CN101390098A - 五个自由度的可移动的机器人 - Google Patents
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Abstract
一种包括具有至少五个自由度和远程会议功能的远程控制机器人的机器人系统。该机器人可包括照相机、监视器和完整平台，这些都接附于机器人机架上。机器人可以由远程控制台控制，该控制台也具有照相机和监视器。远程控制台可以连接到基台，基台与机器人无线连接。照相机和监视器允许位于远程位置的监护人员通过机器人监控和看护病人。完整平台提供三个自由度，以允许机器人在家中或设施处移动，从而定位和/或跟随病人。机器人还具有为照相机提供至少两个自由度的机构。
Description
参考相关的申请
这是要求2003年5月14日提交的美国专利申请No.10/439122的优先权的国际申请，该美国专利申请要求2003年1月15日提交的美国临时申请No.60/440586的优先权。
发明背景
1、技术领域
本披露的主题总的涉及在健康护理领域中的机器人使用。
2、背景技术
对于患有从阿尔茨海默氏痴呆(Alzheimers)到压力疾患的各种疾病的病人来说，提供远程健康护理的需要在增长。为了将费用减到最小，为这些病人提供家庭护理是理想的。家庭护理一般需要健康护理提供者的定期探访，如护士或某些类型的助手。由于财务和/或人员问题，当病人需要某些类型的帮助时，健康护理提供者可能并不在他们身边。此外，现有职工必须不断接受培训，这会造成培训人员的负担。提供这样的系统是理想的：其允许健康护理提供者远程护理病人，而本人不必在场。
机器人用于从远程控制有害物质到帮助执行手术的各种应用中。例如，颁发给Wang等的美国专利No.5,762,458披露了一种系统，其允许外科医生通过使用机器人控制的仪器，最少地进行侵入医学过程。在Wang系统中的机器人臂之一移动具有照相机的内诊镜，该照相机允许外科医生观察病人的外科手术区域。
诸如危险的废物处理器和炸弹检测器之类的远程机器人可以包括照相机，其允许操作者观察远处位置。颁发给Treviranus等的加拿大专利No.2289697披露了一种远程会议的平台，其具有照相机和监视器两者。该平台包括机构来枢转和抬高照相机和监视器。在该加拿大专利中披露的远程会议平台是固定的，不能在建筑物中移动。
发明内容
机器人可包括连接在机架上三个自由度的平台。机器人也具有连接在机架上的监视器和照相机。机器人的第一个设备在第四个自由度上移动照相机。机器人的第二个设备在第二个自由度上移动照相机。
附图说明
图1是机器人系统的例图；
图2是机器人电气系统的示意图；
图3是该机器人电气系统的另一示意图；
图4是机器人的侧视图；
图5是机器人完整平台的顶部透视图；
图6是完整平台的滚子组件的侧部透视图；
图7是示出了机器人的底座组件的底部透视图；
图8是示出了底座组件的致动器的截面图；
图9是机器人头部的侧视图。
具体实施方式
披露的是包括具有至少五个自由度和远程会议功能的远程控制机器人的机器人系统。机器人可以包括照相机、监视器和完整平台，这些都接附在机器人机架上。可以通过也具有照相机和监视器的远程控制台来控制机器人。远程控制台可以连接到基台，基台与机器人无线连接。照相机和监视器允许位于远程位置的护理员通过机器人监控和护理病人。完整平台提供三个自由度，以允许机器人在家中或设施处移动，从而定位和/或跟随病人。机器人还具有为照相机提供至少两个自由度的机构。
参考附图，尤其是通过参考数字，图1显示了机器人系统10。机器人系统10包括机器人12、基台14和远程控制台16。远程控制台16可以通过网络18连接到基台14。例如，网络18可以是例如为互联网的包交换网络，或是诸如公共开关电话网络(PSTN)之类的电路交换网络或其他宽带系统。基台14可以通过调制解调器20或其他宽带网络接口设备连接到网络18上。
