自適應柔性醫療護理機器人系統的制作方法

本發明涉及機器人技術領域，尤其是涉及一種自適應柔性醫療護理機器人系統。

背景技術：

隨著人口老齡化的加重，醫護人員越來越緊缺。在護理過程中，抱抬和移載病人對護理人員而言呈現出身體損傷的危害可能性正在上升，這不僅嚴重影響到護理人員的工作狀態，也直接影響到對病人的服務質量。醫院護理方面人力在面對越來越多的病人時已顯得力不從心。服務這些老年病人需要巨大的時間和精力。

技術實現要素：

本發明為了克服現有技術的不足，提供一種可安全搬運病人，降低醫護人員工作量的自適應柔性醫療護理機器人系統。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種自適應柔性醫療護理機器人系統，包括軀干、至少一對機械臂、設于軀干底部可全向移動的底座及設于軀干上具有3D感知功能的導航操作系統；所述導航操作系統連接底座，所述軀干上設有連接所述機械臂的驅動器組合。醫療護理機器人系統能夠在醫療機構中服務更多的病人，幫助醫護人員送上醫療所需用品、降低醫護人員由于抱抬和移載重物時造成背部傷害的風險、與病人進行娛樂互動、移動重物、成為遠程醫護人員的媒介、協助進行醫院內存貨管理；該機器人擁有全向移動子系統，使得其在醫院環境中移動更靈巧。

進一步地，所述驅動器組合包括外殼，旋轉驅動件，連接旋轉驅動件、可將旋轉驅動件旋轉動力放大的傳動箱及扭力彈簧，所述旋轉驅動件和傳動箱均設于外殼內；所述傳動箱包括一動力輸出軸，所述扭力彈簧固定連接所述外殼與動力輸出軸。該結構的機械臂能抱抬300-500磅的重物，驅動器組合連接在機械臂上為其強大抱抬能力提供足夠的扭矩或動力。該機器人系統的驅動器組合是電力驅動的，為機械臂執行抱抬與移載病人任務提供柔軟度、安全性、靈活性和強度。驅動器組合提供的敏感度使得機械臂不會傷害到病人，提供的靈巧性使得機械臂能處理更小更精密的物品。驅動器組合強有力且可靠，1)符合重物抱抬任務的要求。2)通過柔性位置反饋和力量反饋來控制輸出力的大小，具有更理想的結構內在安全性。3)有效地延長電池壽命。4)結構緊湊、重量輕，易操作。

進一步地，所述扭力彈簧為聚氨酯棒，所述動力輸出軸外壁沿長度方向設有容納聚氨酯棒的溝槽，所述扭力彈簧兩端固定連接于外殼上。

進一步地，所述機械臂上設有溫度傳感器和/或力傳感器。從而使得機械臂對病人的感知更敏感。

進一步地，所述機械臂具有可彎曲的中部，該中部處設有可在受力時張緊的柔性關節，機械臂內設有可柔性控制支撐力度的柔性執行器。靈巧柔性雙臂可從肢軀干處伸展出來，像機械臂一樣抱抬和移動物品，比如醫療器械、藥品、食物和病人。其柔性關節的操控具有自適應性，可以確保在護理過程中的安全與良好的操控性能。模仿真人 機械臂，使機器人在功能性和舒適性上都提高。靈巧且柔性的機械臂既有足夠的載荷抱抬重物，又具有足夠的柔性來安全地處理敏感的醫療器械和病人。該柔性機械臂上柔性關節及柔性執行器是機械臂強大的抱抬能力的力量或力矩的來源。機械臂中使用的柔性執行器更好地模仿了人類機械臂的肌肉模型之特性。柔性執行器使得機械臂在與人交互時更好地控制力量和顯得更柔軟。當機械臂像人類的手臂一樣有更高的觸覺感知時病人會感覺到更安全、更放松和更加信任護理機器人。機械臂從上肢軀干兩側向前伸展開來，有足夠的長度來抱抬起一個正常成年病人。

進一步地，所述軀干前部設有顯示器和連接顯示器的信息接收裝置。醫生通過機器人胸前的顯示器與病人交流。遠程交流通過無線環境實現。

進一步地，所述底座上設有可沿地面水平伸出、進而擴大支撐面積的穩定提升裝置。確保抱抬病人時的穩定與安全。

進一步地，軀干底部通過一動力傳動系統、可升降連接于底座上。可根據需要調節軀干的高度，進而調節顯示器和機械臂的高度。

綜上所述，本發明可代替醫護人員進行搬運病人，運送醫療用品等，減輕醫護人員工作負擔。

附圖說明

圖1為本發明的立體圖一；

圖2a為本發明機械臂與驅動器組合連接示意圖一；

圖2b為本發明的機械臂相對于整個機器人系統的位置示意圖；

圖3a為本發明機械臂與驅動器組合連接示意圖二；

圖3b為本發明驅動器組合分體示意圖；

圖3c為本發明的驅動器組合安裝后的結構示意圖；

圖3d為本發明驅動器組合部分結構示意圖；

圖3e為本發明驅動器組合安裝不同數量扭力彈簧后的三種狀態圖。

圖4a為本發明主視圖；

圖4b為本發明立體圖二；

圖5a為本發明的底座結構示意圖一；

圖5b為本發明的底座結構示意圖二。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好的理解本發明方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述。

