗杆212的两端分别转动连接在上支撑盘和下支撑盘上，蜗轮205、蜗杆212、横向伞齿轮204和竖向伞齿轮202位于上支撑盘和下支撑盘之间，横向轴211的一端转动连接在壳体上，壳体用于罩设在上支撑盘和下支撑盘外侧，其中下支撑盘可以与电机214的固定端连接，除此之外也可采用其它结构来支撑蜗杆212、竖向轴203和横向轴211。当需要调节转盘的转动角度时，电机214可以驱动蜗杆212转动，进而带动蜗轮205转动，从而通过蜗轮205带动横向轴211上的横向伞齿轮204转动，再通过竖向伞齿轮202改变动力方向，最后通过竖向轴203带动转盘转动。通过蜗轮205蜗杆212的设置，可以实现大减速比，还能实现任意位置的关节自锁，使得当应用该支架关节轴的机械臂运动到任意预设位置时，可以随时停下保持自锁，避免了突然断电等情况下发生危险，提高了安全性和工作稳定性。
42.为了进一步提高支架关节轴的转动精度，还包括第一直齿轮206组，电机214的动力轴通过第一直齿轮206组与蜗杆212连接，第一直齿轮206组所包括的齿轮个数可根据需要进行选择，例如以三个直齿轮为例，包括第一直齿轮206、第二直齿轮207和第三直齿轮213，第一直齿轮206安装在电机214的动力轴上，第三直齿轮213安装在蜗杆212上，第二直齿轮207分别与第一直齿轮206和第三直齿轮213啮合。此外还包括第二直齿轮207组，竖向轴203通过第二直齿轮207组与转盘连接，第二直齿轮207组的个数也可根据需要进行选择，例如以两个直齿轮为例，包括第四直齿轮201和第五直齿轮210，第四直齿轮201安装在竖向轴203上，第五直齿轮210和转盘安装在输出轴209上，第五直齿轮210与第四直齿轮201啮合。其中第一直齿轮206组和第二直齿轮207组主要是为了减速，以保证转盘具有更高的转动精度。
43.本发明实施例还提供了一种机械臂支架，包括上述实施例提供的支架关节轴，此外还包括若干根连杆，各连杆通过支架关节轴连接，关于连杆和支架关节轴的个数和相互连接关系，可根据实际需要进行搭配。
44.例如包括两根连杆和多个支架关节轴，为了便于区分，两根连杆分别记为第一连杆304和第二连杆404，第一连杆304的一端通过若干个串联的支架关节轴与底座1连接，第一连杆304的另一端通过若干个串联的支架关节轴与第二连杆404的一端连接，第二连杆404的另一端连接有用于安装功能模块的支架关节轴。其中若干个串联的支架关节轴可以为一个或多个，当为多个串联在一起时，应保证相邻的两个支架关节轴的轴线存在一定夹角，以达到换向的目的。
45.下面以两根连杆和五个支架关节轴为例进行说明：
46.各支架关节轴均包括垂直换向端和可转动末端；为了便于区分，五个支架关节轴分别记为第一关节轴2、第二关节轴3、第三关节轴4、第四关节轴5、第五关节轴6；第一关节轴2与底座1固接，底座1主要是为了支撑机械臂支架，第一关节轴2的第一可转动末端208与第二关节轴3的第一垂直换向端301固接，第二关节轴3的第二可转动末端302与其第二垂直换向端303固接，第二垂直换向端303与第一连杆304的一端固接，第一连杆304的另一端与第三关节轴4的第三垂直换向端401固接，第三关节轴4的第三可转动末端402与其第四垂直换向端403固接，第四垂直换向端403与第二连杆404的一端固接，第二连杆404的另一端与
第四关节轴5的第五垂直换向端501固接，第四关节轴5的第四可转动末端502与第五关节轴6的第六垂直换向端601固接，第五关节轴6的第五可转动末端602用于安装功能模块；第一关节轴2的转动轴线和第二关节轴3的转动轴线相互垂直，第二关节轴3的转动轴线与第一连杆304的轴线相互垂直，第三关节轴4的转动轴线与第二连杆404的轴线相互垂直，第二关节轴3的转动轴线、第三关节轴4的转动轴线和第四关节轴5的转动轴线相互平行，第四关节轴5的转动轴线和第五关节轴6的转动轴线相互垂直。通过各关节轴可实现功能模块在三维空间的位置调整，通过两根连杆可以扩大功能模块的移动范围，为了达到质轻的目的，连杆优选为空心杆。
