自适应柔性医疗护理机器人系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及机器人技术领域，尤其是公开了一种自适应柔性医疗护理机器人系统，包括躯干、至少一对机械臂、设于躯干底部可全向移动的底座及设于躯干上具有3D感知功能的导航操作系统；所述导航操作系统连接底座，所述躯干上设有连接所述机械臂的驱动组合。本发明可代替医护人员进行搬运病人，运送医疗用品等，减轻医护人员工作负担。
【专利说明】
自适应柔性医疗护理机器人系统
技术领域
[0001]本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种自适应柔性医疗护理机器人系统。
【背景技术】
[0002]随着人口老龄化的加重，医护人员越来越紧缺。在护理过程中，抱抬和移载病人对护理人员而言呈现出身体损伤的危害可能性正在上升，这不仅严重影响到护理人员的工作状态，也直接影响到对病人的服务质量。医院护理方面人力在面对越来越多的病人时已显得力不从心。服务这些老年病人需要巨大的时间和精力。
【发明内容】
[0003]本发明为了克服现有技术的不足，提供一种可安全搬运病人，降低医护人员工作量的自适应柔性医疗护理机器人系统。
[0004]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:一种自适应柔性医疗护理机器人系统，包括躯干、至少一对机械臂、设于躯干底部可全向移动的底座及设于躯干上具有3D感知功能的导航操作系统;所述导航操作系统连接底座，所述躯干上设有连接所述机械臂的驱动组合。医疗护理机器人系统能够在医疗机构中服务更多的病人，帮助医护人员送上医疗所需用品、降低医护人员由于抱抬和移载重物时造成背部伤害的风险、与病人进行娱乐互动、移动重物、成为远程医护人员的媒介、协助进行医院内存货管理;该机器人拥有全向移动子系统，使得其在医院环境中移动更灵巧。
[0005]进一步地，所述驱动器组合包括外壳，旋转驱动件，连接旋转驱动件、可将旋转驱动件旋转动力放大的传动箱及扭力弹簧，所述旋转驱动件和传动箱均设于外壳内；所述传动箱包括一动力输出轴，所述扭力弹簧固定连接所述外壳与动力输出轴。该结构的机械臂能抱抬300-500镑的重物，驱动器组合连接在机械臂上为其强大抱抬能力提供足够的扭矩或动力。该机器人系统的驱动器组合是电力驱动的，为机械臂执行抱抬与移载病人任务提供柔软度、安全性、灵活性和强度。驱动器组合提供的敏感度使得机械臂不会伤害到病人，提供的灵巧性使得机械臂能处理更小更精密的物品。驱动器组合强有力且可靠，I)符合重物抱抬任务的要求。2)通过柔性位置反馈和力量反馈来控制输出力的大小，具有更理想的结构内在安全性。3)有效地延长电池寿命。4)结构紧凑、重量轻，易操作。
[0006]进一步地，所述扭力弹簧为聚氨酯棒，所述动力输出轴外壁沿长度方向设有容纳聚氨酯棒的沟槽，所述扭力弹簧两端固定连接于外壳上。
[0007]进一步地，所述机械臂上设有温度传感器和/力传感器。从而使得机械臂对病人的感知更敏感。
[0008]进一步地，所述机械臂具有可弯曲的中部，该中部处设有可在受力时张紧的柔性关节，机械臂内设有可柔性控制支撑力度的柔性执行器。灵巧柔性双臂可从肢躯干处伸展出来，像机械臂一样抱抬和移动物品，比如医疗器械、药品、食物和病人。其柔性关节的操控具有自适应性，可以确保在护理过程中的安全与良好的操控性能。模仿真人机械臂，使机器人在功能性和舒适性上都提高。灵巧且柔性的机械臂既有足够的载荷抱抬重物，又具有足够的柔性来安全地处理敏感的医疗器械和病人。该柔性机械臂上柔性关节及柔性执行器是机械臂强大的抱抬能力的力量或力矩的来源。机械臂中使用的柔性执行器更好地模仿了人类机械臂的肌肉模型之特性。柔性执行器使得机械臂在与人交互时更好地控制力量和显得更柔软。当机械臂像人类的手臂一样有更高的触觉感知时病人会感觉到更安全、更放松和更加信任护理机器人。机械臂从上肢躯干两侧向前伸展开来，有足够的长度来抱抬起一个正常成年病人。
[0009]进一步地，所述躯干前部设有显示器和连接显示器的信息接收装置。医生通过机器人胸前的显示器与病人交流。远程交流通过无线环境实现。
[0010]进一步地，所述底座上设有可沿地面水平伸出、进而扩大支撑面积的稳定提升装置。确保抱抬病人时的稳定与安全。
