CN111702778B

CN111702778B - 一种实现使用者的坐卧姿转换和搬运的多臂机器人

Info

Publication number: CN111702778B
Application number: CN202010545969.2A
Authority: CN
Inventors: 吴迪; 钟彩意; 王欣; 孙景慧
Original assignee: Chengdu Research Institute Of Dalian University Of Technology; Dalian University of Technology
Current assignee: Chengdu Research Institute Of Dalian University Of Technology; Dalian University of Technology
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2040-06-16
Also published as: US20220314457A1; WO2021253629A1; CN111702778A; US11701781B2

Abstract

本发明涉及一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，包括机械臂模块、躯干模块、行走底盘模块和控制模块。所述机械臂模块至少包含3个机械臂，通过直线模组与躯干模块连接。所述躯干模块包括躯干本体以及直线模组，并通过螺栓与行走底盘模块连接。所述行走底盘模块包括多组全向轮和可伸缩配重。所述控制模块包括驱动模块、操作模块、信息采集模块、运动控制模块、数据处理模块、通信模块和预警模块。上述多臂机器人，可以实现使用者在手术台、病床和轮椅三者之间的转运，也可以用于病患的辅助盥洗，减轻护理人员的劳动强度。

Description

一种实现使用者的坐卧姿转换和搬运的多臂机器人

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，具体涉及一种能够对使用者进行姿势调整，并实现平稳的抬升、下降和水平移动搬运机器人。

背景技术

随着中国老龄化的到来，失能和半失能人员日益增多，护理人员短缺而且工作强度大，护理人员成本由此不断提高，这使得普通家庭难以承受。由此催生出多种款式的护理床，虽能实现使用者的起卧，但在对床单与使用者的卫生清洁工作，仍需要护理人员很强的体力来挪动使用者。此外在其他瘫痪、肢体残疾、麻醉手术使用者的日常护理中，也需要对使用者在承载体之间的来回转运工作，护理人员的工作强度很大。

发明内容

针对现有技术中存在的难题，本发明提供了一种用于实现使用者的坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，可全面接替护理人员对使用者的挪动与转移工作，实现使用者在手术台、病床或轮椅之间的机械化搬运，达到对使用者的盥洗与护理要求，减轻护理人员的工作强度。

本发明提供的技术方案如下：

一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，包括机械臂模块、躯干模块2、底盘行走模块3和控制模块4；所述机械臂模块，至少由3个机械臂1组成，对人体的作用点至少有三个：肩背部、尾椎骨和腰椎骨之间、膝关节；所述躯干模块2，包括躯干立柱21、躯干外壳22和直线模组23；所述直线模组23通过机械臂连接件与机械臂连接；所述行走底盘模块3包括底盘架31、可伸缩配重32、全向轮33，所述底盘架31上方与躯干立柱21连接，所述可伸缩配重32设置在底盘架31上，所述全向轮33设置在底盘架31四周，呈十字布局；所述控制模块4包括驱动模块、操作模块、信息采集模块、运动控制模块、数据处理模块、通信模块和预警模块。

作为优选的实施方案，本发明的多臂机器人的机械臂，除了作用于肩背部、尾椎骨和腰椎骨之间、膝关节外，其他机械臂的作用点可分布在：头部、大腿、机动位置；所述机械臂布置在躯干的两侧和前部。

进一步地，所述机械臂包括肩部关节11、大臂12、肘部关节13、腕部关节14和小臂15；所述肩部关节11实现机械臂的左右转动，用于调节作用点位置；所述肘部关节13实现机械臂的前后转动，用于调节所述机械臂小臂15的倾角，所述腕部关节14实现所述小臂15的旋转，用于调节所述小臂15与使用者的接触角；所述小臂15为扁平结构，由小臂板151和前端带有活动的折叠结构组成；所述折叠结构包括挡板152和拉板153，所述拉板153用于固定所述挡板152。

进一步的，机械臂具有4个自由度，包括肩部的1个直线移动副和1个转动副、肘部的1个转动副以及腕部的一个转动副。

进一步地，所述躯干立柱21为中空结构，所述直线模组23可分为直线模组固定座231和直线模组滑台232两部分，所述直线模组固定座231固定于躯干外壳22的侧壁上，所述直线模组滑台232通过机械臂连接件与机械臂连接，所述直线模组固定座231固定在躯干立柱21外侧壁上，所述躯干外壳22包覆在躯干立柱21外。