远程控制台16可以包括计算机22，其具有监视器24、照相机26、麦克风28和扬声器30。计算机22也可以包含如操纵杆或鼠标的输入设备32。控制台16典型地位于远离机器人12的位置。虽然只显示了一个远程控制台16，但系统10可以包括多个远程控制台。此外，虽然仅仅显示了一个机器人12，系统10可以具有多个机器人12是可以理解的。通常，任意数量的机器人12可以由任意数量的远程控制台16控制。例如，一个远程控制台16可以连接到多个机器人12上，或一个机器人12可以连接到多个远程控制台16上。
机器人12包括接附到机器人机架36的运动平台34。照相机38、监视器40、麦克风42和扬声器44也接附到机器人机架36上。麦克风42和扬声器30可以产生立体声。机器人12也可以具有天线45，其无线连接到基台14的天线46上。系统10允许在远程控制台16的使用者通过输入设备32来移动机器人12。机器人照相机38连接到远程监视器24上，以便在远程控制台16的使用者能够观察病人。同样地，机器人监视器40连接到远程照相机26上，以便病人能够观察使用者。麦克风28和42以及扬声器30和44允许病人和使用者之间进行音频交流。机器人12还可以具有把手48，其可以旋转到向下位置，以允许有人手动推动或者拉机器人12。
远程站计算机22可以运行Microsoft OS软件和WINDOWS XP系统或其他例如LINUX的操作系统。远程计算机22也可以运行视频驱动程序、照相机驱动程序、音频驱动程序和操纵杆驱动程序。视频图像可以用例如MPEG CODEC压缩软件来传送和接收。
图2和3显示了机器人12的实施例。机器人12可以包括高级控制系统50和初级控制系统52。高级控制系统50可以包括连接到总线56的处理器54。总线56通过输入/输出(I/O)端口58连接到照相机38上，通过串行输出端口60和VGA驱动程序62连接到监视器40上。监视器40可以包括触摸屏功能，其允许病人通过触摸监视屏来进行输入。
扬声器44通过数模转换器64连接到总线56上。麦克风42通过模数转换器66连接到总线56上。高级控制器50也可以包含随机存取存储器(RAM)设备68、非易失RAM设备70和大容量存储器设备72，它们都与总线56连接。大容量存储器设备72可以包含病人的医疗记录，在远程控制台16的使用者能够访问该记录。例如，大容量存储器设备72可以包含病人的照片。使用者，尤其是健康护理提供者，能够调出旧照片，并且在监视器24上与照相机38提供的病人的当前视频图像并列进行对比。机器人天线45可以连接到无线收发器74上。例如，收发器74可以根据IEEE 802.11b传送和接收信息。
控制器54可以运行LIUX OS操作系统。控制器54也可以运行MSWINDOWS以及视频、照相机和音频驱动程序，用来与远程控制台16通讯。使用MPEG CODEC压缩技术来收发视频信息。此软件可以允许使用者给病人发送e-mail，反之亦然，或者允许病人访问互联网。通常，高级控制器50操控机器人12和远程控制台16之间的通讯。
高级控制器50可以通过串口76和78连接到初级控制器52上。初级控制器52包括处理器80，其通过总线86连接到RAM设备82和非易失RAM设备84上。机器人12包括多个马达88和马达编码器90。编码器90提供关于马达88输出的反馈信息。马达88可以通过数模转换器92和激励放大器94连接到总线86上。编码器90可通过解码器96连接到总线86上。机器人12同时具有许多近程式传感器98(同时参见图1)。通过信号调节电路100和模数转换器102，位置传感器98可连接到总线86上。
初级控制器52运行机械驱动机器人12的软件例行程序。例如，初级控制器52提供指令来驱动运动平台，从而移动机器人12。初级控制器52可以从高级控制器50接收运动指令。可从远程控制台接收运动指令作为运动命令。虽然显示了两个控制器，这是可以理解的：机器人12可以具有控制高级和初级功能的一个控制器。
机器人12的各种电气设备可以通过电池104提供动力。电池104可以通过电池充电站106进行充电。初级控制器52可以包括感测电池104功率级的电池控制电路108。初级控制器52能够感测到何时功率降低到阈值以下，并且随之给高级控制器50发送消息。高级控制器50可以包括电源管理软件例行程序，其促使机器人12运动，以便当电池功率降低到阈值以下时，电池104连接到充电器106上。作为另外一种选择，使用者能够指引机器人12到电池充电器106上。此外，电池104可以被替换或者机器人12可以通过电线连接到墙壁电源出口上(未示出)。