[0011]进一步地，躯干底部通过一动力传动系统、可升降连接于底座上。可根据需要调节躯干的高度，进而调节显示器和机械臂的高度。
[0012]综上所述，本发明可代替医护人员进行搬运病人，运送医疗用品等，减轻医护人员工作负担。
【附图说明】
[0013]图1为本发明的立体图一；
图2a为本发明的使用状态图一；
图2b为本发明的使用状态图二；
图3a为本发明机械臂与驱动器组合连接示意图一；
图3b为本发明的机械臂相对于整个机器人系统的位置示意图；
图4a为本发明机械臂与驱动器组合连接示意图二；
图4b为本发明驱动器组合分体示意图；
图4c为本发明的驱动器组合安装后的结构示意图；
图4d为本发明驱动器组合部分结构示意图；
图4e为本发明驱动器组合安装不同数量扭力弹簧后的三种状态图。
[0014]图5a为本发明主视图；
图5b为本发明立体图二；
图6a为本发明的底座结构不意图一；
图6b为本发明的底座结构示意图二；
图7为本发明的使用状态图三。
【具体实施方式】
[0015]为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0016]本发明包含的内容主要与机器人相关，更具体说是一种适应柔性医疗护理机器人系统，该医疗护理机器人系统旨在护士指导下实现抱抬病人并移载病人等功能。其功能不包括取代护士的日常工作，仅适于在减轻护理过程中的体力劳动负荷以及协助护士提升其工作效率和完成工作质量，并大幅降低护理人员受伤的可能性。因为该机器人系统之操作部分具有自适应柔性关节，在其直接与病人接触时，机器人系统的操控过程可以根据载荷轻重自动调节柔性关节参数以达到操控的有效性与安全性。
[0017]如图1、图5a及图5b均为本适应柔性医疗护理机器人系统的整体结构，包括人性形的躯干125、至少一对灵巧柔性的机械臂110、底座130及导航操作系统140。所述底座130设于躯干125底部，且该底座130可全向移动，导航操作系统140设于躯干125上，导航操作系统140具有3D感知功能。所述导航操作系统140连接底座130，进而在底座130移动过程中，可以通过导航系统避开障碍物。所述躯干125上设有驱动组合112，驱动组合112连接所述机械臂110，进而驱动机械臂110移动。
[0018]如图3b所示，机械臂110的前端是一个扁平的结构，使得机械臂110更好伸入病人200与病床间隔之间。所述机械臂110上设有温度传感器和力传感器，从而使得机械臂110对病人200的感知更敏感。所述机械臂110具有可弯曲的中部，该中部处设有柔性关节，柔性关节可在受力时张紧，柔性关节能适应于不同载荷下操控能力。机械臂110内设有柔性执行器，柔性执行器可柔性控制支撑力度，更好地模仿了人类手臂的肌肉模型之特性。柔性执行器使得机械臂110在与人交互时更好地控制力量和显得更柔软。该机械臂110上的柔性关节及柔性执行器是机械臂110强大的抱抬能力的力量或力矩的来源。灵巧且柔性的机械臂110既有足够的载荷抱抬重物，又具有足够的柔性来安全地处理敏感的医疗器械和病人200。当机械臂110像人类的手臂一样有更高的触觉感知时病人会感觉到更安全、更放松和更加信任护理机器人。机械臂110从躯干125两侧向前伸展开来，有足够的长度来抱抬起一个正常成年病人。
[0019]在特殊需求下，在本实施例中，一对机械臂110为两只，两只机械臂110可以拆卸下来，替换为所需要的其他功能操作工具，例如电钻、磁铁、钳子、激光头、电锯等等。而自适应的柔性执行器则使得机器人系统有能力自适应地调节系统控制性能以便达到有效地在不同载荷下工作良好。
[0020]所述躯干125前部设有显示器128和信息接收装置，所述显示器为带触摸屏的显示屏。信息接收装置连接显示器128。所述躯干125为模块化的结构，包括三个互相紧靠的驱动器组件，即位于躯干125中间的驱动组件安装了显示器、接收装置，两侧的驱动组件则为驱动组合。这种设计使得生产和维护都更加方便。出现了问题的驱动组件可以快速地被替换或更换零件。躯干125模仿真人造型，使机器人系统在功能性和舒适性上都提高。医生通过机器人系统胸前的显示器128与病人200交流。远程交流通过无线环境实现。
