CN112274780A - 一种外接线缆的tms治疗设备的力补偿装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种外接线缆的TMS(经颅磁刺激，Transcranial Magnetic Stimulation，简称TMS)治疗设备的力补偿装置及方法，涉及医疗机器人领域，包括控制***、固定基座、相位转换盘、力传感器、TMS夹头、移位固定板、冷凝管夹具，采用在机械臂末端增加力传感器的方式对机械臂末端所受的力进行测量；通过专门设计的夹具将冷凝管的线缆拉力与力传感器所测力进行分离、重力补偿方案将刺激线圈自重对力传感器示数的影响进行补偿，使力传感器的示数仅与刺激线圈和病人头部的实际接触力有关，从而求得刺激线圈与病人头部的实际接触力，提高机械臂的定位精度，使得机械臂带动刺激线圈进行力跟随。

Description

一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗机器人领域，特别涉及一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置及方法。
背景技术
经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)是一种无创、无痛的绿色神经调节法。由于该技术具有功能独特、使用成本较低以及操作简便等优点，很快被推广到临床和科研的各个领域。但在实际应用中，由于TMS治疗设备通常外接冷凝管等柔性线缆及刺激线圈，对机械臂末端力传感器带来较大的精度误差，使得治疗过程中机械臂定位错误，治疗效果不佳。因此，开发一种能够对TMS治疗设备的外接柔性设备进行力补偿的方法已迫在眉睫。
发明内容
针对上述问题，为了解决TMS治疗设备外接冷凝管等柔性线缆及刺激线圈影响机械臂末端力传感器精度的问题，本发明提供一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置及方法，对TMS治疗设备及其外接柔性线缆进行力补偿，降低机械臂的定位误差，保证机械臂定位及跟踪的精度，具体地，本申请的技术方案如下：
一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，采用在机械臂末端增加力传感器的方式对机械臂末端所受的力进行测量；通过专门设计的夹具对冷凝管所受的线缆拉力进行转移，将线缆拉力与力传感器所测力进行分离，使得力传感器的读数只与刺激线圈的结构、机械臂的当前位置以及病人与刺激线圈的接触力有关，从而排除了冷凝管线缆拉力对力传感器末端受力的影响；设计了专门的重力补偿方案，将刺激线圈自重对力传感器示数的影响进行补偿，使力传感器的示数仅与刺激线圈和病人头部的实际接触力有关，从而求得刺激线圈与病人头部的实际接触力，进而使得机械臂带动刺激线圈进行力跟随。
包括控制***、固定基座、相位转换盘、力传感器、TMS夹头、移位固定板、冷凝管夹具。所述固定基座固定连接于所述机械臂末端；所述相位转换盘固定连接于所述固定基座和所述力传感器，与所述控制***连接，用于调整所述力传感器的位姿；所述力传感器与所述控制***连接，其尾部沿轴向固定连接于所述相位转换盘；所述TMS夹头沿轴向固定连接于所述力传感器的端部，用于夹持刺激线圈；所述移位固定板可移动的连接于所述固定基座的侧面；所述冷凝管夹具固定连接于所述移位固定板，用于夹持冷凝管。
进一步地，所述冷凝管夹具包括上冷凝管夹具和下冷凝管夹具，所述上冷凝管夹具和下冷凝管夹具上下相对设置，所述下冷凝管夹具固定连接于所述移位固定板，所述上冷凝管夹具相对所述下冷凝管夹具可上下移动的连接于所述下冷凝管夹具。
进一步地，所述相位转换盘用于修正所述力传感器的位姿，使其轴向与所述机械臂的轴向平行。
进一步地，所述力传感器用于测量所述TMS夹头和/或所述刺激线圈的重量，并将测得的信息传输至所述控制***。
一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿方法，应用于以上所述的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，步骤如下：
S1确定刺激线圈和TMS夹头的重力及质心位置，即：移动机械臂，选定数个固定点，力传感器测得每个固定点处刺激线圈的重力和力矩，并将测得的信息传输至控制***，控制***根据算法求得刺激线圈和TMS夹头的质心位置；