47.本发明的一种具体实施方式提供了一种自动重复定位系统，包括上述任一项实施例所提供的机械臂支架，该机械臂支架可以用于经颅磁刺激治疗时线圈的多次重复定位，也可更换线圈为其它功能模块运用于其他场景，本发明实施例不限定具体使用场景。在具体实施过程中，本机械臂支架可以安装在经颅磁主机上作为配套设备使用，也可以单独作为一个独立设备使用。
48.下面以自动重复定位系统应用于tms线圈为例进行说明，除了包括机械臂支架以外，还包括tms线圈9、检测定位装置8、3d定位帽10、存储器组件11和处理器组件12，tms线圈9固定在机械臂支架的活动末端，机械臂支架的底座1固定在tms主机上，活动末端在机械臂坐标系中的点位记为q，其中机械臂坐标系优选以底座1中心为零点建立；3d定位帽10佩戴在患者头部，3d定位帽10上设有至少三个定位点10.3，定位点10.3优选为感光定位点10.3，即定位点10.3由感光材质制造，如图1所示的a、b、c、d四个感光定位点10.3，在具体使用时，医生先通过机械臂支架将tms线圈9移动至3d定位帽10上的治疗靶点10.1处，此时检测定位装置8可以选取3d定位帽10上的其中三个定位点10.3为基准面中心建立空间参考坐标系，记为x1y1z1，并将活动末端，即点位q在空间参考坐标系x1y1z1中的初始坐标位置储存在存储器组件11中，初始坐标位置记为m1，为正确治疗点位；在治疗的过程中，检测定位装置8可以实时获取活动末端，即点位q在空间参考坐标系中的当前坐标位置，当患者头部位置移动，即3d定位帽10位置发生移动时，当前坐标位置与初始坐标位置不同，此时将当前坐标位置记为m2；当前坐标位置与初始坐标位置的直线距离超过预设间距阈值时，例如直线距离超过2mm时，处理器组件可以控制机械臂支架带动tms线圈9，以使当前坐标位置与初始坐标位置的直线距离满足预设间距阈值，若活动末端的点位再次发生变动时，则可循环执行上述工作过程，以实现tms线圈自动重复定位的目的，无需人工来调整tms线圈9的位置，因此具有较高的调整精度、治疗效果和治疗效率。
49.其中，检测定位装置8包括承载杆805、镜头安装主体806、ir摄像头801、接近传感器802和rgb摄像头803，如图5所示，承载杆805的中部固定在活动末端，承载杆805的两端分别设有一个镜头安装主体806，镜头安装主体806优选为正方体结构，各镜头安装主体806均设置两个ir摄像头801、一个接近传感器802和一个rgb摄像头803，镜头安装主体806的前侧还设有用以起到保护作用的透明镜头盖804。其中通过一个镜头安装主体806的配置就可以实现定位检测功能，通过设置两组，在定位过程中出现tms线圈9阻挡检测定位装置8的情况发生时，能够避免出现遮挡不能定位的情况，例如遮挡一侧的摄像头，另外一侧的摄像头不会受到影响，有效保证了极端状况下，tms线圈9定位运动的可靠性。
50.对于3d定位帽10，如图6所示，3d定位帽10上设有用于划分大脑不同区域的感光定
位经纬线10.2，通过感光定位经纬线10.2和感光定位点10.3能够进行3d定位帽10的三维建模，而且感光定位经纬线10.2和感光定位点10.3能够被检测定位装置8检测捕捉，以识别距离位置信息。