本發明包含的內容主要與機器人相關，更具體說是一種適應柔性醫療護理機器人系統，該醫療護理機器人系統旨在護士指導下實現抱抬病人并移載病人等功能。其功能不包括取代護士的日常工作，僅適于在減輕護理過程中的體力勞動負荷以及協助護士提升其工作效率和完成工作質量，并大幅降低護理人員受傷的可能性。因為該機器人系統之操作部分具有自適應柔性關節，在其直接與病人接觸時，機器人系統的操控過程可以根據載荷輕重自動調節柔性關節參數以達到操控的有效性與安全性。

如圖1、圖4a及圖4b均為本適應柔性醫療護理機器人系統的整體結構，包括人性形的軀干125、至少一對靈巧柔性的機械臂110、底座130及導航操作系統。所述底座130設于軀干125底部，且該底座130可全向移動，導航操作系統設于軀干125上，導航操作系統具有3D感知功能。所述導航操作系統連接底座130，進而在底座130移動過程中，可以通過導航系統避開障礙物。所述軀干125上設有驅動器組合112,驅動器組合112連接所述機械臂110，進而驅動機械臂110移動。

如圖2b所示，機械臂110的前端是一個扁平的結構，使得機械臂110更好伸入病人與病床間隔之間。所述機械臂110上設有溫度傳感器和力傳感器，從而使得機械臂110對病人的感知更敏感。所述機械臂110具有可彎曲的中部，該中部處設有柔性關節，柔性關節可在受力時張緊，柔性關節能適應于不同載荷下操控能力。機械臂110內設有柔性執行器，柔性執行器可柔性控制支撐力度，更好地模仿了人類手臂的肌肉模型之特性。柔性執行器使得機械臂110在與人交互時更好地控制力量和顯得更柔軟。該機械臂110上的柔性關節及柔性執行器是機械臂110強大的抱抬能力的力量或力矩的來源。靈巧且柔性的機械臂110既有足夠的載荷抱抬重物，又具有足夠的柔性來安全地處理敏感的醫療器械和病人。當機械臂110像人類的手臂一樣有更高的觸覺感知時病人會感覺到更安全、更放松和更加信任護理機器人。機械臂110從軀干125兩側向前伸展開來，有足夠的長度來抱抬起一個正常成年病人。

在特殊需求下，在本實施例中，一對機械臂110為兩只，兩只機械臂110可以拆卸下來，替換為所需要的其他功能操作工具，例如電鉆、磁鐵、鉗子、激光頭、電鋸等等。而自適應的柔性執行器則使得機器人系統有能力自適應地調節系統控制性能以便達到有效地在不同載荷下工作良好。

所述軀干125前部設有顯示器128和信息接收裝置，所述顯示器為帶觸摸屏的顯示屏。信息接收裝置連接顯示器128。所述軀干125為模塊化的結構，包括三個互相緊靠的驅動器組件，即位于軀干125中間的驅動組件安裝了顯示器、接收裝置，兩側的驅動組件則為驅動器組合。這種設計使得生產和維護都更加方便。出現了問題的驅動組件可以快速地被替換或更換零件。軀干125模仿真人造型，使機器人系統在功能性和舒適性上都提高。醫生通過機器人系統胸前的顯示器128與病人交流。遠程交流通過無線環境實現。

如圖2a、2b、3a、3b、3c、3d及3e所示，所述驅動器組合112包括外殼、旋轉驅動件114、傳動箱116及扭力彈簧120。所述傳動箱116連接旋轉驅動件114，所述傳動箱116包括一動力輸出軸118，傳動箱116可將旋轉驅動件114旋轉動力放大然后傳至動力輸出軸118輸出，所述旋轉驅動件114和傳動箱116均設于外殼內。所述扭力彈簧120固定連接所述外殼與動力輸出軸118。再者，所述扭力彈簧120為聚氨酯棒，所述動力輸出軸118外壁沿長度方向設有溝槽，所述溝槽可容納聚氨酯棒，所述扭力彈簧120兩端固定連接于外殼上。驅動器組合112的外殼和輸出軸118之間的相對角度的位移使聚 氨酯棒發生形變，從而在有限的空間內產生很高的扭轉彈簧率。圖3d為本發明驅動器組合部分結構示意圖。圖3e為驅動器組合安裝了7根、11根及14根扭力彈簧120后的三種狀態示意圖。所述旋轉驅動件114為電機，當然在其他實施例中還可是其他的驅動部件。這樣的驅動器組合112連接在機械臂上，為其強大抱抬能力提供足夠的扭矩或動力。驅動器組合112是電力驅動的，為機械臂112執行抱抬與移載病人任務提供柔軟度、安全性、靈活性和強度。驅動器組合112提供的敏感度使得機械臂110不會傷害到病人，提供的靈巧性使得機械臂110能處理更小更精密的物品。驅動器組合112強有力且可靠，符合重物抱抬任務的要求，通過柔性位置反饋和力量反饋來控制輸出力的大小，具有更理想的結構內在安全性，本身結構緊湊、重量輕，易操作。