S2确定刺激线圈和TMS夹头在机械臂末端坐标系下的重力及重力矩并进行补偿，即：将刺激线圈和TMS夹头所受重力按其原本的大小施加在机械臂末基坐标系上，方向为重力方向，根据机械臂正运动学求得机械臂末端坐标系与基坐标系间的转换关系，根据该转换关系将施加在基坐标系上的重力矢量转换到机械臂末端坐标系，通过末端坐标系下的重力及质心位置求得末端坐标系下的重力矩；
S3对刺激线圈和TMS夹头的重力及重力矩进行补偿，即：根据力传感器的当前读数，及所求得的刺激线圈和TMS夹头的重力、重力矩在机械臂末端坐标系上的表达，计算得出病人头部与刺激线圈的实际接触力，并根据得到的实际接触力、接触力矩求得机械臂末端的移动速度和角速度，使机械臂带动刺激线圈进行力跟随。
有益效果：提高机械臂末端的定位精度，使机械臂带动刺激线圈进行力跟随。
附图说明
图1为外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置的结构示意图；
图2为外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置的另一视角结构示意图；
图3为力补偿装置与刺激线圈、机械臂装配在一起的结构示意图；
图4为力补偿装置与刺激线圈、机械臂装配在一起的主视图；
图5为力补偿装置与刺激线圈、机械臂装配在一起的仰视图。
附图标记：
固定基座1；相位转换盘2；力传感器3；TMS夹头4；移位固定板5；冷凝管夹具6，上冷凝管夹具61，下冷凝管夹具62；冷凝管7；机械臂8；刺激线圈9。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“轴向”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，安装在机械臂8末端，用于夹取刺激线圈9，并将刺激线圈9和夹头的重力补偿及将冷凝管7的重力屏蔽，使力传感器3的示数仅与刺激线圈9和病人头部的实际接触力有关，包括控制***、固定基座1、相位转换盘2、力传感器3、TMS夹头4、移位固定板5、冷凝管夹具6。
固定基座1固定连接于机械臂8末端。
相位转换盘2固定连接于固定基座1和力传感器3，与控制***连接，力传感器3通过相位转换盘2与固定基座1连接。
力传感器3与控制***连接，其尾部沿轴向固定连接在相位转换盘2上，相位转换盘2可以调整力传感器3的位姿，使力传感器3的轴向与机械臂8末端的轴向平行。
TMS夹头4沿轴向固定连接于力传感器3的端部，用于夹持刺激线圈9。
移位固定板5可移动的连接于固定基座1的侧面，可以沿着机械臂8末端的轴向相对固定基座1移动。
冷凝管夹具6固定连接于移位固定板5，用于夹持冷凝管7。
由于冷凝管7为柔性材料，其重心位置飘忽不定，难以跟踪监测，因此，本申请将冷凝管7固定在冷凝管夹具6上，通过移位固定板5与固定基座1连接，这样将冷凝管7的重量屏蔽，使其不会对力传感器3的读数产生影响，保证力传感器3读数的准确度。
冷凝管夹具6包括上冷凝管夹具61和下冷凝管夹具62，上冷凝管夹具61和下冷凝管夹具62上下相对设置，下冷凝管夹具62固定连接于移位固定板5，上冷凝管夹具61相对下冷凝管夹具62可上下移动的连接于下冷凝管夹具62。具体的，上冷凝管夹具61通过螺钉连接在下冷凝管夹具62上，通过螺钉可调节上、下冷凝管夹具62之间的距离，以夹紧或释放冷凝管7。
力传感器3用于测量TMS夹头4和/或刺激线圈9的重量，并将测得的信息传输至控制***。力传感器3的作用是探测刺激线圈9与病人头部的实际接触力，而在实际测量中，力传感器3的读数会受到TMS夹头4和刺激线圈9的重量影响，如果忽略，会导致读数与实际接触力产生偏差，因此，需要将TMS夹头4和刺激线圈9的重量采用科学算法测得并将其补偿，使力传感器3的读数仅与刺激线圈9和病人头部的实际接触力有关。
一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿方法，应用于以上的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，步骤如下：
S1确定刺激线圈9和TMS夹头4的重力及质心位置，即：移动机械臂8，选定数个固定点，力传感器3测得每个固定点处刺激线圈9的重力和力矩，并将测得的信息传输至控制***，控制***根据算法求得刺激线圈9和TMS夹头4的质心位置，其中，具体的选点计算方式为：