图4显示了机器人12的实施例。机器人12可以包括接附到机器人机架112上的完整平台110。此完整平台110提供三个自由度，以允许机器人12向任何方向移动。
机器人12可以具有底座组件114，其支撑照相机38和监视器40。底座组件114可以具有两个自由度，以便照相机26和监视器24可以如箭头所示地旋转和枢转。
如图5所示，完整平台110可以包括三个安装到底板121的滚子组件120。滚子组件120允许在任何方向上移动。
机器人机架112可以包括保险杠122。保险杠122可以连接到光学位置传感器123，其检测何时保险杠122接合物体。在与物体接合后，机器人可以确定接触的方向，以及防止进一步运动进入该物体。
图6显示了滚子组件120的实施例。每个滚子组件120可以包括驱动滚珠124，其通过一对传动滚子126驱动。滚子组件120包括挡圈128和多个轴衬130，其允许滚珠124旋转，但阻止其在z方向的运动。
传动滚子126连接到马达组件132上。此组件132相应于图3中所示的马达88。马达组件132包括接附到马达136上的输出皮带轮134。输出皮带轮134通过驱动带140连接到一对滚珠皮带轮138上。滚珠皮带轮138接附到驱动销142上，驱动销接附到传动托架144上。传动滚子126通过滚子销146接附到传动托架144上。
输出皮带轮134的旋转转动了滚珠皮带轮138。滚珠皮带轮138的旋转导致了传动滚子126通过摩擦力来转动和旋转滚珠124。旋转滚珠124将移动机器人12。驱动滚珠126是异相的，以便滚珠126中的一个总是能与滚珠124接触。滚子销146和托架144允许传动滚子126自由旋转，并且当其他的滚子组件120之一驱动并且移动机器人12时，允许正交方向的被动运动。
如图7所示，底座组件114可以包括马达150，其通过皮带154连接到齿轮152。齿轮152接附到轴衬156。轴衬156接附到臂158，该臂通过托架160连接到照相机38和监视器40。马达150的开动旋转齿轮152，且使得照相机38和监视器40如箭头4所表示的围绕旋转轴线(也参见图4)旋转。马达150提供用于照相机38和监视器40的第四自由度。
如图8所示，组件114可以还包括臂158内的倾斜马达162，其可以使得监视器40和照相机38如箭头5表示的围绕枢转轴线(还参见图4和7)枢转。该枢转轴线可以与旋转轴线交叉，使得组件114像颈一样起作用，其可以左右和上下转动照相机38。
倾斜马达162可以旋转蜗杆164，蜗杆164旋转蜗轮166。销168刚性地接附到蜗轮166和托架160两者，使得齿轮166的旋转枢转照相机38和监视器40。托架160可以具有平衡物170，以抵消照相机38和监视器40的重量。照相机38可以还包括缩放部件，以为操作者提供另一个自由度。马达162为照相机38和监视器40提供第五个自由度。尽管显示和描述了马达150和162，可以理解，其它致动器可以实现于机器人12中。
图9示出了可以既枢转又旋转照相机38和监视器40的机器人头部200。机器人头部200类似于机器人12，但是没有平台110。机器人头部200可以具有相同的机构和零件，以既围绕枢转轴线4枢转照相机38和监视器40，又围绕旋转轴线5旋转照相机38和监视器40。枢转轴线可以与旋转轴线交叉。具有既枢转又旋转的机器人头部200提供了宽的观察区域。
在操作中，机器人12或者机器人头部可位于需要监控和/或帮助一个或更多的病人的家中或设施中。设施可以是医院或住宅监护设施。例如，机器人12可放置于家中，其中健康护理提供者可以监控和/或帮助病人。同样地，朋友或家庭成员可以与病人交流。机器人/机器人头部和远程控制台的照相机和监视器允许病人和远程控制台的人之间进行远程会议。
通过在远程控制台16处操纵输入设备32，可以操纵机器人12在家中或设施内行动。
