CN107848124A - 用于机器人系统的防护披盖 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人系统的防护披盖。防护披盖可以与需要在各种环境中操作的机器人系统一起使用，所述环境示例性地包括工业应用、用于患者护理的无菌手术室以及用于制造敏感电子元件的洁净室。在这些应用的每一个中，需要防止污染物从环境渗入到机器人中，影响机器人本身或机器人系统的操作，以及防止机器人的污染物感染患者或污染组件或加工产品。

Description

用于机器人系统的防护披盖

相关申请的交叉引用

本申请主张于2015年7月23日递交的序列号为62/196,073的美国临时申请的优先权；其内容通过并入引入本文。

技术领域

本发明涉及机器人系统，并且特别涉及一种用于机器人系统的防护披盖。

背景技术

机器人系统已经开发成用于从工业、医疗、以及军事领域的各种不同的应用。根据待执行的应用，机器人系统具有独特的特征以执行不同的任务，其中尺寸、重量、几何结构、构造、控制元件、程序以及功能均为在设计一个机器人时要考虑的特征。

机器人系统需要在不同的环境下操作，从工业应用到用于病患护理的一组无菌手术或用于生产敏感电子元件的洁净室。在这些应用中的每一个均需要防止污染物侵入机器人中及影响操作，并防止机器人中的污染物感染病患或污染由机器人组装或检测的产品。此外，在医疗或医药环境中，需要保持无菌条件以防止致病原在由机器人治疗的接连病患之间转移。

用在手术室中的机器人系统必须无菌或被无菌袋覆盖，而一个工业机器人经常具有一个相似的防护披盖。通常，机器人系统的部分必须超过披盖(drape)延伸，使得那些部分可以超过披盖与环境相互作用以执行所需要的任务。在一个具有较大移动范围的机器人系统中，固定披盖于机器人系统的操作端经常导致披盖收缩。导致披盖围绕机器人系统扭曲和绷紧需要手动调整披盖。这可以通过比所需要的覆盖系统大的防护披盖实现。由于大的防护披盖，机器人操作手具有更大的空间关节连接，以减少待收缩的几率。然而，这种额外的材料会干扰手术过程和装置的使用。此外，由于披盖可能不像机器人的形状，所以可能大的防护披盖需要不利于安装的额外的带材料。在另一方面，具有与机器人相匹配形状的防护披盖可能在安装期间难以围绕机器人操纵控制。

目前，用于将流体，例如无菌冲洗流体，输送到机器人的端部执行器的管必须在披盖安装后围绕防护披盖布设。这可能是一个困难的过程，特别是在安装期间保持冲洗管无菌并且使管朝向正确的方向。另外，由于外部放置，经常需要在外科手术之间交换这种管。

因此，本领域需要用于易于安装的机器人系统的防护披盖，不限制机器人的移动，并允许机器人系统执行特定的任务。

发明内容

提供了一种用于机器人系统的防护披盖，其包括防护管状体，该防护管状体封装机器人系统的至少一部分，第一环连接到防护管状体的第一端周边或接近防护管状体的第一端周边并适于装配在机器人系统的远端部分周边。第二环连接到防护管状体的第二端周边，其中第二环构造成装配在机器人系统的近端部分周边而不限制机器人手臂的旋转。提供一根或多根拉绳以沿着防护管状体和机器人手臂的长度在不同点处去除多余松弛。

提供了一种用于机器人系统的防护披盖，其包括适于集体地封装机器人系统的至少一部分的多个披盖段，其中一个或多个局部环定位在多个披盖段之间并连接所述多个披盖段。第一环连接到集中披盖段(collective drape segment)的第一端周边，其中第一环构造成装配在机器人系统的远端部分周围，并且第二环连接到集中披盖段的第二端周边，其中第二环构造成装配在机器人系统的近端部分周围。

提供了一种用于机器人系统的防护披盖，其包括具有构造成封装机器人手臂的长度的防护管状体。第一环连接到防护管状体的第一端周边，其中第一环构造成装配在机器人手臂的远端部分周围，并且第二环连接到防护管状体的第二端周边，其中第二环构造成装配在机器人手臂的近端部分周围，并且冲洗、真空或空气管/线与防护管状体集成一体。