进一步地，所述可伸缩配重32包括滑动导轨321、配重座322和配重块323，所述滑动导轨321的固定轨固定在所述底盘架31上，所述配重座322连接在所述滑动导轨321的滑动轨上，所述配重块323放置在配重座322上；所述的全向轮33均带有减震器。

进一步地，所述控制模块4包括主控制器41、机械臂子控制器42、行走子控制器43、超声波距离传感器44和操作手柄45；所述主控制器41和机械臂子控制器42放置在所述躯干立柱21内部，所述行走子控制器43放置在所述底盘架31下方，所述超声波距离传感器44设置在所述底盘架31四周，所述操作手柄45通过无线方式将操作指令发送至主控制器41，主控制器41根据该指令发送相应的控制指令至所述机械臂子控制器42和所述行走子控制器43，子控制器再根据所得指令控制机械臂和行走模块进行动作。所述超声波距离传感器44将距离信息经由子控制器发送至所述主控制器41，所述主控制器41据此判断是否发生碰撞危险，进行紧急停车操作并发出警报。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、多臂机器人通过机械臂模块、躯干模块、底盘行走模块和控制模块相互配合实现使用者在手术台、病床或轮椅之间的转运，以及盥洗的要求，减轻护理人员的工作强度；

2、多臂机器人可以检测各机械臂的载荷，实现机械臂交替承重，并自动调整配重位置，同时能够对周围环境中的物体进行实时测距，保证了机器人的安全和稳定性。

3、多臂机器人的小臂采用扁平式结构，能都顺利楔入使用者和床之间的间隙，避免触伤使用者身体，小臂前端为可活动折叠结构，能够实现使用者防滑脱预警功能。

附图说明

图1为多臂机器人整体结构示意图；

图2为侧机械臂和前机械臂结构示意图；

图3为去除躯干外壳的躯干模块结构示意图；

图4为行走底盘模块结构示意图；

图5为控制系统组成框图；

图6为主控制流程图；

图7为机械臂控制流程图。

图中：1.机械臂模块；2.躯干模块；3.底盘行走模块；4.控制模块；11.肩部关节；12.大臂；13.肘部关节；14.腕部关节；15.小臂；16.前臂连接件；17.侧壁连接件；151.小臂板；152.挡板；153.拉板；21.躯干立柱；22.躯干外壳；23.直线模组；231.直线模组固定座；232.直线模组滑台；31.包括底盘架；32.可伸缩配重；33.全向轮；321滑动导轨321；322配重座；323配重块；41.主控制器；42.机械臂子控制器；43.行走子控制器；44.超声波距离传感器；45.操作手柄。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本分明为多臂机器人，实施例的以四臂机器人为例进行说明。

如图1、2、3、4、5所示的四臂转运机器人，包括机械臂模块1、躯干模块2、行走底盘模块3和控制模块4。所述机械臂模块1由4个机械臂组成，其中两个位于躯干模块2的两侧各布置1个，所述躯干模块2前部布置2个机械臂；布置在两侧的机械臂通过侧臂连接件17与所述直线模组滑台232连接，布置在前部的机械臂通过前臂连接件16与所述直线模组滑台232连接；

所述机械臂包括肩部关节11、大臂12、肘部关节13、腕部关节14和小臂15；所述小臂15与腕部关节14连接，所述腕部关节14直接与肘部关节13连接，所述肘部关节13连接于大臂12的一端，所述大臂12的另一端与肩部关节11连接；肩部关节11实现机械臂的左右转动，用于调节作用点位置；所述肘部关节13实现机械臂的前后转动，用于调节所述机械臂小臂15的倾角，所述腕部关节14实现所述小臂15的旋转，用于调节所述小臂15与使用者的接触角；所述小臂15为扁平结构，由小臂板151和前端带有活动的折叠结构组成，所述折叠结构包括挡板152和拉板153，所述拉板153用于固定所述挡板152。

所述躯干模块2，包括躯干立柱21、躯干外壳22和直线模组23；所述直线模组23可分为直线模组滑台232和直线模组固定座231两部分，所述直线模组滑台232通过机械臂连接件与机械臂连接，所述直线模组固定座231固定于躯干本体的侧壁上；所述躯干立柱21为中空结构，所述直线模组固定座231固定在躯干立柱21外侧壁上，所述躯干外壳22包覆在躯干立柱21外。