在机器人12中的五个自由度允许在远程控制台16处的操作者获得任何需要的观察角度。机器人12具有自主运动。例如，可对机器人12进行编程，使其在某一时间自动移动到病人房间，以分发位于抽屉(没有显示)内的药品，而不需要远程控制台16的输入。可对机器人12编程，从而一天24小时、每周7天地监控和/或帮助病人。这样的监控能力通过机器人的自主充电功能得到增强。
虽然描述了并在附图中显示了某些典型实施例，应该理解：这些实施例仅仅是对广泛的发明起说明作用，并且不限制此广泛的发明，本发明不限于显示和说明的特定结构和布置，因为对于本领域的普通技术人员来说，各种其他变体是可能发生的。
Claims (56)
1.一种机器人，其包括：
机架；
接附于所述机架且具有三个自由度的平台；
连接于所述机架的照相机；
连接于所述机架的监视器；
以第四自由度移动所述照相机的第一设备；以及
以第五自由度移动所述照相机的第二设备。
2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述第一设备移动所述监视器。
3.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述第二设备移动所述监视器。
4.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述平台是完整平台。
5.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述照相机围绕枢转轴线枢转。
6.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述照相机围绕旋转轴线旋转。
7.根据权利要求1所述的机器人，其中，枢转轴线与旋转轴线相交。
8.根据权利要求1所述的机器人，进一步包括连接于所述机架的无线收发器。
9.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述第一和第二设备每个包括电动马达。
10.一种机器人，其包括：
机架；
接附于所述机架且具有三个自由度的平台；
连接于所述机架的照相机；
连接于所述机架的监视器；
用于以第四自由度移动所述照相机的第一移动装置；以及
用于以第五自由度移动所述照相机的第二移动装置。
11.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述第一移动装置移动所述监视器。
12.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述第二移动装置移动所述监视器。
13.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述平台是完整平台。
14.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述照相机围绕枢转轴线枢转。
15.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述照相机围绕旋转轴线旋转。
16.根据权利要求10所述的机器人，其中，枢转轴线与旋转轴线相交。
17.根据权利要求10所述的机器人，进一步包括连接于所述机架的无线收发器。
18.根据权利要求10所述的机器人，其中，所述第一和第二移动装置每个包括电动马达。
19.一种机器人，其包括：
机架；
接附于所述机架且具有三个自由度的平台；
连接于所述机架的照相机，使得所述照相机可以围绕枢转轴线枢转和围绕旋转轴线旋转；
连接于所述机架的监视器；
连接于所述机架和所述照相机的第一致动器；以及
连接于所述机架和所述照相机的第二致动器。
20.根据权利要求19所述的机器人，其中，所述第一致动器是电动马达。
21.根据权利要求19所述的机器人，其中，所述第二致动器是电动马达。
22.根据权利要求19所述的机器人，其中，所述平台是完整平台。
23.根据权利要求19所述的机器人，其中，枢转轴线与旋转轴线相交。