提供了一种用于展开防护披盖以封装机器人系统的方法，其中该方法包括在机器人系统前面单独保持防护披盖的管状体或者连接到的一对环中的至少一个；并自动移动或推进机器人系统的机器人手臂通过防护管状体以封装机器人系统。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行进一步的详细描述，这些附图旨在显示本发明的某些方面，但不应该被解释为对本发明的实践的限制。

图1为根据本发明的实施例的机器人系统的透视图，该机器人系统具有透明的防护披盖，该防护披盖连接到机器人手臂上，在机器人的固定基座处和旋转工具附接处具有旋转无约束的环；

图2为根据本发明的实施例的具有透明防护披盖的机器人系统的透视图，所述透明防护披盖连接到机器人手臂，包括用于控制防护披盖内的期望压力的鼓风机；

图3为根据本发明的实施例的处于折叠状态以有助于运输并且便于安装的防护披盖的透视图；

图4为根据本发明的实施例的机器人系统的透视图，其具有分段的与局部环连接的透明防护披盖，并且在机器人的固定基座处和在端部执行器的旋转工具附接点处与旋转无约束的环结合到机器人手臂；

图5为根据本发明的实施例的机器人系统的透视图，其具有分段的透明防护披盖，所述防护披盖与局部环连接，其中所述局部环连接到机器人手臂上，并且防护披盖的端部在机器人的固定基座以及端部执行器的旋转工具附接点处与旋转无约束的环连接到机器人手臂上；

图6为根据本发明的实施例的具有透明防护披盖的机器人系统的透视图，所述透明防护披盖具有拉绳，以沿着所述防护披盖的长度在不同点处去除多余的松弛部分，所述防护披盖在机器人的固定基座和端部执行器的旋转工具附接点处与旋转无约束的环连接到机器人手臂；

图7为根据本发明的实施例的具有透明防护披盖的机器人系统的透视图，所述透明防护披盖具有沿着所述防护披盖的长度形成骨架的冲洗、真空或空气管/线，所述防护披盖在机器人的固定基座和端部执行器的旋转工具附接点处与旋转不受限制的环连接到机器人手臂；以及

图8为根据本发明的实施例的具有控制流体的两个防护管状体以进行温度控制的防护披盖的示意图。

具体实施方式

本发明具有用于机器人系统的机器人的防护披盖的实用性。本发明下面的各种实施例的描述不是对将本发明限制在这些实施例中，而是使得本领域技术人员通过这些实施例的方面能够制造和使用本发明。

应当理解的是，在提供的值范围的实例时该范围旨在不仅包括该范围的端点值而且还包括该范围的中间值，是明确包含在该范围中的，并且由该范围的最后有效数字改变。举例来说，1至4的列举范围旨在包括1～2、1～3、2～4、3～4以及1～4。

本发明的实施例描述了机器人系统的防护披盖和使用方法。应该理解的是，用于医疗或工业应用的任何自主(即，主动)、半自主、被动、或触觉机器人系统可以受益于在此公开的系统和方法。本发明的实施例可以与需要在各种环境下操作的机器人系统一起使用，所述环境示例性地包括工业应用、用于病人护理的无菌外科套件以及用于制造敏感电子元件的洁净室。在使用本发明的实施例的这些应用中的每一个中，需要防止污染物从环境渗透到机器人并影响机器人本身或机器人系统的操作、以及防止来自机器人的污染物感染病人或污染组装或加工产品。此外，在手术或医疗环境中，需要保持无菌状态以防止由机器人治疗的患者之间传染性病原体的转移；本发明通过布置与现有技术不同且优越的防护披盖来满足这些要求。

这里描述的实施例涉及一种机器人系统。应该理解的是，该机器人系统可以进一步包括外部部件，例如外部硬件和软件、跟踪系统、外部用户接口以及外部用户输入机构。除非另有说明，否则外部组件可能需要独立于本文所述的机器人系统的额外防护披盖。机器人系统的部件和控制的例子在美国专利申请号12/703,125和美国专利5806518中有描述。这种机器人系统的例子包括LBR iiwa轻型工业机器人系列(KUKA Robotics Corp.，Shelby Township，Michigan)、Surgical System(THINK Surgical，Inc.，Fremont，CA)以及Robotic System(Mako Surgical Corp.，Ft.Lauderdale，FL)。