[0021 ] 如图3a、3b、4a、4b、4c、4d及4e所示，所述驱动器组合112包括外壳、旋转驱动件114、传动箱116及扭力弹簧120。所述传动箱116连接旋转驱动件114，所述传动箱116包括一动力输出轴118，传动箱116可将旋转驱动件114旋转动力放大然后传至动力输出轴118输出，所述旋转驱动件114和传动箱116均设于外壳内。所述扭力弹簧120固定连接所述外壳与动力输出轴118。再者，所述扭力弹簧120为聚氨酯棒，所述动力输出轴118外壁沿长度方向设有沟槽，所述沟槽可容纳聚氨酯棒，所述扭力弹簧120两端固定连接于外壳上。驱动器组合112的外壳和输出轴118之间的相对角度的位移使聚氨酯棒发生形变，从而在有限的空间内产生很高的扭转弹簧率。图4d为本发明驱动器组合部分结构示意图。图4e为驱动组合安装了7根、11根及14根扭力弹簧120后的三种状态示意图。所述旋转驱动件114为电机，当然在其他实施例中还可是其他的驱动部件。这样的驱动器组合112连接在机械臂上，为其强大抱抬能力提供足够的扭矩或动力。驱动器组合112是电力驱动的，为机械臂112执行抱抬与移载病人200任务提供柔软度、安全性、灵活性和强度。驱动器组合112提供的敏感度使得机械臂110不会伤害到病人200，提供的灵巧性使得机械臂110能处理更小更精密的物品。驱动器组合112强有力且可靠，符合重物抱抬任务的要求，通过柔性位置反馈和力量反馈来控制输出力的大小，具有更理想的结构内在安全性，本身结构紧凑、重量轻，易操作。
[0022]如图6a、6b所示，具有零力矩点平衡功能的底座130，使机器人占地更大，更稳定。底座130为整体机器人系统提供移动基础。所述底座130上设有稳定提升装置132，稳定提升装置132可沿地面水平伸出，进而扩大支撑面积，移动机器人系统的动力学稳定性得到提高，这在抱抬重物时尤其有用。所述躯干125底部通过一动力传动系统连接于底座130上，动力系统可带动躯干125升降，进而调节躯干125的高度，且该动力传动系统连接信息接收装置，信息接受装置接收显示器信息，同时探测显示器与病床之间的高度差，然后通过动力传动系统抬高或降低躯干、显示器的高度，控制病人的视线和显示器处于同一直线上，方便病人的使用。有直观的人机交互界面，也用于人机交互的视频界面和高度集成的医疗护理及保健系统方案。底座130在接触地面时有反作用力也会产生力矩。若存在某一点使其反作用力、惯性力的净力矩和为零的点称之为零力矩点(ZMP)。零力矩点是判定仿人机器人动态稳定运动的重要指标，零力矩点落在底座的支撑平面范围里面，则机器人可以稳定的动态行走。本机器人系统可以动态地判断出该力矩点所在从而动态调整底座支撑机构已到达确保系统动力学稳定而不至于倾覆。机器人系统可以通过特别的感知软件和全向移动功能在医疗机构中做智能移动。全向移动驱动在运动控制需要较高的移动性和低摩擦力的情况下尤其适用。
[0023]导航操作系统140可以控制机器人系统在医院里移动。导航系统可通过远程操控。该系统利用智能软件进行感知、侦测、避障、和半自动化。医护人员210可直接通过引导机器人系统的机械臂110和手掌来指引机器人系统移动位置以及将机械臂110置于病人200身下。在另一些情况下，机器人系统可通过语音识软件来识别病人200。机器人系统同时有温和的人类语音内置，可以使病人情绪稳定下来。
[0024]本机器人系统需要能够安全地、有效地配合医护人员210给病人200提供优质的服务以满足需要体力进行的护理操作。
[0025]适应柔性医疗护理机器人系统还有以下功能:a)通过全向移动平台在医院环境中智能移动;b)为人机交互提供真实界面;c)医护人员210可通过远程临镜控制对机器人系统进行直接操控;d)具有柔性关节的机械臂110拥有足够的强度实现抱抬和搬运病人和重物等操作;e)其柔性关节的操控具有自适应性，可以确保在护理过程中的安全与良好的操控性能。
[0026]本发明提供的医疗护理机器人系统，可以在一个医疗机构中服务于大约200个病人。该机器人系统还可在直接或远程临境(Telepresence)控制下在医院里移动到给定位置，具有足够抱抬300-500镑重物功能的灵巧柔性的机械臂110。
[0027]图2a和2b示范了机器人系统100为病人200提供服务的情形。图2a示范了医护人员210通过机器人系统100胸前的显示器128与病人200交流；图2b示范了机器人系统100运用两只灵活的机械臂110来抬升病人200的情形。图7所示，则示范了机器人系统100利用导航系统140在医院里面移动的情形。