移动机械臂8，使得机械臂8末端坐标系的X轴与刺激线圈9的重力方向重合，读出此时力传感器3中X方向的力Fx及力矩Tx；移动机械臂8，使得机械臂8末端坐标系的Y轴与刺激线圈9的重力方向重合，读出此时力传感器3中Y方向的力Fy及力矩Ty；移动机械臂8，使得机械臂8末端坐标系的Z轴与刺激线圈9的重力方向重合，读出此时力传感器3中Z方向的力Fz及力矩Tz；根据求得的末端坐标系下各方向的力的大小，求得刺激线圈9的重力G＝(Fx+Fy+Fz)/3、刺激线圈9在力传感器3坐标系下的重心位置；
S2确定刺激线圈9和TMS夹头4在机械臂8末端坐标系下的重力及重力矩并进行补偿，即：将刺激线圈9和TMS夹头4所受重力按其原本的大小施加在机械臂8末基坐标系上，方向为重力方向，根据机械臂8正运动学求得机械臂8末端坐标系与基坐标系间的转换关系，根据该转换关系将施加在基坐标系上的重力矢量转换到机械臂8末端坐标系，通过末端坐标系下的重力及质心位置求得末端坐标系下的重力矩；
S3对刺激线圈9和TMS夹头4的重力及重力矩进行补偿，即：根据力传感器3的当前读数，及所求得的刺激线圈9和TMS夹头4的重力、重力矩在机械臂8末端坐标系上的表达，计算得出病人头部与刺激线圈9的实际接触力，并根据得到的实际接触力、接触力矩求得机械臂8末端的移动速度和角速度，使机械臂8带动刺激线圈9进行力跟随。
有益效果：提高机械臂8末端的定位精度，使机械臂8带动刺激线圈9进行力跟随。
以上所述的实施例及方法仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，用于屏蔽冷凝管的重力作用及补偿TMS刺激线圈的重力作用，其特征在于，固定连接于TMS治疗设备的机械臂末端，包括：控制***、固定基座、相位转换盘、力传感器、TMS夹头、移位固定板、冷凝管夹具；
所述固定基座固定连接于所述机械臂末端；
所述相位转换盘固定连接于所述固定基座和所述力传感器，与所述控制***连接，用于调整所述力传感器的位姿；
所述力传感器与所述控制***连接，其尾部沿轴向固定连接于所述相位转换盘；
所述TMS夹头沿轴向固定连接于所述力传感器的端部，用于夹持刺激线圈；
所述移位固定板可移动的连接于所述固定基座的侧面；
所述冷凝管夹具固定连接于所述移位固定板，用于夹持冷凝管。
2.根据权利要求1所述的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，其特征在于，所述冷凝管夹具包括上冷凝管夹具和下冷凝管夹具，所述上冷凝管夹具和下冷凝管夹具上下相对设置，所述下冷凝管夹具固定连接于所述移位固定板，所述上冷凝管夹具相对所述下冷凝管夹具可上下移动的连接于所述下冷凝管夹具。
3.根据权利要求2所述的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，其特征在于，所述相位转换盘用于修正所述力传感器的位姿，使其轴向与所述机械臂末端的轴向平行。
4.根据权利要求3所述的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，其特征在于，所述力传感器用于测量所述TMS夹头和/或所述刺激线圈的重量，并将测得的信息传输至所述控制***。
5.一种外接线缆的TMS治疗设备的力补偿方法，应用于权利要求1～4所述的外接线缆的TMS治疗设备的力补偿装置，其特征在于，步骤如下：
S1确定刺激线圈和TMS夹头的重力及质心位置，即：移动机械臂，选定数个固定点，力传感器测得每个固定点处刺激线圈的重力和力矩，并将测得的信息传输至控制***，控制***根据算法求得刺激线圈和TMS夹头的质心位置；
S2确定刺激线圈和TMS夹头在机械臂末端坐标系下的重力及重力矩并进行补偿，即：将刺激线圈和TMS夹头所受重力按其原本的大小施加在机械臂末基坐标系上，方向为重力方向，根据机械臂正运动学求得机械臂末端坐标系与基坐标系间的转换关系，根据该转换关系将施加在基坐标系上的重力矢量转换到机械臂末端坐标系，通过末端坐标系下的重力及质心位置求得末端坐标系下的重力矩；
S3对刺激线圈和TMS夹头的重力及重力矩进行补偿，即：根据力传感器的当前读数，及所求得的刺激线圈和TMS夹头的重力、重力矩在机械臂末端坐标系上的表达，计算得出病人头部与刺激线圈的实际接触力，并根据得到的实际接触力、接触力矩求得机械臂末端的移动速度和角速度。
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