防护披盖的实施例可以由纸、纺织材料、织物、塑料膜、塑料片、箔片(foils)以及它们的组合制成。在某些发明实施方案中，本发明的披盖由透明塑料膜形成以允许可视化检查封装的机器人而不损害防护披盖的位置或完整性。

现在参考附图，图1描绘了根据本发明的一个实施例的覆盖的机器人系统10。机器人系统10可以包括在基座16上旋转的分段的机器人手臂14、以及相对于机器人手臂14旋转的端部执行器操纵器18。机器人系统10的最远端部分为端部执行器20，其可以是可移除地附接到端部执行器操纵器18。机器人系统10的最近端部分为基座16。机器人手臂14的各段可以通过各种旋转、棱柱或球形关节连接以致动端部执行器20，以一个或多个自由度，优选地五个或更多。防护披盖22由薄片材料形成，所述薄片材料形成为具有无旋转限制的环24和28的与机器人系统10连接的管状体。在特定的发明实施例中，环28可以连接到机器人系统10的远端部分，例如端部执行器20、或端部执行器操纵器18。环24可以连接到覆盖的机器人系统10的更近端部分，例如基座16或机器人手臂14的近端部分。出于视觉清晰的目的，披盖22被描绘为由透明材料制成，如聚乙烯；然而，可以理解的是，纸、纺织材料、织物、非透明塑料膜或片材、箔片及其组合也适用于形成披盖22。形成防护披盖22的防护管状体可以根据机器人系统10的形状和尺寸形成。例如，取决于机器人系统10的类型或几何形状，防护管状体可以形成或制造成空心圆柱体、空心正方形或任何空心不规则形状的形状。另外，防护管状体可以通过连接相对的片边缘而容易地形成例如空心圆柱体，或者可以通过常规技术由无缝膜或箔片形成。还可以理解的是，相同或不同材料的管腔部分容易结合以形成分段的防护披盖。或者，可以将片状材料接合以形成具有绗缝状图案的管状体。

在一些发明实施例中，环28接合端部执行器20。使用旋转不受约束的环(24，28)允许将披盖22直接附接至端部执行器20，而不是邻近最后一个旋转接头的连杆，而端部执行器20可自由地旋转无限数量的旋转而不会约束披盖22，并且允许腕关节永久地翻转，同时保持端部执行器位置以进行无限次数的旋转。环的使用减小了披盖的尺寸，以便于安装。

在一些发明实施例中，披盖22在预选位置具有开口27以提供通向手臂14或基座16的通路。密封件29提供用于封闭的开口27。密封件29包括如在美国专利5,809,621中的接触粘合带或紧固件结构。通常，披盖是具有粘合剂的连续片材，以结合多个披盖部件。但是，如果在需要进入的手臂上或者基座上进行控制，则具有密封件的开口可能是有利的。可以理解的是，密封件29容易形成，使得在机器人12和外部环境之间存在无菌屏障。

在本发明的其他实施例中，如图2所示，机器人系统15包括鼓风机、真空或空气压缩机23以控制防护披盖22内的压力。根据工作环境的性质，覆盖的机器人系统10在防护披盖22内相对于周围环境具有正压力或负压力。举例来说，在具有腐蚀性或微粒硬化环境的工业环境中，鼓风机23可用于在披盖22内部产生正压力，保护机器人系统15并进一步用于推动披盖22的片材远离移动机器人系统15的部件。在医学设置中，具有真空机23以在防护披盖22内产生负压力可能是有利的，使得机器人系统15上的微粒或碎片不能逃脱或污染手术区域。在某些发明实施例中，机器人系统15可以包括压力控制系统以控制气流的方向。因此，取决于程序的应用或阶段，机器人系统15和防护披盖22之间的区域可以在正压力或负压力状态之间切换。另外，一个或多个环(24，28)可以提供气密密封以帮助控制披盖22内的压力。尽管，如果压差足以维持压力状态，则可能不需要气密密封。