如圖5a、5b所示，具有零力矩點平衡功能的底座130，使機器人占地更大，更穩定。底座130為整體機器人系統提供移動基礎。所述底座130上設有穩定提升裝置132，穩定提升裝置132可沿地面水平伸出，進而擴大支撐面積，移動機器人系統的動力學穩定性得到提高，這在抱抬重物時尤其有用。所述軀干125底部通過一動力傳動系統連接于底座130上，動力系統可帶動軀干125升降,進而調節軀干125的高度，且該動力傳動系統連接信息接收裝置，信息接受裝置接收顯示器信息，同時探測顯示器與病床之間的高度差，然后通過動力傳動系統抬高或降低軀干、顯示器的高度，控制病人的視線和顯示器處于同一直線上，方便病人的使用。有直觀的人機交互界面，也用于 人機交互的視頻界面和高度集成的醫療護理及保健系統方案。底座130在接觸地面時有反作用力也會產生力矩。若存在某一點使其反作用力、慣性力的凈力矩和為零的點稱之為零力矩點(ZMP)。零力矩點是判定仿人機器人動態穩定運動的重要指標，零力矩點落在底座的支撐平面范圍里面，則機器人可以穩定的動態行走。本機器人系統可以動態地判斷出該力矩點所在從而動態調整底座支撐機構已到達確保系統動力學穩定而不至于傾覆。機器人系統可以通過特別的感知軟件和全向移動功能在醫療機構中做智能移動。全向移動驅動在運動控制需要較高的移動性和低摩擦力的情況下尤其適用。

導航操作系統可以控制機器人系統在醫院里移動。導航系統可通過遠程操控。該系統利用智能軟件進行感知、偵測、避障、和半自動化。醫護人員可直接通過引導機器人系統的機械臂110和手掌來指引機器人系統移動位置以及將機械臂110置于病人身下。在另一些情況下，機器人系統可通過語音識軟件來識別病人。機器人系統同時有溫和的人類語音內置，可以使病人情緒穩定下來。

本機器人系統需要能夠安全地、有效地配合醫護人員給病人提供優質的服務以滿足需要體力進行的護理操作。

適應柔性醫療護理機器人系統還有以下功能：a)通過全向移動平臺在醫院環境中智能移動；b)為人機交互提供真實界面；c)醫護人員可通過遠程臨鏡控制對機器人系統進行直接操控；d)具有柔性關節的機械臂110擁有足夠的強度實現抱抬和搬運病人和重物等操作；e)其柔性關節的操控具有自適應性，可以確保在護理過程中的安全與良 好的操控性能。

本發明提供的醫療護理機器人系統，可以在一個醫療機構中服務于大約200個病人。該機器人系統還可在直接或遠程臨境(Telepresence)控制下在醫院里移動到給定位置，具有足夠抱抬300-500磅重物功能的靈巧柔性的機械臂110。

機器人系統100為病人提供服務時，可運用兩只靈活機械臂110來抱抬病人。機器人系統100可接近病人的病床邊，機器人系統100上有信息接受裝置，它可調節自身上身的高度來使人機交互視頻界面處于病人的視平線高度。軀干125的高度由一個動力傳動系統的抬起和降低控制。醫護人員(包括醫生、護士或技師)可以通過視頻和音頻遠程和病人溝通，病人可在機器人系統上身的觸摸屏上書寫自己的要求和問題，遠程交流通過無線環境實現。醫護人員可通過給機器人系統輸入指令使得機器人系統接近并抬升病人。機器人系統的底座130可伸展出一個穩定提升裝置而擴大底座130支撐范圍的面積，確保抱抬病人時的穩定與安全。靈活機械臂110覆蓋有織布材料，使和人的敏感肌膚接觸時更舒適。機械臂110中使用的柔性執行器更好地模仿了人類手臂的特性。柔性執行器使得機械臂110在與人交互時更好地控制力量和更柔軟。自適應柔性執行器可以確保在不同載荷下機器人系統100能有效地工作。當機械臂110像人類的手臂一樣有更高的觸覺感知時病人會感覺到更放松和信任機器人。機器人系統100具有導航操作系統114，可以在醫院里移動，導航操作系統114也可通過遠程操控。該導航操作系統114利用智能軟件進行感知、偵測、避 障、和半自動化。機器人系統100可通過語音識軟件來識別病人，同時有溫柔的人類語音內置可以使病人情緒穩定下來。

顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。