24.根据权利要求19所述的机器人，进一步包括连接于所述机架的无线收发器。
25.根据权利要求19所述的机器人，其中，所述第一和第二致动器连接到所述监视器。
26.一种用于操作机器人的方法，其包括：
沿着表面以三个自由度移动机器人，该机器人具有照相机和监视器；
以第四自由度移动机器人的照相机；以及
以机器人的第五自由度移动照相机。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，第四自由度是围绕枢转轴线枢转照相机，以及第五自由度是围绕旋转轴线旋转照相机。
28.根据权利要求26所述的方法，其中，监视器以第四和第五自由度移动。
29.根据权利要求26所述的方法，进一步包括将指令无线传送到机器人。
30.一种机器人系统，其包括：
远程台；以及
连接到所述远程台的机器人，所述机器人包括具有三个自由度的平台以及照相机和监视器，所述照相机可以以第四自由度和第五自由度移动。
31.根据权利要求30所述的机器人系统，其中，所述远程台包括计算机。
32.根据权利要求31所述的机器人系统，其中，所述远程台包括输入设备。
33.根据权利要求30所述的机器人系统，其中，所述机器人包括无线收发器。
34.根据权利要求33所述的机器人系统，进一步包括连接到所述无线收发器和所述远程台的基台。
35.根据权利要求30所述的机器人系统，其中，所述监视器以第四和第五自由度移动。
36.一种机器人头部，其包括：
机架；
连接于所述机架的照相机，使得所述照相机可以围绕枢转轴线枢转和围绕旋转轴线旋转；
连接于所述机架的监视器；
连接于所述机架和所述照相机的第一致动器；以及
连接于所述机架和所述照相机的第二致动器。
37.根据权利要求36所述的机器人头部，其中，所述第一致动器是电动马达。
38.根据权利要求36所述的机器人头部，其中，所述第二致动器是电动马达。
39.根据权利要求36所述的机器人头部，其中，枢转轴线与旋转轴线相交。
40.根据权利要求36所述的机器人头部，进一步包括连接于所述机架的无线收发器。
41.根据权利要求36所述的机器人头部，其中，所述监视器围绕枢转轴线枢转和围绕旋转轴线旋转。
42.一种机器人头部，其包括：
机架；
连接于所述机架的照相机；
连接于所述机架的监视器；
用于围绕枢转轴线枢转所述照相机的第一移动装置；以及
用于围绕旋转轴线旋转所述照相机的第二移动装置。
43.根据权利要求42所述的机器人头部，其中，所述第一移动装置枢转所述监视器。
44.根据权利要求42所述的机器人头部，其中，所述第二移动装置旋转所述监视器。
45.根据权利要求42所述的机器人头部，其中，枢转轴线与旋转轴线相交。
46.根据权利要求42所述的机器人头部，进一步包括连接于所述机架的无线收发器。
47.根据权利要求42所述的机器人头部，其中，所述第一和第二移动装置包括电动马达。
48.一种用于操作机器人头部的方法，其包括：
围绕枢转轴线枢转机器人头部的照相机，该机器人头部还具有监视器；以及
围绕旋转轴线旋转机器人头部的照相机。
49.根据权利要求48所述的方法，进一步包括枢转和旋转监视器。
50.根据权利要求48所述的方法，进一步包括将指令无线传送到机器人。
51.一种机器人系统，其包括：
远程台；以及
连接到所述远程台的机器人头部，所述机器人头部包括照相机和监视器，所述照相机可以围绕枢转轴线枢转和围绕旋转轴线旋转。
52.根据权利要求51所述的机器人系统，其中，所述远程台包括计算机。
53.根据权利要求52所述的机器人系统，其中，所述远程台包括输入设备。
54.根据权利要求51所述的机器人系统，其中，所述机器人头部包括无线收发器。
55.根据权利要求54所述的机器人系统，进一步包括连接到所述无线收发器和所述远程台的基台。
56.根据权利要求51所述的机器人系统，其中，所述监视器围绕枢转轴线枢转和围绕旋转轴线旋转。
Applications Claiming Priority (3)
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