在特定的发明实施例中，如图1和3所示，一组环(24，28)，其中一个环28近似于端部执行器操纵器18或端部执行器20的尺寸，或者不限制端部执行器操纵器18或端部执行器20旋转的环(即“滑环”)被用在防护披盖22的远端。第二环24是大于机器人手臂14和基座16的最大直径的简单环。如图3所示，防护披盖22在两个环(24，28)之间可被压缩或者折叠。例如，防护披盖22可以具有类似于波纹管的手风琴式折叠。如图1所示，当展开时，披盖22可以像机器人手臂14那样成形，使得机器人系统10能够在其整个运动范围内移动而不需要收紧披盖22。可以理解的是，披盖22的片材的收紧通常可以限制机器人系统10的操作范围，特别是端部执行器20；另外，如果收紧导致撕裂，则披盖22的屏障功能会受到损害。

在特定的创造性方法中，防护披盖22通过使用者将环(24，28)保持在机器人系统10的前方而被安装。披盖22的第一环28通过使用者固定到机器人系统10的远端(如果附接则为端部执行器20，或者如果端部执行器20未附接，则为端部执行器操纵器18)。然后，机器人手臂14以使用者不需要移动第二环24的方式自动移动或推进通过环(24，28)。当机器人手臂14移动通过第二环24时，披盖22展开直到使用者将第二环24保持在机器人系统10的基座16附近。在特定实施例中，使用者通过握住第一环28并沿着手臂14的长度移动第二环24来手动展开披盖22。在另一个实施例中，分离的装置(未示出)保持折叠披盖22的两个环(24，28)。机器人系统10自动地将端部执行器20移动到装置，其中端部执行器20自动地附接到第一环28、或者用户手动地将第一环28附接到端部执行器。随后，机器人系统10使手臂14移动通过第二环24，同时第二环24保持静止，或者机器人系统10“拾起”披盖22，将披盖22提升到手臂14上方，并且允许重力以使披盖22沿着机器人手臂14展开。在第二环24位于机器人系统10的基座16处之后，第二环24可附接至基座披盖26以形成基座密封。基座披盖26可以覆盖机器人系统10的基座16之外的任何附加部件，例如支撑在地面或墙壁上的可能包含额外的机器人硬件组件的支撑结构。

图4为根据本发明实施例的机器人系统30的透视图，该机器人系统30具有分段的防护披盖32，所述分段的防护披盖32具有通过局部环34连接的披盖段36。分段的防护披盖32在机器人系统30的固定基座16处且在端部执行器操纵器18或端部执行器20处与旋转无约束的环(24，28)连接至机器人手臂14。在图4中，相同的附图标记具有与前述附图相同的含义。在特定的实施例中，局部环34可以形成段36之间的刚性连接(rigid connection)，或者局部环34可以形成段36之间的不受限制的旋转连接。

图5为根据本发明的实施例的机器人系统40的透视图，该机器人系统40具有与局部环44连接的分段的防护披盖32，其中局部环44连接或夹在机器人手臂14上。防护披盖32的端部在机器人系统40的固定基座16处以及在端部执行器操纵器18或端部执行器20处与旋转不受约束的环(24，28)连接至机器人手臂I4。在图5中，相同的附图标记具有与前述附图相同的意思。

图6为机器人系统50的实施例的透视图，其具有带有拉绳54的防护披盖52，以沿着防护披盖52的长度在不同点去除多余的松弛。在图6中，与前面的附图相同的附图标记具有相同的标号。防护披盖52在机器人12的固定基座16处和端部执行器操纵器18或端部执行器20处以无旋转限制的环连接到机器人手臂14上。使用拉绳54允许具有更容易制造的统一的横截面的统一尺寸的披盖，同时允许在需要的地方松弛，但是防止在不需要的地方过度松弛。在一个具体的实施例中，具有如机器人系统50的最大直径部分的较大直径并且允许必要的松弛以防止在手臂14的旋转期间扭曲的管形披盖52，具有沿着披盖52长度的位置，其中机器人手臂14的横截面较小并且不需要多余的松弛，拉绳54被放置在披盖52内以允许披盖52紧靠机器人12。