所述行走底盘模块3包括底盘架31、可伸缩配重32、全向轮33，所述底盘架31上方与躯干立柱21连接，所述可伸缩配重32包括滑动导轨321、配重座322和配重块323，所述滑动导轨321的固定轨固定在所述底盘架31上，所述配重座322连接在所述滑动导轨321的滑动轨上，所述配重块323放置在配重座322上。

所述控制模块4包括主控制器41、机械臂子控制器42、行走子控制器43、超声波距离传感器44和操作手柄45；所述主控制器41和机械臂子控制器42放置在所述躯干立柱21内部，所述行走子控制器43放置在所述底盘架31下方，所述超声波距离传感器44设置在所述底盘架31四周；所述操作手柄45通过无线方式与所述主控制器41进行通信，所述主控制器41通过EtherCAT总线与所述机械臂子控制器42和所述行走子控制器43连接，所述机械臂子控制器42通过CANopen总线与直线模组和关节模组连接。所述操作手柄45通过无线方式将操作指令发送至主控制器41，所述主控制器41根据该指令发送相应的控制指令至所述机械臂子控制器42和所述行走子控制器43，子控制器再根据所得指令控制机械臂和行走模块进行动作。所述超声波距离传感器44将距离信息经由子控制器发送至所述主控制器41，所述主控制器41据此判断是否发生碰撞危险，进行紧急停车操作并发出警报。

所述四臂搬运机器人的控制流程如图5、图6所示，首先启动机器人，机器人进行系统初始化和自检，若系统正常，便开始等待接收操作手柄45的控制指令。当接收到控制指令后，主控制器41对指令进行解析。若为行走指令，则首先根据超声波传感器44的距离信息判断障碍物所在的方向和距离，若当前距离小于安全距离阈值且指令中的行走方向为靠近障碍物，则主控制器41将停车指令发送至行走子控制器并发出警报，行走子控制器43控制停车，等待下一次操作手柄指令，否则主控器将行走方向和速度信息发送至行走子控制器43，行走子控制器43根据所得信息控制行走电机，实现行走。若为机械臂控制指令，则进入机械臂控制子程序，若为姿态转换指令，主控制器根据轨迹规划算法规划出各个机械臂的运动轨迹，再将运动轨迹发送给相应的机械臂子控制器，子控制器根据运动轨迹控制机械臂各个关节的运动，当完成姿态转换后，重新等待接收操作手柄的指令；若为单臂控制指令，主控制器将相应机械臂的目标位置发送至对应的机械臂子控制器42，进而机械臂子控制器42控制机械臂各个关节的运动。

本实施例所述的四臂搬运机器人将使用者从病床搬运至病床的具体过程如下：首先将小臂15前端的折叠机构展平，通过遥控方式使机器人行走至病床一侧，并调整各机械臂位置，使各机械臂的小臂15对准使用者与病床之间的间隙，然后控制机器人缓慢前进，使各机械臂的小臂15楔入使用者与病床的间隙，直至小臂15前端的折叠结构完全露出，接着各机械臂稍稍抬升，调整各机械臂，使各机械臂作用点处于合适的位置，再手动将小臂15前端的折叠结构折叠以固定使用者。固定完成后，抬升机械臂，使使用者与病床完全分离，再通过遥控方式控制机器人行走至另一张病床的一侧，待使用者对准病床的合适位置后，各机械臂缓慢下降至使用者与病床基本接触，再手动展平小臂15前端的折叠机构，然后机器人后退，抽出小臂15，在抽出过程中，机械臂应稍向下压，避免使用者跟随机器人移动。

本实施例所述的四臂搬运机器人将使用者从病床搬运至轮椅的具体过程如下：首先将使用者从病床抬起，该过程与前文一致，不再赘述。将使用者完全抬起后，控制机器人行走至轮椅的一侧，且病患头部位于靠近轮椅靠背一侧，再抬升靠近头部的一侧的机械臂，并转动肩关节和腕关节，使病患由平躺状态变为坐姿状态。最后，将病患对准轮椅，使各个机械臂同步缓慢下放，将病患放置在轮椅上，机器人后退，抽出机械臂，完成病患从病床到轮椅的搬运。

显然，所描述的实施例仅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。

上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims

1.一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，其特征在于，包括机械臂模块、躯干模块（2）、行走底盘模块（3）和控制模块（4）；所述机械臂模块，包括至少3个机械臂（1），对人体的作用点至少有三个：肩背部、尾椎骨和腰椎骨之间、膝关节；