[0028]机器人系统100为病人200提供服务时，可运用两只灵活机械臂110来抱抬病人200。机器人系统100可接近病人的病床边，机器人系统100上有信息接受装置，它可调节自身上身的高度来使人机交互视频界面处于病人的视平线高度。躯干125的高度由一个动力传动系统的抬起和降低控制。如图2a中所示情形，医护人员210(包括医生、护士或技师)可以通过视频和音频远程和病人200沟通，病人200可在机器人系统上身的触摸屏上书写自己的要求和问题，远程交流通过无线环境实现。医护人员210可通过给机器人系统输入指令使得机器人系统接近并抬升病人200。机器人系统200的底座130可伸展出一个稳定提升装置而扩大底座130支撑范围的面积，确保抱抬病人200时的稳定与安全。灵活机械臂110覆盖有织布材料，使和人的敏感肌肤接触时更舒适。机械臂110中使用的柔性执行器更好地模仿了人类手臂的特性。柔性执行器使得机械臂110在与人交互时更好地控制力量和更柔软。自适应柔性执行器可以确保在不同载荷下机器人系统100能有效地工作。当机械臂110像人类的手臂一样有更高的触觉感知时病人会感觉到更放松和信任机器人。机器人系统100具有导航操作系统114，可以在医院里移动，导航操作系统114也可通过远程操控。该导航操作系统114利用智能软件进行感知、侦测、避障、和半自动化。机器人系统100可通过语音识软件来识别病人200，同时有温柔的人类语音内置可以使病人200情绪稳定下来。
[0029]显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:包括躯干(125)、至少一对机械臂(110)、设于躯干(125)底部可全向移动的底座(130)及设于躯干(125)上具有3D感知功能的导航操作系统(140);所述导航操作系统(140)连接底座(130)，所述躯干(125)上设有连接所述机械臂(110)的驱动组合(112)。2.根据权利要求1所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述驱动器组合(112)包括外壳，旋转驱动件(114)，连接旋转驱动件(114)、可将旋转驱动件(114)旋转动力放大的传动箱(116)及扭力弹簧(120)，所述旋转驱动件(114)和传动箱(116)均设于外壳内；所述传动箱(116)包括一动力输出轴(118)，所述扭力弹簧(120)固定连接所述外壳与动力输出轴(118)。3.根据权利要求2所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述扭力弹簧(120)为聚氨酯棒，所述动力输出轴(118)外壁沿长度方向设有容纳聚氨酯棒的沟槽，所述扭力弹簧两端固定连接于外壳上。4.根据权利要求1所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述机械臂(110)上设有温度传感器和/力传感器。5.根据权利要求4所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述机械臂(110)具有可弯曲的中部，该中部处设有可在受力时张紧的柔性关节，机械臂(110)内设有可柔性控制支撑力度的柔性执行器。6.根据权利要求1所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述躯干(125)前部设有显示器(128)和连接显示器(128)的信息接收装置。7.根据权利要求1所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述底座(130)上设有可沿地面水平伸出、进而扩大支撑面积的稳定提升装置(132)。8.根据权利要求1所述的自适应柔性医疗护理机器人系统，其特征在于:所述躯干(125)底部通过一动力传动系统、可升降连接于底座(130)上。
【文档编号】B25J11/00GK105856254SQ201610394688
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月4日
【发明人】胡建军, 林堤梨
【申请人】浙江侍维波机器人科技有限公司