图7为根据本发明的实施例的机器人系统60的透视图，该机器人系统60具有沿着防护披盖62的长度形成骨架的具有冲洗、真空或空气管/线64的防护披盖62。防护披盖62在机器人系统60的固定基座16处和在端部执行器操纵器18或端部执行器20处与无旋转限制的环(24，28)连接到机器人手臂12。在图7中，与前面的附图相同的附图标记具有相同的标号。在具体的实施方式中，冲洗、真空或空气管/线64沿着防护披盖62的长度呈螺旋状或弹簧状样式。

在一个具体的实施方案中，冲洗、真空或空气管/线64可以与披盖62一起预包装和折叠，使得展开披盖62也打开冲洗管/线64，使得管62处于机器人12上的最佳位置在并且确保当披盖62展开时冲洗管62的正确端部位于端部执行器18处。在具体的实施方式中，冲洗管62还可以为披盖62提供外部“骨架”，防止披盖62被束缚并且便于披盖62的更容易的安装。冲洗管/线64可以盘绕成使得展开披盖62使披盖62围绕机器人12卷绕。

在具体的发明实施例中，如图8所示，用于机器人系统的防护披盖70可以包括结合在其中的外管72和第二内管74，其中流体(例如冷却空气)可以在其间通过。鼓风机23可以附接到环24附近的内管74，以将流体吹送到封装在防护披盖70的内管74内的机器人系统的部件(即，箭头76的方向)上。流体然后可以在靠近内管74前部的防护披盖70内部出来，然后穿过外管72和内管74之间的空间(流体流动方向由箭头78和80表示)。流体然后可以在内管74和外管72之间从鼓风机23附近排出(由箭头82指示)。防护披盖70将在内管74内的机器人系统的温度保持降下来，否则可能由于机器人硬件的封闭而增加。

防护披盖70的环24和28可以连接到内管74和外管72上。在一个具体的实施例中，环28连接到内管74和外管72上，而环24只是附接到内管74以允许所有流体在鼓风机附近排出。如果环28连接到内管74和外管72，则在内管的远端部分附近可以存在孔或其它穿孔，以允许流体流到内管74和外管72之间的空间。因此，流体可以不在执行外科手术的端部执行器20附近排出。

其他实施例

虽然在前面的详细描述中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解，存在大量的变化。还应该理解的是，示例性实施例或示例性实施例仅是示例，并不意图以任何方式限制所描述的实施例的范围、适用性或配置。而是，前面的详细描述将为本领域的技术人员提供用于实现示例性实施例或多个示例性实施例的便利的路线图。应该理解的是，可以对元件的功能和布置进行各种改变而不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的范围。

Claims (32)

1.一种用于机器人系统的防护披盖，包括：

防护管状体，封装所述机器人系统的至少一部分；

第一环，连接到所述防护管状体的第一端周边或者接近所述防护管状体的第一端周边并且适于装配在所述机器人系统的远端部分周围；

第二环，连接到所述防护管状体的第二端周边，所述第二环构造成装配在所述机器人系统的近端部分周围而不限制机器人手臂的旋转；以及

一根或多根拉绳，以沿着所述管状体和所述机器人手臂的长度在不同点处去除多余的松弛。

2.根据权利要求1所述的防护披盖，其特征在于，所述防护披盖由纸、纺织材料、织物、塑料膜、塑料片、箔片或其组合制成。

3.根据权利要求1所述的防护披盖，其特征在于，所述防护披盖为透明的塑料膜。

4.根据权利要求1所述的防护披盖，其特征在于，所述防护披盖在封装所述机器人系统之前在所述第一环和所述第二环之间折叠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的防护披盖，还包括用于腔内压力控制的鼓风机。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的防护披盖，还包括在所述防护管状体的壁中的进入开口以及适于选择性地密封所述进入开口的封闭密封件。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的防护披盖，进一步包括鼓风机、真空机或空气压缩机中的至少一个，以控制所述机器人系统和所述防护披盖之间的压力。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的防护披盖，其特征在于，所述第二环与所述机器人系统形成气密密封。

9.根据权利要求1所述的防护披盖，其特征在于，所述第一环适于装配在所述机器人系统的端部执行器周围，并且所述第二环构造成装配在所述机器人系统的基座部分周围而不限制所述机器人手臂的旋转。