51.为了提高3d定位帽10的使用灵活性，感光治疗靶点10.1可拆卸粘贴在3d定位帽10上的预设治疗区域。例如将3d定位帽10的外露面设置为毛面，感光治疗靶点10.1的反面为与毛面相互粘贴的勾面。在使用时，患者佩戴好3d定位帽10后，医生可以选定治疗区域来粘贴感光治疗靶点10.1，因此可以在一个3d定位帽10上实现多个病灶区域靶点的设置，从而避免了一个治疗点位就需要制作一个3d定位帽10的情况，减少了3d定位帽10的数量，减少了使用成本，提高了治疗效率。
52.为了便于安装tms线圈，还包括可调线圈夹7，可调线圈夹7的底部设有安装固定板902，安装固定在第五可转动末端602上，可调线圈夹7的中部设置有可以调节夹口大小的可调夹紧装置902，如图4所示，可调夹紧装置902包括固定瓦片和活动瓦片，活动瓦片的凸起面与调节旋钮901连接，调节旋钮901旋拧在可调线圈夹7上，通过转动调节旋钮901，可实现活动瓦片朝向固定瓦片的方向移动，从而夹紧tms线圈9，反向转动调节旋钮901，可松开tms线圈9，其中可调夹紧装置902优选为软性橡胶材质，避免tms线圈9与其接触的表面被压花。五个关节轴的依次连接，保证了多自由度，两根连杆，能够保证机械臂支架的活动空间范围，确保了足够的定位距离，提高了tms线圈9位置调整的灵活性。
53.其中各支架关节轴内部的电机优选为设置有带测角功能的伺服电机，且该伺服电机还能根据输出电压电流测算当前扭矩值；通过五个关节轴中伺服电机的角度信息进行建模计算可以知道机械臂的空间形态及坐标位置信息，通过扭矩值的测算可以知道机械臂运行是否正常，如出现碰撞遮挡等异常情况，机械臂可以第一时间停机，避免造成如碰伤人或者损坏机械臂或其他事物的情况发生。
54.为了便于理解上述自动重复定位系统的工作原理，下面对其工作原理进行阐述，包括以下步骤：
55.s100：以机械臂支架的底座1中心为零点，建立机械臂坐标系，其中可以将机械臂坐标系预设在处理器组件12内，处理器组件12能够依靠多轴机械臂各关节轴内的测角装置及相关支臂数据建立机械臂运动学模型，并获取机械臂支架的活动末端的相对坐标点，该点记为q。
56.s200：在治疗之前，需先将3d定位帽10佩戴在患者头部，然后医生在3d定位帽10上的治疗区域粘贴治疗靶点10.1，随后将活动末端上固定的tms线圈9移动至治疗靶点10.1位置，根据3d定位帽10上的其中三个定位点10.3建立空间参考坐标系，并获取活动末端的相对坐标点q在空间参考坐标系内的初始坐标位置，记为m1，并将初始坐标位置m1保存在存储器组件11中。
57.s300：在治疗时，由于患者头部即3d定位帽10位置可能会发生移动，因此需要实时获取活动末端的相对坐标点在空间参考坐标系内的当前坐标位置，当前坐标位置记为m2；
58.s400：判断当前坐标位置和初始坐标位置的直线距离是否超过预设间距阈值，例如可以将预设间距阈值设置为2mm，若m2与m1的直线距离超过预设间距阈值，则进入下一步骤：
59.s500：通过多轴机械臂调整活动末端的位置，以使m2与m1的直线距离满足预设间
距阈值。其中可以通过处理器组件12计算并规划m2点位回归到m1点位的运动路径，在行进时，处理器组件12会给关节轴内的伺服电机发送驱动指令，以使机械臂活动末端回归m1点位，即tms线圈9回到预设治疗靶点10.1位置，在行进过程中，处理器组件12会不断优化运动路径，以保证点位回归的精准性。
60.若m2与m1的直线距离没有超过预设间距阈值，则tms线圈9定位结束。在治疗期间，若3d定位帽10再次移位，则继续控制多轴机械臂动作，进而实现tms线圈自动重复定位的目的，从而提高tms线圈9的定位精度、治疗效果和治疗效率。
61.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
62.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。