所述躯干模块（2），包括躯干立柱（21）、躯干外壳（22）和直线模组（23），所述直线模组（23）通过机械臂连接件与机械臂（1）连接；

所述行走底盘模块（3）包括底盘架（31）、可伸缩配重（32）、全向轮（33），所述底盘架（31）上方与躯干立柱（21）连接，所述可伸缩配重（32）设置在底盘架（31）上，所述全向轮（33）设置在底盘架（31）四周，呈十字布局；

所述控制模块（4）包括主控制器（41）、机械臂子控制器（42）、行走子控制器（43）、超声波距离传感器（44）和操作手柄（45）；主控制器（41）和机械臂子控制器（42）放置在所述躯干立柱（21）内部；行走子控制器（43）放置在底盘架（31）下方；超声波距离传感器（44）设置在底盘架（31）四周；所述操作手柄（45）通过无线方式将操作命令发送至主控制器（41），主控制器（41）根据该命令发送相应的控制指令至所述机械臂子控制器（42）和所述行走子控制器（43），行走子控制器再根据所得指令控制机械臂和行走模块进行动作；超声波距离传感器（44）将距离信息经由行走子控制器发送至所述主控制器（41），主控制器（41）据此判断是否发送危险，进行紧急停车操作并发出警报；

所述机械臂模块（1）由4个机械臂组成，其中两个位于躯干模块（2）的两侧各布置1个，所述躯干模块（2）前部布置2个机械臂；布置于两侧的机械臂通过侧臂连接件（17）与直线模组滑台（232）连接，布置于前部的机械臂通过前臂连接件（16）与直线模组滑台（232）连接；使用者完全抬起后，控制机器人行走至轮椅的一侧，且病患头部位于靠近轮椅靠背一侧，再抬升靠近头部的一侧的机械臂，并转动肩关节和腕关节，使病患由平躺状态变为坐姿状态；

所述机械臂包括肩部关节(11)、大臂(12)、肘部关节(13)、腕部关节(14)和小臂(15)；所述小臂（15）与腕部关节（14）连接，所述腕部关节（14）直接与肘部关节（13）连接，所述肘部关节（13）连接于大臂（12）的一端，所述大臂（12）的另一端与肩部关节（11）连接；

所述肩部关节（11）实现左右转动，用于调节作用点位置；

所述肘部关节（13）实现机械臂的前后转动，用于调节小臂（15）的倾角；各机械臂的小臂（15）楔入使用者与病床的间隙，直至小臂（15）前端的折叠结构完全露出；

所述腕部关节（14）实现所述小臂（15）的旋转，用于调节所述小臂（15）与患者的接触角；

所述小臂（15）由小臂板（151）和前端带有活动的折叠结构组成，折叠结构包括挡板（152）和拉板（153），拉板（153）用于固定所述挡板（152）；

所述机械臂具有4个自由度，包括肩部的1个直线移动副和1个转动副、肘部的1个转动副以及腕部的一个转动副；

所述躯干立柱（21）为中空结构；直线模组（23）分为直线模组固定座（231）和直线模组滑台（232）两部分，直线模组固定座（231）固定于躯干外壳（22）的侧壁上，直线模组滑台（232）通过机械臂连接件与机械臂连接，直线模组固定座（231）固定在躯干立柱（21）外侧壁上，躯干外壳（22）包覆在躯干立柱（21）外；

所述可伸缩配重（32）包括滑动导轨（321）、配重座（322）和配重块（323）；滑动导轨（321）的固定轨固定在所述底盘架（31）上，配重座（322）连接在所述滑动导轨（321）的滑动轨上，配重块（323）放置在配重座（322）上，全向轮（33）带有减震器。

2.根据权利要求1所述的一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，其特征还在于，除了作用于肩背部、尾椎骨和腰椎骨之间、膝关节这三个部位的3个机械臂（1）外，还包括作用点分布在头部、大腿的其他机械臂；所述机械臂可布置在躯干的两侧和前部。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，其特征在于，所述机械臂的小臂（15）是扁平结构。

4.根据权利要求3所述的一种实现使用者坐卧姿转换和搬运的多臂机器人，其特征在于，所述主控制器（41）通过EtherCAT总线与所述机械臂子控制器（42）和所述行走子控制器（43）连接；所述机械臂子控制器（42）通过CANopen总线与直线模组和关节模组连接。