10.根据权利要求9所述的防护披盖，其特征在于，所述第一环装配在所述机器人系统的所述端部执行器的周围，而不限制所述端部执行器的旋转。

11.根据权利要求10所述的防护披盖，其特征在于，所述第一环形成所述机器人系统的气密密封。

12.一种用于机器人系统的防护披盖，包括：

多个披盖段，适于集体地封装所述机器人系统的至少一部分；

一个或多个局部环，定位在所述多个披盖段之间并连接所述多个披盖段；

第一环，连接到集中披盖段的第一端周边，所述第一环构造成装配在所述的机器人系统的远端部分周围；以及

第二环，连接到所述集中披盖段的第二端周边，所述第二环构造成装配在所述的机器人系统的近端部分的周围。

13.根据权利要求12所述的防护披盖，其特征在于，所述一个或多个局部环形成所述多个披盖段之间的刚性连接。

14.根据权利要求12所述的防护披盖，其特征在于，所述一个或多个局部环形成所述多个披盖段之间的不受约束的旋转连接。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的防护披盖，其特征在于，所述一个或多个局部环连接到所述机器人系统的机器人手臂。

16.根据权利要求12至14中任一项所述的防护披盖，其特征在于，每个所述披盖段独立地由纸、纺织材料、织物、塑料膜、箔片或其组合制成。

17.根据权利要求12至14中任一项所述的防护披盖，其特征在于，所述防护披盖为透明的塑料膜。

18.根据权利要求12至14中任一项所述的防护披盖，其特征在于，所述第一环装配在所述机器人手臂的端部执行器周围，而不限制所述端部执行器的旋转。

19.一种用于机器人系统的防护披盖，包括：

防护管状体，具有构造成封装机器人手臂的长度；

第一环，连接到所述防护管状体的第一端周边，所述第一环构造为装配在所述机器人手臂的远端部分周围；

第二环，连接到所述防护管状体的第二端周边，所述第二环构造成装配在所述机器人手臂的近端部分周围；以及

与所述防护管状体集成的冲洗、真空或空气管/线。

20.根据权利要求19所述的防护披盖，其特征在于，所述冲洗、真空或空气管/线沿着所述防护管状体的长度呈螺旋状或弹簧状样式。

21.根据权利要求20所述的防护披盖，其特征在于，所述冲洗、真空或空气管/线沿着所述防护管状体的长度形成骨架。

22.根据权利要求20所述的防护披盖，其特征在于，所述冲洗、真空或空气管/线与所述披盖一起预包装和折叠，其中展开所述披盖时也展开所述冲洗、真空或空气管/线；以及

其中当所述防护管状体被展开时，所述冲洗、真空或空气管/线的一端部被定位在所述端部执行器处。

23.根据权利要求19所述的防护披盖，其特征在于，所述冲洗、真空或空气管/线为盘绕的，其中展开所述防护管状体使所述防护管状体围绕所述的机器人手臂盘绕。

24.根据权利要求19所述的防护披盖，其特征在于，所述防护披盖由纸、纺织材料、织物、塑料膜、箔片或其组合中的一种制成。

25.一种机器人系统，包括：

基座；

机器人手臂，具有从基座延伸的至少三个自由度；以及

权利要求1至4中任一项所述的防护披盖。

26.一种展开防护披盖以封装机器人系统的方法，包括：

在所述机器人系统的前方，单独地保持防护披盖的管状体或连接到一对环中的至少一个；以及

自动地移动或推进所述机器人系统的机器人手臂通过所述防护管状体以封装所述机器人系统。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，当所述机器人手臂移动通过所述一对环的第二环时，所述防护披盖展开。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，人类用户握住所述一对环。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，装置保持所述一对环。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述防护管状体连接到所述一对环的第一环，所述第一环固定到所述机器人系统的远端。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括在所述管状体围绕所述机器人系统之后，将所述一对环附连到所述防护管状体。

32.根据权利要求26至31中任一项所述的方法，还包括通过将所述一对环的所述第二环附接至所述机器人系统的基座来形成基座密封件。